Plasticidad hormonal en el intestino

El epitelio intestinal es generalmente asociado con la captación de nutrientes y la función de barrera. Sin embargo, es también el órgano endocrino más grande en el cuerpo humano. En un humano promedio, alrededor de 100 millones de células endocrinas intestinales, llamadas células enteroendocrinas (CEE), son mudadas cada día y regeneradas por células nuevas diferenciadas. A pesar del número impreciso, las CEE solo constituyen el 1% del epitelio intestinal. Las CEE están dispersas a través del epitelio intestinal y producen más de 20 hormonas. Las hormonas que son producidas en una célula individual y el estímulo que causa la liberación dependen del tipo de CEE. Clásicamente las CEE son distinguidas por la hormona principal que secretan. Inicialmente fueron descritas: células enterocromafines (CEC) (serotonina, 5-HT), células I (colecistoquinina, CCK), células K (péptido inhibidor gástrico, GIP), células L (péptido similar a glucagón-1, GLP-1), células X (ghrelina, GHRL), células S (secretina, SCT), células D (somatostatina, SST) y células N (neurotensina,  NTS). Sin embargo, los reportes de células multihormonales volvieron insuficiente a  este sistema de una sola letra. Los sistemas alternativos de clasificación describen región, especie y hormonas detectadas (por ejemplo, J_M^{GIP+SST+GCG-PYY-} para  CEE de yeyuno de ratón), pero son difíciles de usar en la práctica.

   Las hormonas intestinales tienen un amplio rango de funciones.  Las hormonas liberadas postprandialmente (péptido YY (PYY), 5-HT, CCK, GLP-1, GIP) o liberadas durante el ayuno (GHRL, 5-HT) tienen influencia directa sobre la homeostasis de la glucosa. GLP-1 y GIP, llamadas incretinas, potencian la liberación de insulina por las células β en el páncreas. Por el contrario,  la GHRL tiene el efecto opuesto. Las hormonas intestinales no solo actúan vía páncreas sobre los niveles de glucosa, sino también controlando el flujo de nutrientes a través del intestino. Por ejemplo, CCK, GLP-1 y PYY retardan el vaciamiento gástrico una vez que los nutrientes alcanzan el intestino delgado. Adicionalmente, las hormonas intestinales  controlan la adaptación metabólica modulando el apetito. GHRL es liberada en anticipación de una comida mientras GLP-1, CCK y PYY son liberadas postprandialmente e inducen saciedad en el sistema nervioso central (SNC). Aunque menos establecida que sus roles metabólicos, las CEE también están relacionadas con la inmunidad de la mucosa intestinal. Las CEE expresan receptores para metabolitos microbianos, secretan citoquinas y producen hormonas que actúan directamente sobre las células inmunes.

    No está claro si la diversidad de CEE (más de 20 tipos de células reportados) es un producto de un alto número de rutas de diferenciación independientes a partir de un progenitor enteroendocrino común. Sin embargo, los avances en biología endocrina, secuenciación de células y tecnología de organoides han reconciliado parcialmente la clasificación original con la diversidad funcional de las CEE mediante la introducción del concepto plasticidad hormonal: la capacidad de las células endocrinas para  mostrar a lo largo de su vida varios estados funcionales con diferente repertorio hormonal.

   Hasta los años sesenta, la semejanza de las CEE a neuronas (producción de neurotransmisores y proyecciones similares a sinapsis) permitía el concepto general que las stem cells epiteliales endocrinas de la cresta neural migraban al epitelio intestinal. Las células cromafines de la médula adrenal se asemejan a las  células EC del intestino y derivan de la cresta neural. Años más tarde, en 1982, las primeras técnicas de rastreo de linaje embrionario refutaron este modelo. Cuando el mesodermo de codorniz fue combinado con endodermo de pollo durante el desarrollo embrionario, todas las  CEE resultantes fueron de origen de pollo. Este resultado demostró definitivamente que las CEE son de origen endodérmico. Otro estudio, usando nucleótido radiactivo, identificó células columnares en la base de las criptas (CBC) entre las células de Paneth, las cuales pasaron  su marca radioactiva a todos los linajes diferenciados incluyendo CEE. La prueba final para la naturaleza stem cell de las CBC fue alcanzada en 2007 cuando el receptor acoplado a proteína G Lgr5 fue identificado como marcador de CBC. El estudio basado en la expresión de Lgr5 demostró la capacidad de las CBC para regenerar el epitelio intestinal. Una célula  CBC Lgr5+ puede ser aislada y generar todos los tipos  de células  intestinales, incluyendo CEE. Entonces, al igual que el resto del epitelio intestinal, las CEE son continuamente generadas por CBC en el fondo de las criptas y son liberadas en la luz intestinal al final de su vida (días a semanas).

   El epitelio intestinal exhibe un rápido recambio de 4 a 5 días, lo cual es altamente atípico para un órgano endocrino. Por ejemplo, el páncreas endocrino es generado principalmente durante el desarrollo embrionario y muestra poco recambio en el adulto. Las stem cell intestinales, por otra parte, se dividen continuamente en el fondo de las criptas, mientras las células hijas comienzan a diferenciarse en uno de los muchos tipos de células intestinales y migran hacia las vellosidades donde eventualmente son esparcidas. Dos tipos principales de tipos de células diferenciadas son generados: los enterocitos absortivos y las células secretoras, incluyendo células que secretan mucus, células de Paneth que producen antimicrobianos, factor de crecimiento epidermal (EGF), WNT y ligando Notch,  y un rango de diferentes CEE. Un “switch” binario controlado por la señal Notch mantiene un balance entre células secretoras y absortivas a través de inhibición lateral. Las células que no reciben señales Notch cuando dejan la zona de stem cells tienen un destino secretor. Estos progenitores secretores regulan al alza los ligandos Notch e inducen la activación Notch en todas las células alrededor, las cuales se diferencian en células absortivas.

   La señal Notch activa estimula la expresión de Hes1, un potente represor de los factores de transcripción Atoh 1 (también conocido como Math 1) y neurogenina 3 (Neurog3). El primero es importante para la producción de todas las células secretoras, el segundo es un regulador clave para la formación de CEE. Los ratones con deficiencia de Neurog3 carecen de todos los subtipos de CEE en intestino delgado y grueso. Por el contrario, la sobre expresión transgénica de Neurog3 incrementa la generación de todos los linajes de CEE. Por otra parte, además de la regulación transcripcional, la Neurog3 en el páncreas endocrino es también regulada post-transcripcionalmente por varias quinasas dependientes de  ciclina que fosforilan a la Neurog3 y causan su degradación proteosomal. Estos hallazgos indican que las células progenitoras en división degradan activamente la Neurog3. Por otra parte, la Neurog3 promueve activamente la salida del ciclo celular estimulando la expresión de Cdkn1a, inhibidor del ciclo celular.

   Otro factor recientemente implicado en la regulación de la diferenciación de CEE es la fuerza mecánica. Las fuerzas de estiramiento sobre el epitelio intestinal causan un incremento en los niveles citoplasmáticos de Ca²⁺ específicamente en las células progenitoras de CEE, lo cual estimula su diferenciación. La señal Hippo, una ruta regulada mecánicamente, ha sido implicada en la regulación de la diferenciación de células secretoras. Cuando la densidad celular es baja, la señal Hippo es apagada y el YAP se traslada al núcleo para activar la expresión de los genes blancos. La inactivación de YAP bloquea el desarrollo de células secretoras incluyendo CEE.

   Las CEE usualmente han sido descritas como fábricas de hormonas con repertorios estáticos de péptidos, a menudo con una sola hormona. Con el advenimiento de técnicas de imagen más sensibles, mediciones transcriptómicas  y modelos de organoides (mini-intestinos) se ha podido identificar combinaciones más complejas de hormonas. Sin embargo, aún se desconoce si cada combinación de hormonas observada es generada por una línea de células independiente o si es señal de perfiles hormonales cambiantes en células individuales. La primera evidencia para la última posibilidad surgió en los años 80 con el uso de timidina radiactiva en ratas. Los investigadores demostraron que las células intestinales productoras de serotonina eran marcadas rápidamente, mientras las células productoras de secretina eran marcadas dos días después y estaban restringidas a las vellosidades.  Este resultado permitió a los investigadores concluir que la diferenciación de las células productoras de secretina no ocurre antes que alcancen las vellosidades. En los años 90, la heterogeneidad cripta-vellosidad de productos de las CEE fue más ampliamente caracterizada y por primera vez se sugirió la posibilidad que las CEE produzcan diferentes hormonas en estas áreas. Este extenso estudio inmunohistoquímico identificó la co-expresión  TAC1 y serotonina en las criptas intestinales mientras en la punta de las vellosidades la serotonina es co-expresada con secretina. Los trabajos posteriores confirmaron que las células TAC+ son generadas rápidamente a partir de células progenitoras, mientras las células secretina+ aparecen dos días después. La evidencia funcional que las CEE individuales pueden producir dinámicamente diferentes hormonas apareció en el año 2016.

   Diferentes líneas de evidencias sugieren una relación entre la localización de la CEE y la expresión de hormonas. Una vez que las CEE maduras adquieren la capacidad para producir y secretar hormonas, la mayoría de ellas se mueven en el eje cripta-vellosidad mientras una pequeña población permanece en la cripta por largo tiempo. Los cambios observados en las hormonas de células L y EC coinciden con los movimientos de estas poblaciones de la cripta a la vellosidad. Durante la migración a lo largo del eje cripta-vellosidad,  las CEE cambian su repertorio hormonal, dentro de los límites de los cinco linajes de CEE, en respuesta a la exposición a proteínas morfogenéticas de hueso (BMP). La señal BMP es uno de los principales reguladores de la plasticidad hormonal, y mientras  incrementa el movimiento de las células hacia la cripta, reprime la expresión de Tac1 en las  CEC e induce la expresión de secretina, por ejemplo. La inhibición de la señal BMP in vivo extiende la expresión de hormonas normalmente restringidas a las criptas en la región de las vellosidades, mientras reprime la expresión de hormonas típicas de las vellosidades. La heterogeneidad a lo largo del eje cripta-vellosidad es exacerbada por la variabilidad en la composición tisular desde el intestino proximal hasta el intestino distal.  

   Actualmente se desconoce porque la producción de hormonas difiere a lo largo del eje cripta-vellosidad o a lo largo del tracto gastrointestinal. Potencialmente, esto está relacionado con la función de la hormona o el impulso sensorial al que debe responden. Por ejemplo, el GLP-2 es una hormona asociada con la proliferación intestinal, una función requerida en la cripta. La secretina,  es abundante en el intestino proximal,  está   restringida a la vellosidad y es  liberada en respuesta al pH bajo. Es posible que los cambios de pH luminal en el intestino delgado proximal sean mejor detectados en la vellosidad y amortiguados en las criptas. Las diferencias de pH a lo largo del epitelio de  una vellosidad han sido observadas en el intestino delgado proximal pero no en el intestino delgado distal.

   La mayoría de subtipos de CEE no se encuentran cantidades constantes en el tracto gastrointestinal. Las  CEC y las células D son la excepción de esta regla. Las células L son abundantes en el intestino delgado distal y casi ausentes en el duodeno, mientras las células K muestran la tendencia reversa. Los mecanismos subyacentes para estos programas hormonales diferenciales todavía no son completamente entendidos. Sin embargo, potenciales explicaciones derivan de los cultivos de organoides, los cuales mantienen su función localización-específica in vitro. Por ejemplo, el transportador de ácidos biliares Slc10a2 es único en el ileum y es expresado en organoides de ileum. Los organoides son cultivos 3D que pueden crecer a partir de una stem cell adulta simple de ratón o humano y expandirse indefinidamente en un gel-matriz. Estas células crecen en un coctel definido de factores de crecimiento en condiciones similares al nicho de stem cells. Los organoides de intestino delgado de ratón contienen todos los diferentes tipos de células epiteliales intestinales en proporciones casi normales y son por tanto excelentes modelos para estudiar las interacciones entre CEE con otros tipos de células epiteliales. La composición de CEE en organoides de intestino de ratón y humano se corresponde con la identidad regional del tejido de origen aun durante cultivos de larga duración. Entonces, la plasticidad de las CEE actúa dentro de límites estrictos impuestos por la especificación de linaje inicial y la identidad regional. La especificación de linaje crea cinco tipos distintos de CEE que no son interconvertibles,  pero tienen la capacidad para expresar un cierto grupo de hormonas específico del tipo de célula. Cuáles hormonas entre este grupo son expresadas en una CEE individual está determinado estáticamente por mecanismos epigenéticos definidos regionalmente (proximal o distal) y dinámicamente por diferentes factores ambientales a lo largo del eje cripta-vellosidad, como la intensidad de la señal BMP. Por tanto, muchos tipos de CEE que han sido definidos en el pasado (por ejemplo, células L) no describen la identidad estática de una ECC, sino un estado transitorio que puede ser adquirido o perdido por un linaje de CEE específico dependiendo de los factores ambientales.

   En conclusión, el novedoso concepto de plasticidad hormonal demuestra la sorprendente adaptabilidad del sistema endocrino intestinal. Las CEE viajan en el curso de su vida a través de diferentes señales ambientales que influyen directamente en su repertorio hormonal. En este contexto, el destino de una CEE está determinado y modulado por señales moleculares como las BMP o la localización a lo largo del tracto gastrointestinal. Los nuevos modelos de estudio de CEE, incluyendo organoides intestinales han sido cruciales para los hallazgos recientes sobre el desarrollo y plasticidad de las CEE.

Fuente: Beumer J et al (2020). Enteroendocrine dinamics-new tools reveals hormonal plasticity in the gut. Endocrine Reviews 41: 1-12.