Leptina y enfermedades cardiovasculares

Desde el descubrimiento de la leptina en 1994, la investigación en varios modelos de roedores revela una compleja interrelación de genes y factores ambientales involucrados en el desarrollo de la obesidad, lo cual impacta el control homeostático del metabolismo energético y la alimentación en el sistema nervioso central. La leptina, como adipoquina circulante, se une al receptor de leptina (LEPR, también conocido como OB-R) en el núcleo arqueado (ARC) del hipotálamo donde funciona como una hormona anorexigénica que regula la ingesta de alimentos y el gasto de energía. Dos tipos de neuronas con funciones antagónicas son blanco de la leptina en el ARC: (1) neuronas proopiomelanocortina (POMC) y (2) neuronas neuropéptido Y (NPY)/péptido relacionado con el agouti (AgRP). En el hipotálamo, las neuronas POMC y NPY/AgRP también son blanco de la insulina; por tanto, las acciones de la leptina y la insulina están interconectadas y contribuyen a un control metabólico óptimo. Mientras la insulina mantiene adecuadamente el almacenamiento y la utilización de energía, la leptina reduce la ingesta de energía.  Es conocido que la leptina y la insulina actúan sobre diferentes subpoblaciones de neuronas POMC y juegan roles claves en la regulación central del gasto de energía y la homeostasis de la glucosa. Un estudio reciente revela que la leptina incrementa la expresión de la fosfatasa del receptor de insulina PTP1B en el ARC, lo cual provoca disminución de la sensibilidad a la insulina y altera la supresión mediada por insulina de la producción hepática de glucosa en ratones obesos. La inhibición farmacológica central o la alteración de la PTP1B en el ARC, restaura la supresión mediada por insulina de la producción hepática de glucosa en ratones obesos. Más aún, otro estudio demuestra que la hiperleptinemia es una fuerza que maneja la obesidad y su síndrome metabólico asociado y que la alteración parcial más que la eliminación completa de  leptina restaura la sensibilidad hipotalámica a la leptina e incrementa  la sensibilidad a la insulina en ratones con obesidad inducida por dieta.

   La leptina es producida principalmente por los adipocitos y liberada de  manera pulsátil diurna con altas tasas en la tarde y temprano en la mañana. Aunque la liberación de leptina ocurre de manera independiente de la regulación de su mARN, el incremento en la transcripción del mARN de leptina es necesario para tener tasas constantes de secreción y prevenir un rápido agotamiento de las vesículas que almacenan leptina en el adipocito. Una vez secretada, la leptina circula en una forma libre y en una forma unida. El receptor LEPR fue identificado como un receptor localizado en la membrana celular, estructuralmente similar a los receptores de citoquina clase I. El gen que codifica al receptor de leptina en ratones (db) y humanos (LEPR) comprende un promotor dual: mientras el promotor B219/OB-R solamente genera transcriptos db/LEPR, el promotor OB-RGRP inicia la transcripción de los genes db/LEPR y OB-RGRP/LEPROT (proteína relacionada con el gen del receptor de  leptina/transcripto traslapado de receptor de leptina). El LEPR está localizado principalmente en compartimentos intracelulares, incluyendo endosomas, aparato trans-Golgi o retículo endoplásmico y, en menor extensión, en la membrana plasmática. Los estudios revelan que el OB-RGRP/LEPROT (también conocido como endospanina-1) afecta negativamente la expresión de LEPR en la superficie celular.

   Hasta el presente se han identificado seis isoformas de LEPR (LEPRa, b, c, d, e y f, también conocidos como OB-Ra, b, c, d, e y f) con distinta actividades biológicas. En el ratón, todas las isoformas son generadas por “splicing” alternativo de mARN. En el humano, el splicing alternativo genera distintas isoformas de LEPR con excepción de la isoforma soluble  LEPRe, la cual deriva de receptores de membrana por cambio de ectodominio. Todas las isoformas LEPR muestran un dominio extracelular idéntico, altamente glucosilado,  de 840 aminoácidos,  el cual comprende seis subdominios: un dominio N-terminal de función no definida (NTD), dos dominios homólogos  de receptor citoquina (CRHI, CRHII) que albergan un segmento Trp-Ser-X-Trp-Ser, un dominio similar a inmunoglobulina (IgD) y dos dominios fibronectina tipo 3 (FNIII). La leptina usa múltiples sitios de unión en los dominios CRHII e IgD, los cuales son fundamentales para la unión de la leptina y la activación del LEPR.

   Las isoformas unidas a membrana LEPRa, b, c, d y f comprenden la misma secuencia de 23 aminoácidos de un dominio transmembrana, así como también los primeros 29 aminoácidos que contienen una secuencia box 1 del dominio extracelular, la cual es requerido para la unión con  la proteína Janus quinasa 2 (JAK2). Las isoformas unidas a membrana solamente difieren en la longitud del dominio intracelular. Las isoformas LEPRa, c, d y f comprenden colas intracelulares cortas de 32-40 aminoácidos con un C-terminal único y son cruciales para la internalización y degradación lisosomal de la leptina. Por el contrario, el dominio intracelular de  la isoforma LEPRb comprende 306 aminoácidos y contiene otro dominio de unión a JAK (“box 2”) además de un sitio de unión a STAT, lo cual hace a LEPRb la isoforma predominante responsable de la señal de transducción. La unión de la leptina al LEPR resulta en un cambio conformacional que promueve la homo-oligomerización del receptor y la activación de la JAK2 a través de auto-fosforilación. La JAK2 activada fosforila a LEPRb en tres diferentes residuos tirosina (Tir⁹⁸⁵, Tir¹⁰⁷⁷ y Tir¹¹³⁸), cada uno de los cuales comprende un dominio de unión Src homología 2 (SH2). La fosforilación de Tir ¹⁰⁷⁷ promueve el reclutamiento y la activación de STAT5, mientras la fosforilación de Tir¹¹³⁸ resulta en reclutamiento y activación de STAT1/5 y STAT3, lo cual provoca auto-fosforilación de proteínas STAT. La STAT3 fosforilada se dimeriza y se traslada al núcleo para activar la transcripción de los genes blanco incluyendo al supresor de la señal citoquina 3 (SOCS3) como regulador negativo de la señal JAK/STAT inducida por LEPRb. La fosforilación de Tir⁹⁸⁵ activa la SOCS3 y por tanto inhibe la fosforilación de LEPRb. Adicionalmente, la activación mediada por leptina de la JAK2 asociada a LEPRb promueve la activación de la ruta de señalización fosfatidilinositol 3 quinasa (PI3K)/Akt a través del reclutamiento de las proteínas sustrato de receptor de insulina IRS1 e IRS2, las cuales son moléculas claves para la regulación de la homeostasis de la glucosa, el metabolismo de lípidos, la síntesis de proteínas y la proliferación y supervivencia  celular. La isoforma soluble LEPRe, la cual carece de dominio transmembrana, circula en la sangre en forma de dímero u oligómero. La LEPRe funciona como una proteína de unión que transporta leptina a través de la barrera hematoencefálica. Más aún, la LEPRe modula los niveles y la bioactividad de la leptina formando complejos con leptina libre, lo cual retarda su degradación y aclaramiento.

   La deficiencia congénita de leptina es una forma de obesidad monogénica causada por mutaciones en el gen que codifica leptina (LEP, también conocido como gen ob en el ratón). Los pacientes con mutaciones LEP homocigotas muestran niveles indetectables de leptina en el suero y se caracterizan por severa obesidad de inicio temprano y marcada hiperfagia, y desarrollan intolerancia a la glucosa y resistencia a la insulina. Dado que la leptina tiene un efecto directo sobre la sensibilidad a la insulina, la terapia de reemplazo de leptina es una nueva opción terapéutica en desordenes metabólicos, incluyendo resistencia a la insulina y diabetes mellitus tipo 2 (DMT2). En efecto, el tratamiento de reemplazo de leptina normaliza o mejora los fenotipos en pacientes con deficiencia congénita de leptina, incluyendo disminución de la resistencia a la insulina, mejoría del perfil de lípidos y promoción de pérdida de peso corporal.

   En humanos, los niveles plasmáticos de leptina se correlacionan positivamente con el índice de masa corporal (IMC), el porcentaje de grasa corporal, la masa grasa corporal y el tamaño de los adipocitos. El crecimiento de los adipocitos asociado con la obesidad resulta en acelerada secreción de leptina y por tanto incremento de los niveles circulantes de leptina, lo cual también resulta de la hiperinsulinemia crónica y del aumento del recambio de cortisol. Adicionalmente, muchos factores como ácidos grasos libres, estrógenos y factor de necrosis tumoral α (TNF-α) estimulan la secreción de leptina. Varios estudios también reportan que hormonas y el  estatus nutricional influyen en los niveles circulantes de leptina de una manera independiente de la obesidad. Los niveles de leptina usualmente aumentan 4-7 horas después del consumo de una comida, principalmente como resultado de la utilización de glucosa estimulada por insulina, provocando la regulación al alza de la transcripción de mARN y la liberación de leptina por el tejido adiposo subcutáneo. Los glucocorticoides también incrementan el mARN de leptina y los niveles circulantes, pero como causan resistencia a la insulina e hiperinsulinemia, el efecto de los glucocorticoides  sobre los niveles de leptina puede ser indirecto. Por el contrario, los bajos niveles de insulina y glucosa, conjuntamente con elevados niveles de catecolaminas disminuyen los niveles circulantes de leptina en respuesta a condiciones de ayuno. Otros factores como exposición al frío,  activación de receptores adrenérgicos β₃ y elevados niveles intracelulares de AMPc inhiben la secreción y expresión de leptina.

   La mayoría de pacientes obesos son hiperleptinémicos. Los altos niveles de leptina están asociados con resistencia a la insulina, inflamación hipotalámica y disturbios en factores homeostáticos, los cuales son factores de riesgo para el desarrollo de hipertensión arterial, síndrome metabólico u otras enfermedades cardiovasculares. La resistencia a la leptina es una condición por la cual las neuronas hipotalámicas son menos sensibles a la leptina o no  responden a la leptina a pesar de la presencia de copiosas cantidades de leptina. La resistencia a la leptina es causada principalmente por mutaciones en los genes que codifican a la leptina y al LEPR, reducción de la expresión de LEPR en la membrana plasmática, deterioro de la función y señal del LEPR o alteraciones en el transporte de leptina a través de la barrera hematoencefálica.  Más aún, los elevados niveles de leptina incrementan la predisposición de los pacientes a la obesidad inducida por dieta, lo cual resulta en un círculo vicioso que aumenta los niveles  de leptina y agrava la resistencia a la leptina ya existente, indicando que la leptina por si misma juega un importante rol en el desarrollo de su resistencia (resistencia a la leptina inducida por leptina).

   Los estudios demuestran que la obesidad está asociada con inflamación sistémica de bajo grado crónica, la cual resulta de cambios en la inmunidad innata y adquirida. En niños y adultos con sobrepeso u obesidad, el estado inflamatorio es reflejado por elevados niveles circulantes de citoquinas pro-inflamatorias, incluyendo TNF-α, interleuquina (IL) 6 y proteína C-reactiva y  la activación de rutas de señalización pro-inflamatorias en el tejido adiposo. La producción de leptina es regulada por estímulos inflamatorios, incluyendo lipopolisacáridos, TNF-α, IL-6 e IL-1β y los niveles plasmáticos de leptina aumentan durante la infección aguda, inflamación o sepsis. El LEPR ha sido detectado en todos los tipos de células del sistema inmune, incluyendo macrófagos, células dendríticas, células killer naturales (NK), neutrófilos y linfocitos. La leptina modula la respuesta inmune y la inflamación  en varios niveles.

   La leptina ejerce varias funciones en el sistema inmune innato. Por ejemplo, en monocitos, la leptina estimula la liberación de citoquinas pro-inflamatorias, incluyendo TNF-α, IL-6 e IL-12 e induce la expresión de marcadores de superficie celular, importantes para la activación de monocitos en reposo. La leptina también promueve la proliferación y diferenciación de monocitos en macrófagos, y sobre los macrófagos actúa como una citoquina anti-apoptosis y estimulando la fagocitosis. Más aún, la leptina estimula la actividad quimiotáctica y la función de los neutrófilos aumentando la producción de especies de oxígeno para la defensa de las células del huésped contra las infecciones y promoviendo una respuesta celular anti-apoptosis. La estimulación de los neutrófilos mediada por la leptina requiere TNF-α liberado por los monocitos. En las células dendríticas, la leptina regula al alza la producción de IL-1β, IL-6, IL-12, TNF-α y proteína inflamatoria de macrófagos (MIP)-1α y protege a las células dendríticas de la apoptosis. Adicionalmente, la leptina regula a la baja la producción de IL-10 y maneja la polarización de células T hacia el fenotipo Th1. Varios estudios demuestran que la leptina sostiene las actividades citotóxicas de las células NK a través de la inducción de la fosforilación de STAT3 y la transcripción de IL-2 y perforina.

   En el sistema inmune adaptativo, la leptina promueve la linfopoyesis estimulando la maduración de células T CD4⁺CD8⁺ y CD4⁺CD8^-. La leptina induce la proliferación de células T CD4⁺CD45RA⁺, pero inhibe la proliferación de células T de memoria CD4⁺CD45RO⁺ incrementando la producción de las citoquinas de células Th1 interferon (IFN)-γ e IL-2, y suprimiendo la producción de la citoquina de células Th2 IL4. Además, la leptina promueve la diferenciación de células T CD4⁺ en células Th17 que producen IL-17, mientras suprime la producción células Treg CD4⁺CD25⁺ y previene la apoptosis de células T inducida por estrés. En los individuos mal nutridos con IMC extremada bajo se observa una dramática reducción de los niveles de leptina, la cual está asociada con atrofia del timo, reducida función de las células T y aumentada susceptibilidad a las infecciones. En las células B, la leptina induce una respuesta pro-inflamatoria a través de la estimulación de la secreción de TNF-α, IL-6 e IL-10. Por otra parte, la leptina limita la apoptosis de células B aumentando la expresión de blc-2 y promoviendo la entrada en el ciclo celular vía ciclina D1.  En suma. Es evidente que la leptina tiene efectos pro-inflamatorios y ejerce una función crucial en la modulación de la respuesta  del sistema inmune.

   En el sistema cardiovascular, el rol de la leptina es controversial. Muchos estudios sugieren que la leptina está involucrada en la patogénesis de  la inflamación crónica. En este contexto, los elevados niveles de leptina en pacientes obesos contribuyen a la inflamación sistémica de bajo grado, lo cual hace a los individuos obesos más susceptibles para desarrollar enfermedades cardiovasculares. Adicionalmente, los elevados niveles de leptina han sido reportados en pacientes con cardiomiopatía y son usados como un biomarcador del progreso de insuficiencia cardiaca independientemente de las respuestas inmunes. Los elevados niveles de leptina están asociados con un mayor riesgo de insuficiencia cardiaca en hombres sin enfermedad coronaria pre-existente, independientemente del IMC. En un estudio con 818 participantes (edad promedio 79 años, 62% mujeres), los niveles de leptina se asociaron fuertemente con la incidencia de insuficiencia cardiaca y enfermedad cardiovascular. Sin embargo, otro estudio con 1905 participantes (edad promedio 60,5 años, 50% mujeres) sin enfermedad cardiovascular subyacente revela que los niveles de leptina no están asociados con eventos de enfermedad cardiovascular, después de ajustar los factores de riesgo, el IMC o la circunferencia de la muñeca. Recientemente, el uso del IMC como factor de riesgo de enfermedad cardiovascular ha sido motivo de controversia porque no discrimina entre masa de grasa corporal y masa muscular y se ha sugerido que la adiposidad visceral, más que el IMC, se correlaciona con el riesgo de enfermedades cardiovasculares y diabetes. Considerando estos datos epidemiológicos, todavía no está claro si la leptina está asociada con el desarrollo de insuficiencia cardiaca. Es posible que los efectos crónicos de la leptina puedan tener consecuencias adversas sobre la función miocárdica. No obstante, muchos estudios con roedores obesos y diabéticos demuestran que la leptina tiene efectos beneficiosos sobre el metabolismo cardiaco apoyando el metabolismo de la glucosa y la oxidación de ácidos grasos. Por tanto, los efectos agudos de la leptina pueden proporcionar una respuesta compensadora a daños cardiacos como isquemia o insuficiencia cardíaca.

   Los modelos animales han ayudado a entender la señal leptina en el corazón y los ratones ob/ob y db/db muestran una progresión dependiente de la edad de hipertrofia cardiaca con incremento de la masa de ventrículo izquierdo y engrosamiento de la pared ventricular izquierda. En particular, los ratones db/db desarrollan disfunción sistólica y diastólica  y anormalidades contráctiles. La alteración de la señal leptina también  contribuye a la hipertrofia ventricular izquierda y defectos en la contractilidad cardiaca en ratas ZDF (Zucker diabetic fatty). Los ratones db/db y las ratas ZDF son más susceptibles al daño isquémico. La administración de leptina o la restricción calórica resultan en pérdida de peso en ratones db/db. Sin embargo, la infusión de leptina, pero no la restricción calórica, revierte el proceso de remodelación cardiaca relacionada con la obesidad, indicando que la leptina tiene efectos anti-hipertróficos que  no son atribuibles solo a la pérdida de peso, aunque no está completamente claro si la leptina afecta directamente la función cardiaca o actúa a través de una ruta neurohumoral regulada por leptina.

   En condiciones fisiológicas, el corazón usa glucosa y ácidos grasos libres como sustratos energéticos. En ratones con deficiencia de leptina o LEPR, la falla en el rendimiento cardiaco está relacionada con alteración de la captación de sustratos e inflexibilidad metabólica   debido al incremento en la captación de ácidos grasos vesiculares y la oxidación de ácidos grasos con reducción de la captación de glucosa y la oxidación de carbohidratos. Como la glucosa es un sustrato energético más eficiente para los cardiomiocitos que los ácidos grasos libres, el desvío de metabolismo  de glucosa a oxidación de ácidos grasos libres resulta en un incremento en el consumo de oxígeno (MVO₂) y una disminución de la eficiencia cardiaca (relación trabajo cardíaco/ingreso de energía), lo cual provoca desórdenes metabólicos sistémicos. Los animales con deficiencia de leptina o LEPR, muestran elevados niveles de triglicéridos y acumulación de lípidos en el miocardio que pueden promover lipotoxicidad y alterar directamente la contractilidad cardiaca. Los prominentes efectos de la leptina en reducir los altos niveles de triglicéridos han sido confirmados en ratones acil CoA sintetasa transgénicos, los cuales muestran severa cardiomiopatía lipotóxica. Estos estudios demuestran que la leptina puede actuar como una adipoquina anti-lipotoxicidad que protege al corazón de la acumulación peligrosa de lípidos y la progresión de la esteatosis cardíaca, especialmente bajo condiciones de estrés cardiaco.

   La modulación metabólica para sostener la utilización de glucosa por sobre expresión perinatal del transportador de glucosa  GLUT4 previene la disfunción cardiaca en ratones db/db. Los altos niveles de insulina y glucosa normalizan el metabolismo cardiaco, restauran la eficiencia cardiaca y mejoran la recuperación post-isquemia en ratones db/db. La administración de un agonista del receptor activado por proliferador de peroxisoma γ (PPAR-γ) a ratas ZDF resulta en  incremento en el metabolismo de la glucosa, reducción de la acumulación de triglicéridos en el miocardio y restauración de la función cardiaca. Estos estudios indican que las alteraciones en la captación de glucosa, las cuales son causadas por resistencia a la insulina en el corazón, facilitan el desvío del metabolismo de glucosa a oxidación de ácidos grasos libres, provocando aumento en el MVO₂ y reducción de la eficiencia y rendimiento cardíacos. Restaurar el balance en el metabolismo de glucosa y ácidos grasos en los cardiomiocitos después de una lesión es de fundamental importancia para la recuperación del corazón. El incremento de MVO₂ también puede ser resultado del aumento de la producción de sustancias reactivas de oxígenos (ROS), la cual está asociada con aumento de la oxidación de ácidos grasos, desacoplamiento mitocondrial y estrés oxidativo en corazones de ratones db/db.

   Los estudios clínicos reportan una asociación de niveles plasmáticos de leptina con hipertrofia de ventrículo izquierdo. En hombres obesos, hipertensos y resistentes a la insulina, los niveles plasmáticos de leptina en ayuno son mayores que en los controles y se correlacionan con incremento del grosor de la pared miocárdica. Estos hallazgos clínicos proponen que la leptina participa en la progresión y desarrollo de hipertrofia de ventrículo izquierdo en pacientes obesos. Los pacientes obesos con resistencia a la insulina exhiben altos niveles de triglicéridos en el miocardio, lo cual está relacionado con la regulación al alza de la transcripción de genes relacionados con PPAR-α, cadena pesada de miosina β (β-MHC) y TNF-α, además de la disfunción contráctil cardiaca.  La producción de aldosterona mediada por la leptina es un nuevo mecanismo de disfunción endotelial asociada con la obesidad y fibrosis cardiaca, lo cual altera la relajación miocárdica y por consiguiente contribuye a la enfermedad cardiovascular. Esto explica porque el antagonista de la aldosterona, espironolactona es particularmente efectiva en reducir la morbilidad y  mortalidad en pacientes con insuficiencia cardiaca con fracción de eyección reducida relacionada con la obesidad. Por otra parte, es generalmente aceptado que la liberación de óxido nítrico (NO) endotelial mediada por la leptina causa vasodilatación, lo cual se opone al efecto vasopresor de la actividad simpática excitadora inducida por la leptina. Sin embargo, en pacientes con obesidad y diabetes mellitus tipo 2, la hiperleptinemia causa una reducción de la disponibilidad de NO y atenúa la vasodilatación dependiente de NO, lo cual contribuye a la disfunción endotelial.

   En conclusión, la leptina ejerce efectos esenciales para la regulación del balance energético, el metabolismo celular y el mantenimiento de la homeostasis del sistema cardiovascular. Sin embargo, la resistencia a la leptina o la deficiencia de la señal  leptina ejercen efectos que pueden ser perjudiciales en estados de disfunción cardiaca o insuficiencia cardiaca. Los efectos hemodinámicos de la leptina, como elevación de la frecuencia cardiaca en reposo, generalmente incrementan la sobre carga miocárdica a través de la activación del sistema nervioso simpático. La leptina puede actuar sinérgicamente con otros factores que están asociados con la obesidad como hiperglucemia, inflamación y estrés oxidativo para acelerar el desarrollo y la progresión de enfermedades cardiovasculares. Los estudios en animales, usando ratones con deficiencia de leptina o LEPR, demuestran que la disfunción cardiaca está asociada  con (1) desvío del metabolismo de la glucosa a oxidación de ácidos grasos, promoviendo la lipotoxicidad, (2) inflamación sistémica, (3) resistencia a la insulina y (4) activación del sistema renina-angiotensina-aldosterona.

Fuente: Poetsch MS et al (2020). Role of leptin in cardiovascular diseases. Frontiers in Endocrinology 11:354.