Envejecimiento de células beta pancreáticas

La senectud celular es definida como el paro irreversible de proliferación. En los años 60, Hayflick y colaboradores encontraron que los fibroblastos diploides  de  humanos normales entran en un estado irreversible de no división después de un cierto número de divisiones, el cual fue referido como el “limite Hayflick”. Desde entonces, han sido identificados múltiples tipos de senectud celular incluyendo senectud replicativa, senectud inducida por oncógeno, senectud inducida por daño del ADN, senectud inducida por estrés oxidativo, senectud inducida por quimioterapia, senectud asociada a disfunción mitocondrial, senectud inducida epigenéticamente y senectud paracrina. Sin embargo, aún se desconoce si todos estos tipos de modelos de senectud ocurren in vivo.

   En general, las células senescentes se caracterizan por agrandamiento del tamaño celular, aumento del contenido lisosomal y regulación al alza de la actividad β-galactosidasa en un pH cercano a 7,0. La senectud celular es establecida y mantenida por al menos dos rutas de supresor de tumor, los ejes p53/p21 y p16^Ink4a/proteína de retinoblastoma (Rb). El eje p53/p21inicia el proceso de senectud, mientras el p16^Ink4a mantiene la activación del estado de senectud. En cultivos de células, la senectud ocurre como un mecanismo defensivo para resolver daños celulares, provocando un paro transitorio del ciclo celular. En este caso, las células pueden reingresar al ciclo celular una vez que el estrés ha sido resuelto. Sin embargo, el prolongado estrés celular (>4 días) provoca senectud permanente. Una vez que ha cesado la división celular, las células senescentes muestran amplios cambios en la estructura de la cromatina (referidos como focos de heterocromatina asociados con la senectud, SAHF) y en los perfiles de expresión de genes, los cuales sinérgicamente provocan un metabolismo celular altamente activo y una secreción masiva de citoquinas (TGF-β, IL-1a, -1b y -6), quimioquinas (IL-8, CXCL1), factores de crecimiento (FGF y HGF) y proteasas (MMP-1, -3 y -13), colectivamente definidos como fenotipos secretores asociados a la senectud (SASP). Adicionalmente, las células senescentes manifiestan pérdida de la expresión de laminina B1, pero los mecanismos relacionados y el significado no son muy conocidos. El SASP es una característica que exhiben casi todas las células senescentes y es iniciado principalmente por las rutas NF-κB y p38MAPK, mientras es mantenido por IL-1α de una manera autocrina. La composición del secretoma asociado con la senectud varía dependiendo del tiempo de senescencia, el inductor de la senectud y el tipo de célula.  Dos distintos secretomas han sido descritos hasta el presente y la señal NOTCH1 juega un rol principal en el cambio de la composición del secretoma. Durante el estadio inicial de la senectud, la actividad NOTCH1 fluctúa dinámicamente, lo cual dispara un secretoma rico en TGF-β para suprimir el secretoma pro-inflamatorio asociado con la senectud a través de la inhibición de la señal C/EPBβ. Sin embargo, en la senescencia sostenida, el TGF-β  reprime la transducción de la señal NOTCH1, lo cual a su vez contribuye a la segunda onda de inducción de senescencia y, por consiguiente, cambia el secretoma rico en TGF-β por uno pro-inflamatorio.

   La senectud representa un fenómeno programado que facilita el desarrollo embrionario de los mamíferos  y la maduración funcional de la célula β pancreática después del nacimiento. El acoplamiento de caracteres de la senectud incluyendo p16^Ink4a, p19^Arf y p15^Ink4b aumenta en las células β durante el envejecimiento disminuyendo la capacidad de regeneración.  Los estudios en roedores y humanos revelan que la recuperación y plasticidad de las células de los islotes pancreáticos disminuye en los ratones cuando se alcanza un año de edad, y que la población de células β humanas es establecida definitivamente a la edad de  20 años, excepto por la existencia de una pequeña población de “células β vírgenes”, la cual  es funcionalmente inmadura. Estos hechos son una reminiscencia de la senescencia de las células β con la edad. Generalmente las células β senescentes exhiben mayor tamaño celular (~14µm) que el normal (~12µm) y se pueden caracterizar por la regulación al alza de la expresión de Cdkn2a/1a (codifica a p16^Ink4a y p21, respectivamente) y moléculas anti-apoptosis (Bcl-2, -xl y  -w). La composición específica del secretoma asociado a la senectud ayuda a distinguir a las células β senescentes de otros tipos de células. Las características de la célula β senescente existen en modelos de diabetes tipo 1(DT1) y diabetes tipo 2 (DT2) de múltiples maneras, lo cual indica que la célula β senescente es regulada dinámicamente en diferentes contextos celulares.

   El envejecimiento y el estrés (hiperglucemia, respuesta inflamatoria, daño viral y resistencia a la insulina) pueden contribuir a la senescencia de la célula β pancreática. Los estudios han demostrado que el envejecimiento causa cambios en la accesibilidad a la cromatina de la célula β provocando alteraciones significativas en el perfil de expresión de genes. No obstante, la asociación de fenotipo senescente con cambios epigenéticos y transcriptómicos de la célula β durante el envejecimiento ha sido poco explorada. La evidencia emergente demuestra que las fuentes y los niveles de daño del ADN aumentan con la edad a medida que disminuye la capacidad de reparación de ADN, predisponiendo a las células  β a la detención del ciclo celular y la respuesta al daño de ADN asociado con la senescencia. La erosión del telómero relacionada con la replicación celular está asociada directamente con la limitación de la duración de la vida. Hay datos que apoyan que un telómero corto altera la función de la célula β y participa en la destrucción de células β en las etapas tardías de la DT2. Más aún, el análisis proteómico revela que las células β manifiestan una discrepancia significativa en términos de la expresión de marcadores de envejecimiento (por ejemplo, IGF1R) en un mismo islote pancreático, lo cual sugiere que las células β exhiben una considerable heterogeneidad en el envejecimiento.

   La hiperglucemia es otro disparador de la senescencia de las células β pancreáticas. Las células β mantienen la homeostasis de la glucosa sanguínea controlando apropiadamente la secreción de insulina de acuerdo con los cambios en tiempo real de los niveles sanguíneos de glucosa. La hiperglucemia sostenida puede inducir la senescencia de las células β a través de múltiples mecanismos como la activación de la quinasa 1, la activación de la proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK) y la “sobrecarga glucolítica” (caracterizada por un incremento en el flujo metabólico a través de la glucólisis  y la disminución de la proteólisis de la hexoquinasa) mediada por disfunción mitocondrial. A diferencia de otros tipos de células, las células β manifiestan una relativa baja capacidad antioxidante y, por tanto, son más susceptibles al estrés  oxidativo y al estrés de retículo endoplásmico (RE). La excesiva producción de sustancias reactivas de oxígeno (ROS) altera la dinámica mitocondrial (fisión y fusión), provocando defectos en la cadena transportadora de electrones, desbalance bioenergético y alteración de la homeostasis del calcio mitocondrial, lo cual dispara la senescencia de células β.

   El incremento en síntesis de proteínas, estrés oxidativo, mutaciones de genes y glucolipotoxicidad puede causar estrés RE en las células β pancreáticas. El estrés RE participa activamente en la senescencia de células β, pero los mecanismos moleculares no están claros. Los virus, especialmente enterovirus, causan daño del ADN celular. Estudios recientes demuestran que los islotes pancreáticos infiltrados con células inmunes se caracterizan por un incremento en la frecuencia de la respuesta al daño de ADN y la expresión de marcadores de senescencia en pacientes con DT1 y modelos de DT1 en roedores, lo cual indica que la senescencia de células β inducida por daño del ADN puede jugar un rol crítico en los estadios iniciales de la diabetes autoinmune. Los datos existentes apoyan que la respuesta autoinmune en DT1 y la inflamación crónica en DT2 contribuyen a la senescencia de células β, posiblemente a través de estrés RE, daño de ADN y otras rutas de señalización. Por otra parte, la resistencia sistémica a la insulina acelera la senescencia de células β durante el envejecimiento. Colectivamente, durante el curso del envejecimiento y la progresión de la diabetes, múltiples factores y rutas de señalización inducen la senescencia de células β, provocando cambios en la función de estas células y la homeostasis metabólica sistémica.

   El ciclo de la célula β es manejado por la actividad de Ciclina D1/2-CDK4 y regulado a la baja por p16^INK4a inhibidor de CDK4. Está demostrado que la expansión de células β es un proceso dependiente de la edad y que la replicación de células β es mucho más robusta en ratones jóvenes que en animales viejos. Una vez que el p16^Ink4a es específicamente expresado, las células β pancreáticas muestran el fenotipo senescente comprometiendo la regeneración celular.

   La implicación del envejecimiento en la regulación de la síntesis/secreción de insulina y la homeostasis de la glucosa ha sido reconocida desde los años 80. Utilizando rata Fischer, un modelo animal de envejecimiento, los investigadores encontraron que el envejecimiento no tiene efecto sobre la transcripción del mARN de proinsulina, pero altera casi la mitad de la síntesis de proinsulina estimulada por glucosa. La disminución de la síntesis de proinsulina puede provocar la reducción de la secreción de insulina nueva. Dado que el peso pancreático, el contenido total de insulina, el tamaño de los islotes y el contenido promedio de insulina por islote no cambian, las alteraciones en la transducción de señal que siguen a la estimulación con glucosa durante el proceso de envejecimiento podrían ser un factor crucial. Los estudios con potenciación dependiente de tiempo de liberación de insulina en ratas envejecidas confirman que las células β de los islotes pancreáticos pierden la sensibilidad a los secretagogos durante el proceso de envejecimiento. La síntesis y secreción de insulina en sujetos envejecidos son  moduladas por múltiples factores como el marcador de senescencia proteína-30 (SMP-30), un factor independiente de andrógeno involucrado en la síntesis de vitamina C que disminuye durante el proceso de envejecimiento para alterar la secreción de insulina estimulada por glucosa (GSIS). Otro fenómeno notable es que las células β senescentes manifiestan un nivel basal de insulina similar al del fenotipo célula β inmadura. Por otra parte, el envejecimiento causa disfunción mitocondrial en la célula β principalmente a través de desórdenes del complejo I/II seguido por una reducción de la actividad del canal K_ATP y un incremento en la entrada de Ca²⁺ que ocurre como una estrategia compensadora  y, por consiguiente, aumenta la exocitosis de insulina.

   Los estudios más recientes indican que la célula β senescente puede ser afectada por células pancreáticas proximales, concretamente células acinares, y otros factores hormonales. La expresión de arginasa II en las células acinares aumenta durante el proceso de envejecimiento y el incremento en la liberación de TNF-α por las células acinares induce disfunción y apoptosis de células β. Como  una célula β senescente puede estar diseminada entre las células β adyacentes, existe la posibilidad de una interacción entre las células β y los otros tipos de células pancreáticas, regulando, por tanto, a la célula β senescente. Por otra parte, la hormona tiroidea (T3) interviene en la maduración funcional de la célula β a través de la inducción de MafA y aumenta la senescencia celular activando directamente a p16^Ink4a  a través de los  receptores  de hormona tiroidea tipo A (THRA) y tipo B (THRB). Asimismo, los ratones con deficiencia de receptor de hormona de crecimiento (GRH)/gen de proteína ligadora muestran hipoinsulinemia, mayor sensibilidad a la insulina y prolongación del tiempo de vida aun cuando son más pequeños en tamaño, mientras la inserción del gen Igf1 bajo el control de un promotor de insulina puede revertir este fenotipo, confirmando que el IGF1R  es un marcador de envejecimiento y que el envejecimiento puede ser regulado hormonalmente.

   La DT1 se caracteriza por la progresiva destrucción de células β a partir de la respuesta autoinmune. Un estudio reciente demuestra que en los pacientes con DT1 existe una subpoblación de células β senescente, la cual recluta activamente células autoinmunes, indicando un rol importante de las células β senescente en el progreso de la DT1. En ratones con DT1, las células autoinmunes inician la peri-insulitis (el reclutamiento de células inmunes autoreactivas en la periferia de los islotes) con destrucción de células β desde las 3-4 semanas hasta las 8-10 semanas, mientras la enfermedad progresa después de las 10  semanas, lo cual causa insulitis invasiva acompañada por la masiva destrucción de células  β y severa hiperglucemia. Las células β senescentes se acumulan con el progreso de la DT1, exhiben daño del ADN y fenotipos senescentes inducidos por estrés. En los casos de humanos  con DT1, las células β muestran algunas características distintivas. (1) En las células β humanas, el p16^Ink4 es más un marcador  senescente relacionado con la edad que un marcador relacionado con la DT1. Por el contrario, la expresión de p21 aumenta en donadores no-diabéticos autoanticuerpos-positivos y  donadores DT1 recientemente diagnosticados, lo cual indica que p21 es un marcador senescente relacionado con la DT1. (2) El secretoma senescente en DT1 humana se caracteriza por la expresión de IL-6 y serpina-1. (3) La heterogeneidad entre islotes es obvia en términos de los niveles de expresión de marcadores senescentes.

   La DT2 es una enfermedad asociada con el envejecimiento que se caracteriza por resistencia a la insulina sistémica y disfunción metabólica en múltiples órganos y tejidos e incluye dos fases, la fase de prediabetes y la fase temprana  de diabetes. La prediabetes puede mantenerse por muchos años y se atribuye a la compensación de células β (aumento de la masa de células β). La falla en la compensación provoca la segunda fase que se caracteriza por muerte de células β, disminución de los niveles circulantes de insulina e hiperglucemia prolongada. En la prediabetes, la hiperglucemia relacionada con resistencia a la insulina, la dislipidemia y la inflamación incrementan la demanda de insulina, lo cual provoca la expansión de células β para secretar más insulina.  Para entender los efectos de la senescencia de células β sobre la patogénesis de la DT2, hay que tomar en cuenta el envejecimiento y los factores de estrés incluyendo hiperglucemia, hiperlipidemia e inflamación crónica. Las células β envejecidas se acumulan con la edad y exhiben GSIS alterada. Es de notar que la resistencia a la insulina puede exacerbar el proceso senescente de células β. Por otra parte, la senescencia paracrina acelera la acumulación de células β senescentes y promueve actividades SASP, lo cual a su vez exacerba la resistencia a la insulina sistémica y aumenta la pérdida de compensación de células β, acoplado con la progresión de prediabetes al estadio inicial de diabetes. Colectivamente, la senescencia de células β es un contribuyente común de la DT1 y la DT2 relacionada con el envejecimiento.

   En conclusión, la senescencia celular es crucial para el crecimiento y desarrollo en los estadios tempranos de la vida y es disparada por múltiples estresores endógenos y exógenos. Específicamente, la senescencia promueve la maduración funcional de la célula β incluyendo un incremento en la captación de glucosa, la capacidad mitocondrial de oxidación y el número de mitocondrias. Sin embargo, la senescencia sostenida está asociada con limitaciones relacionadas con el envejecimiento y el desarrollo de enfermedades. Por tanto, la senescencia está involucrada en la regeneración de células β, la secreción de insulina y el desarrollo de la diabetes.  Durante el envejecimiento, las células β senescentes alteran la expresión de genes relevantes  para la identidad de la célula β y las funciones celulares. Los estudios en ratones sobre la senescencia genética revelan que la prolongada senescencia deteriora la función de la célula β seguida de muerte celular. Más aún, durante el curso del proceso natural de envejecimiento, las células β de islotes humanos son sensibles a la apoptosis inducida por glucosa. Dado que las células senescentes son resistentes a la apoptosis, el efecto de las células senescentes depende principalmente de sus actividades SASP incluyendo senescencia paracrina y quimiotaxis, lo cual puede explicar la destrucción de células β y la disminución de la masa de células β asociada a hiperglucemia.

Fuente: Li N et al (2019). Aging and stress induced β cell senescence and its implication in diabetes development. Aging 11: 9947-9949.