Oxigenación de tejido adiposo

La obesidad es definida como un índice de masa corporal (IMC) de 30 kg/m² o mayor y se caracteriza por una excesiva expansión de la masa de tejido adiposo blanco (TAB). La tendencia global en la prevalencia de obesidad representa un problema de salud pública con más de 700 millones de niños y adultos afectados en el mundo. La obesidad predispone a múltiples desórdenes como resistencia a la insulina y diabetes mellitus tipo 2 (DMT2), enfermedad cardiovascular (ECV) y varios tipos de cáncer, aunque 10-30% de individuos obesos no presentan un perfil metabólico patológico. No obstante, este fenotipo, a menudo  referido como obesidad metabólicamente sana, conlleva un incremento en el riesgo de desarrollar DMT2 y ECV más tarde en la vida en comparación con individuos con peso normal. Estos datos sugieren que la fisiopatología de la obesidad y sus complicaciones es manejada por la disfunción del TAB más que por el incremento en la masa de TAB solamente.

   El TAB disfuncional se caracteriza por adipocitos hipertróficos, alteraciones en el metabolismo de los lípidos (incluyendo una reducida capacidad para amortiguar la entrada diaria de lípidos de la dieta contribuyendo, por tanto, a la acumulación ectópica de grasa), disminución del flujo sanguíneo del tejido adiposo y un estado de inflamación de bajo grado crónica. La presencia de inflamación del tejido adiposo en la obesidad está bien establecida y han sido identificados  varios factores que contribuyen a la secuencia de eventos que generan  un fenotipo pro-inflamatorio de obesidad. Por otra parte, los hallazgos más recientes proporcionan evidencia que la cantidad de oxígeno en el microambiente del tejido adiposo puede también impactar al metabolismo y la inflamación del tejido adiposo. Por tanto, la oxigenación puede ser un factor clave en la fisiopatología de la disfunción del tejido adiposo y las enfermedades crónicas asociadas.

   Una de las principales funciones del TAB es la preservación de energía en forma de triacilglicerol (TG) en  respuesta a un balance energético positivo crónico.  El tejido adiposo tiene la capacidad para expandirse a nivel celular reclutando stem cells/pre-adipocitos de la fracción estroma vascular, lo cual resulta en más adipocitos (hiperplasia) o agrandamiento de los adipocitos existentes (hipertrofia). Los adipocitos pueden aumentar sustancialmente su tamaño pero tienen un cierto límite de expansión, lo que implica que estas células tienen una capacidad máxima de  almacenamiento de TG. Sin embargo, más importante que la capacidad máxima de almacenamiento es la capacidad para almacenar dinámicamente lípidos en la fase postprandial, llamada capacidad amortiguadora de lípidos, y liberar ácidos grasos bajo condiciones de ayuno. El TAB hipertrófico tiene alterada la capacidad de almacenar ácidos grasos derivados de la comida. Como consecuencia, más lípidos de la dieta son dirigidos a través de la circulación sanguínea a otros tejidos, lo cual resulta en acumulación ectópica de grasa cuando la captación de lípidos excede a la oxidación de lípidos. El almacenamiento del exceso de lípidos en tejidos no adiposos en la obesidad tiene importantes consecuencias metabólicas pues está fuertemente asociado con resistencia a la insulina. Más aún, los adipocitos hipertróficos se caracterizan por un fenotipo pro-inflamatorio, lo cual agrava la resistencia a la insulina. Sin embargo, la inflamación de los adipocitos también es esencial para la expansión y remodelación del tejido adiposo sano, lo que sugiere que la inflamación no es solamente un fenómeno patológico. La medicación usada para tratar la diabetes tipo 2 puede aliviar la inflamación a través de la  reducción de la hiperglucemia. Sin embargo, los efectos anti-inflamatorios de estos agentes son inconsistentes y aún no está  claro si sus efectos metabólicos beneficiosos son mediados a través de la modulación de la inflamación de bajo grado crónica.

   La inflamación del TAB no solamente es causada por la secreción de factores pro-inflamatorios por los adipocitos, sino también es determinada por la infiltración de varias poblaciones de células inmunes pro-inflamatorias como los macrófagos. En roedores, los macrófagos pueden ser divididos en dos fenotipos: pro-inflamatorio M1 y anti-inflamatorio M2. Los macrófagos M1 son activados por patrones moleculares asociados con daño, citoquinas como IFN-γ y ácidos grasos libres, y actúan como fuente de citoquinas pro-inflamatorias, incluyendo factor de necrosis tumoral (TNF)-α, interleuquina (IL) 1β, IL-6, IL-12 e IL-23. Por el contrario, los macrófagos M2 juegan un rol en la remodelación tisular y la relación M1/M2 en el TAB es crítica en la fisiopatología de la obesidad, pues los macrófagos M2  actúan como reguladores y supresores de la inflamación, contrabalanceando los efectos pro-inflamatorios de los macrófagos M1. En humanos, los fenotipos de macrófagos son más complejos y la división en M1/M2 no es clara.

   En la obesidad, los cambios ocurren no solo en la población celular, sino también en la matriz extracelular (MEC) del tejido adiposo. La MEC,  formada por colágeno, glucoproteínas y proteoglucanos, proporciona soporte mecánico y protección. Al mismo tiempo, la MEC interactúa directamente y de una manera dinámica con las rutas de señalización de los adipocitos, afectando la diferenciación y expansión del tejido. Esto requiere remodelación y alteración en la composición de la MEC, lo cual ha sido asociado con fibrosis y disfunción del tejido adiposo en individuos con resistencia a la insulina.

   La evidencia reciente sugiere que la oxigenación del TAB está alterada en la obesidad, lo cual puede impactar varios aspectos de la función del TAB y la fisiología general del cuerpo. La presión parcial de oxígeno (pO₂) en el tejido adiposo ha sido medida en roedores y humanos con métodos directos e indirectos para estimar la oxigenación del TAB. La medición directa de pO₂ usando electrodos tipo aguja demuestra que la oxigenación del TAB es menor en ratones con obesidad inducida por dieta que en los controles delgados. Adicionalmente, la expresión de varios genes relacionados con la hipoxia, incluyendo al factor inducible por hipoxia-1 alfa (HIF-1α) también aumenta. Más aún, usando hidrocloruro de  pimonidazole, el cual se fija en las áreas hipóxicas, se ha demostrado que las áreas hipóxicas  son más prevalentes en TAB de ratones obesos. Sin embargo, es importante considerar que los modelos  de obesidad de ratones  se caracterizan por una rápida y masiva ganancia de tejido adiposo debida al genotipo y/o la dieta que estos animales reciben, lo cual no es comparable con el desarrollo más gradual de la obesidad en humanos.

   La hipoxia en el TAB ha sido investigada en estudios recientes en humanos. Estos estudios demostraron que la oxigenación de tejido adiposo está asociada positivamente con la  resistencia a la insulina y la pO₂ del tejido adiposo puede estar más relacionada con la sensibilidad a la insulina que la obesidad per se. Por otra parte, la relación piruvato/lactato en ayunas, la cual es un potencial signo metabólico de hipoxia, en sangre arterial se correlaciona inversamente con la adiposidad. Los estudios observacionales en humanos demuestran incremento en la expresión  de HIF-1α en TAB subcutáneo de humanos con obesidad mórbida. Después de una cirugía bariátrica hay una reducción de la expresión de mARN de HIF-1α en TAB. Por el contrario, la expresión del gen HIF-1α es regulada al alza durante la pérdida de peso inducida por una dieta baja en calorías.  El HIF-1α no solamente es regulado por los niveles de oxígeno, sino también por factores  de crecimiento incluyendo la insulina. Por tanto, los disturbios metabólicos como resistencia a la insulina y/o hiperglucemia pueden tener efectos marcados sobre la estabilidad de la proteína HIF-1α y afectar modificaciones epigenéticas.

   La pO₂ del TAB es el resultado de un delicado balance entre el aporte y el consumo de O₂, el cual está alterado en la obesidad. Más específicamente, diferencias en angiogénesis, densidad capilar y función vascular determinan el flujo sanguíneo del tejido adiposo (FSTA) y las demandas celulares que afectan el consumo de oxígeno contribuyen a los cambios en la pO₂ del TAB. Los aspectos estructurales (por ejemplo, densidad vascular) y funcionales (por ejemplo, tono vascular) determinan el FSTA y, por tanto, el aporte de oxígeno al TAB. Hay sustancial evidencia sobre la insuficiente angiogénesis en los depósitos de TAB en la obesidad. Los individuos obesos muestran disminución en el tejido adiposo de la expresión de mARN del factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF), el regulador master de la angiogénesis. Por otra parte,  humanos con sobrepeso/obesos muestran baja densidad capilar y una correlación  positiva entre VEFG y densidad capilar. Más aún, se ha demostrado que sujetos obesos con resistencia a la insulina tienen menos capilares y un mayor número de grandes vasos en el TAB en comparación con individuos delgados. Estos hallazgos son indicativos de rarefacción vascular y disminución de la remodelación vascular en el TAB de humanos obesos. Entonces, la menor densidad vascular puede reflejar una mayor oxigenación del TAB en la obesidad. Alternativamente, si la oxigenación del TAB es más baja en la obesidad, la respuesta pro-angiogénica no es efectivamente propagada.

   Además de la baja densidad capilar en el TAB de individuos obesos, un incremento en el tono vascular puede alterar el FSTA, el cual en última instancia determina el aporte de oxígeno tisular. Está  bien establecido que el FSAT es alterado en la obesidad humana. El FSAT en ayuno es más bajo en obesos que en individuos delgados y ha sido relacionado con resistencia a la insulina. Más aún, en el período postprandial así como durante la estimulación con insulina, el incremento en el FSTA es más brusco en los obesos que los individuos delgados. Estos hallazgos están relacionados con alteración de la respuesta beta-adrenégica y un incremento en la actividad del sistema renina-angiotensina en la obesidad. La manipulación farmacológica y fisiológica del FSTA induce alteraciones concomitantes en la pO₂ del TAB en humanos, lo cual sugiere que la disminución del FSTA en la obesidad reduce el aporte de oxígeno en el tejido adiposo. Sin embargo, la pO₂  no es el único determinante del aporte de oxígeno al tejido, sino que también depende del consumo de oxígeno por el TAB.

   En los individuos con peso normal, el consumo de oxígeno del TAB es relativamente bajo en comparación con otros tejidos, aproximadamente 5%  del consumo de oxígeno de cuerpo. Se estima que el consumo mitocondrial de oxígeno es de 85%, mientras que el consumo no mitocondrial de oxígeno puede ser responsable de 10-15% del consumo total de oxígeno en el TAB bajo condiciones de estado estacionario. El consumo de oxígeno mitocondrial y no mitocondrial puede cambiar durante la marcada remodelación del TAB que ocurre en la obesidad y puede inducir alteraciones en la oxigenación del TAB. Está bien establecido que la morfología, la masa  y la función mitocondriales son alteradas en múltiples depósitos de tejido adiposo de roedores obesos. Más aún, está demostrado que tempranamente en el desarrollo de la obesidad aumenta el metabolismo, la biogénesis y la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) mitocondriales, lo cual es crítico para iniciar y promover la diferenciación mitocondrial. En línea con los hallazgos en animales, varios estudios en humanos reportan alteraciones en la capacidad mitocondrial y reducida expresión de genes/proteínas relacionados con el metabolismo mitocondrial en el TAB en estados de obesidad, resistencia a la insulina y DMT2. Adicionalmente, ha sido demostrado que las proteínas mitocondriales son reguladas a la baja no solo a nivel de TAB completo sino también en adipocitos de individuos obesos. En concordancia con las alteraciones en la  densidad mitocondrial y el consumo de oxígeno en el TAB de humanos obesos, hay indicaciones que la pérdida de peso produce cambios beneficiosos en la función mitocondrial de TAB. Después de la cirugía bariátrica, aumentan la capacidad respiratoria y la biogénesis mitocondriales en el TAB. Por otra parte, la pérdida de peso inducida por dieta incrementa la expresión de genes de marcadores de la biogénesis mitocondrial y las rutas de consumo de oxígeno no mitocondrial en humanos, lo cual puede contribuir a  la reducción en la pO₂ en el TAB.

   Como cualquier otro tipo de célula, los adipocitos deben mantener y ajustar su regulación metabólica y fisiológica en respuestas a las fluctuaciones en el microambiente local, incluyendo las variaciones en los niveles de oxígeno. Los principales reguladores de oxígeno son los HIF, factores de transcripción que se unen al ADN y cambian la expresión de genes en respuesta a las alteraciones en los niveles de oxígeno. Los HIF tienen dos subunidades, α y β, la primera es una molécula sensible al oxígeno y  la subunidad β es constitutivamente expresada por las células. La familia HIF comprende tres miembros de acuerdo con tres subunidades α, HIF-1α, HIF-2α y HIF-3α. El HIF-1α ha recibido la mayor atención y es considerado el regulador master de la homeostasis de oxígeno. El HIF-1α es sintetizado continuamente y rápidamente degradado en presencia de oxígeno, pero es estabilizado cuando los niveles de oxígeno son bajos y es reclutado como factor de transcripción. Más específicamente, durante la oxigenación suficiente de las células, el HIF-1α es degradado enzimáticamente por la prolil-4-hidrolasa a través del proteasoma. Durante las condiciones “hipóxicas”, las cuales son tejido-dependientes, pero usualmente definidas como <1% de oxígeno en la mayoría de estudios, la prolil hidroxilasa es inactivada y el HIF-1α no es sometido a la rápida degradación. En estas condiciones, el HIF-1α forma un heterodímero con la subunidad β y actúa sobre áreas de unión del ADN llamadas elementos de respuesta a la hipoxia para regular la expresión de diferentes genes. Estos genes codifican proteínas involucradas en múltiples procesos celulares, incluyendo metabolismo de glucosa y lípidos, inflamación, metabolismo de MEC y apoptosis. 

   En condiciones hipóxicas ocurre un cambio de metabolismo aeróbico a anaeróbico, con la glucosa como mayor sustrato para la generación de ATP. Los estudios in vitro demuestran un incremento en la captación basal de glucosa en adipocitos de roedores y humanos tratados agudamente con 1% vs 21% O₂. Más aún, la captación de glucosa en adipocitos humanos está inversamente relacionada con los niveles de O₂ (1, 3, 5, 10, 15% vs 21% O₂) con un pico en 1% O₂. De acuerdo con estos hallazgos, la exposición prolongada a bajos (5% O₂) pero no altos (10% O₂) niveles fisiológicos de pO₂ tienden a incrementar la captación en stem cells derivadas de adipocitos multipotentes humanos. Sin embargo, resultados conflictivos han sido reportados con relación a los efectos de la pO₂ sobre la captación de glucosa mediada por insulina. La exposición aguda a 1% O₂ reduce la captación de glucosa mediada por insulina en adipocitos humanos, lo cual es indicativo de alteración de la señal insulina, un efecto que es reversible. Las alteraciones en la captación de glucosa son debidas a cambios en la expresión y localización de los transportadores de glucosa (GLUT). Entonces, los hallazgos in vitro indican que la exposición a hipoxia severa (1-2% O₂) y baja pO₂ (5% O₂) incrementa la captación de glucosa e induce un cambio hacia el metabolismo glucolítico en adipocitos de roedores y humanos.

   La exposición de adipocitos a hipoxia severa puede reducir la lipogénesis, mientras la exposición prolongada a pO₂ fisiológica puede incrementar la lipogénesis. La cantidad de oxígeno en el microambiente también impacta la lipolisis del adipocito. Varios estudios demuestran que la exposición aguda a hipoxia severa (1% O₂) incrementa la lipólisis basal en adipocitos. Más aún, la exposición prolongada (14 días)  a hipoxia severa incrementa modestamente la lipólisis basal, mientras que la baja pO₂ fisiológica (4% O₂) incrementa la lipólisis en mayor extensión en los adipocitos. En teoría, la resistencia a la insulina en adipocitos puede explicar el incremento en la lipólisis basal debido a  que está  reducida la supresión de la lipólisis mediada por insulina. Sin embargo, como la exposición a la hipoxia mejora la sensibilidad a la insulina, mecanismos alternativos podrían estar involucrados en los efectos inducidos por la pO₂ sobre la lipólisis basal. Entonces, la hipoxia incrementa la lipólisis en adipocitos en roedores y humanos, con efectos más pronunciados en condiciones de baja pO₂ fisiológica.

   Varios estudios demuestran que la expresión y secreción  de muchas adipoquinas son sensibles a los niveles de pO₂. La mayoría de estudios in vitro en adipocitos humanos demuestran que la exposición aguda a hipoxia severa (1% O₂) induce un perfil de expresión y secreción  pro-inflamatorio en (pre)-adipocitos con niveles aumentados de TNF-α, IL-1, IL-6, proteína quimioatrayente de monocitos-1 (MCP-1), inhibidor del activador de plasminógeno (PAI)-1, factor inhibidor de la migración de macrófagos y sintetasa inducible de óxido nítrico (iNOS). Más aún, varios estudios reportan que la exposición aguda de pre-adipocitos de roedores y humanos  a hipoxia severa disminuye la expresión y secreción de adiponectina e incrementa la de leptina. Mientras que la exposición de estas células a baja pO₂ fisiológica (5% O₂) resulta en secreción reducida de leptina y secreción aumentada de adiponectina. La adiponectina, la cual a menudo está reducida en individuos con obesidad, es una importante adipoquina que tiene beneficiosas propiedades metabólicas y anti-aterogénicas. La leptina, cuya concentración se correlaciona positivamente con la masa de tejido adiposo, es un importante regulador de la ingesta de alimentos y el gasto de energía, proporcionando una importante retroalimentación en relación con los depósitos de energía en el cuerpo.

   La respuesta celular a los niveles de oxígeno alterados depende en una gran extensión de la severidad y duración de la exposición. Vivir en un sitio de alta altitud representa una condición de exposición hipobárica hipóxica (alrededor de 15% O₂ a 3000M de altura) con pO₂ relativamente baja en comparación con el nivel del mar. Varios estudios sugieren que vivir en sitios de alta altitud está asociado con mejoría de la función cardiovascular y pulmonar. En este contexto, muchos estudios reportan una menor prevalencia de obesidad, enfermedades cardiovasculares, DMT2 y cáncer en poblaciones que viven en sitios de alta altitud. Sin embargo, es necesario señalar que a partir de estos estudios observacionales no se puede concluir que la exposición a bajos niveles de pO₂ tiene efectos beneficiosos sobre la salud, pues factores como la dieta y  el nivel de actividad física pueden afectar estos hallazgos. Los potenciales efectos de la exposición a la hipoxia severa sobre péptidos orexigénicos (por ejemplo, grelina) y anorexigénicos (por ejemplo, leptina) que afectan el apetito y la ingesta de alimentos pueden, al menos parcialmente, estar subyacentes a la pérdida de peso y las consecuencias metabólicas. Por otra parte, la combinación de hipoxia y ejercicio puede tener efectos beneficiosos sobre la salud humana. Una mayor disminución de peso corporal total y masa grasa corporal  se observa cuando el ejercicio se lleva a cabo bajo hipoxia en comparación con la normoxia. Más aún, el ejercicio hipóxico disminuye los niveles de insulina en individuos obesos y mejora la sensibilidad a la insulina en pacientes con DMT2, en comparación con el ejercicio normóxico. Los mecanismos que subyacen a la mejoría en la homeostasis de la glucosa inducida por la hipoxia aún no han sido dilucidados, pero pueden involucrar mecanismos independientes de la insulina. Adicionalmente, la exposición a la hipoxia incrementa la captación de glucosa en células de músculo esquelético a través de la señal AMPK. Por tanto, la exposición a la hipoxia durante el ejercicio puede tener efectos aditivos o sinergísticos sobre la captación de glucosa periférica.

   En conclusión, la disfunción de tejido adiposo en la obesidad está relacionada con una variedad de disturbios metabólicos y endocrinos que contribuyen a las alteraciones en el metabolismo de la glucosa y los lípidos así como también en  la homeostasis inmune.   La reducida capacidad para  amortiguar los lípidos del tejido adiposo hipertrófico en la obesidad resulta en acumulación de lípidos en órganos metabólicos claves como hígado y músculo esquelético, lo cual está asociado con resistencia a la insulina. La pO₂ puede tener un rol clave en los disturbios metabólicos e inflamatorios que se observan en la mayoría de individuos obesos. La disfunción mitocondrial en el tejido adiposo puede contribuir a la mayor pO₂ del tejido adiposo en la obesidad.  La alteración en la pO₂ no solo puede afectar la fisiología del tejido adiposo sino también la homeostasis metabólica del cuerpo.

Fuente: Lempesis IG et al (2020). Oxygenation of adipose tissue: a human perspective. Acta Physiologica 228: 1-17.