Leptina y glucosa en el cerebro

La diabetes y la obesidad son dos problemas mayores de salud pública. La diabetes tipo 2 asociada a la obesidad se caracteriza por elevados niveles sanguíneos de glucosa.  Mientras las hormonas derivadas del páncreas regulan el metabolismo sistémico de la glucosa a través de acción endocrina en órganos periféricos, el cerebro emerge como un blanco crucial. El hipotálamo del cerebro actúa como sensor de cambios en los niveles de nutrientes y hormonas, y  dispara respuestas de retroalimentación negativa para la homeostasis de la glucosa. La acción de la leptina en el hipotálamo mantiene la homeostasis de la glucosa en presencia de un incremento o una caída en los niveles plasmáticos de glucosa.

   El cerebro utiliza preferencialmente glucosa como su fuente de energía y todas las seis isoformas de transportadores de glucosa se encuentran en el cerebro. El transporte de glucosa a través de la barrera hematoencefálica es mediado por el transportador de glucosa-1 (GLUT1) y la captación celular de glucosa por astrocitos y neuronas ocurre primariamente a través de GLUT1 y GLUT3, respectivamente. La glucosa entra a las neuronas  y a través de la glucolisis forma piruvato y proporciona combustible neuronal. Alternativamente, está demostrado que el L-lactato producido por los astrocitos también sirve como sustrato energético en las neuronas. Precisamente, la glucosa que entra a los astrocitos, a través de la glucolisis anaeróbica, forma lactato a partir de piruvato por acción de la deshidrogena láctica-A (LDH-A). El lactato liberado por los astrocitos es tomado por las neuronas y por acción de la LDH-B (expresada por neuronas) es convertido en piruvato que es utilizado como combustible metabólico.

   Los estudios en ratas sanas demuestran que el metabolismo de lactato dependiente de LDH-A en los astrocitos es  necesario para la función del hipotálamo como sensor de glucosa, la regulación de  la homeostasis sistémica de la glucosa y la producción hepática de glucosa. Estos hallazgos no cancelan el hecho que las neuronas sensores de glucosa en el cerebro puedan monitorear cambios locales y sistémicos de los niveles de glucosa para activar rutas de retroalimentación y regular la homeostasis de la glucosa. Ahora bien, ya sea por la ruta  astrocito-neurona o por la captación directa de glucosa en la neurona, la conversión de lactato en piruvato en la neurona es una etapa bioquímica necesaria para la función del hipotálamo como sensor de glucosa. Esto es debido a que la activación directa de la piruvato deshidrogenasa hipotalámica es suficiente para aumentar la conversión neuronal de piruvato a acetil-CoA y reforzar el efecto reductor de  producción hepática de glucosa inducido por el hipotálamo. En este contexto, es conocido que la administración de glucosa no solo eleva el metabolismo de lactato y piruvato, sino también los niveles de malonil-CoA en el hipotálamo. El incremento de malonil-CoA en la neurona deriva de acetil-CoA y es mediado por la acetil-CoA carboxilasa, la cual es inhibida por la proteína quinasa activada por AMP (AMPK). Más aún, la infusión central de glucosa o lactato suprime la AMPK hipotalámica, mientras  los análogos no metabolizables de glucosa incrementan la AMPK en roedores. La inhibición molecular directa de la AMPK hipotalámica es suficiente para disminuir la producción hepática de glucosa y la ingesta de alimentos en roedores. Alternativamente, está documentado que cuando el nivel hipotalámico de malonil-CoA disminuye por la sobre expresión hipotalámica de  malonil-CoA descarboxilasa (una enzima que convierte malonil-CoA en acetil-CoA), las ratas muestran hiperfagia y disrupción de la función del hipotálamo en la regulación de la homeostasis de la glucosa. Estos hallazgos demuestran que una acumulación de los niveles de malonil.CoA es necesaria para la función hipotalámica de regulación de la glucosa y la homeostasis energética.

   El malonil-CoA inhibe a la carnitina palmitoil transferasa-1 (CPT-1). Los ácidos grasos de cadena larga (LCFA) son esterificados por la acil-CoA sintetasa para formar LCFA-CoA y la CPT-1 media la entrada de LCFA-CoA en la mitocondria donde se lleva a cabo la β-oxidación. En efecto, la sobre expresión hipotalámica de malonil-CoA descarboxilasa no solo disminuye los niveles de malonil-CoA sino también los niveles de LCFA-CoA porque la disminución de malonil-CoA podría aliviar la inhibición de CPT-1. El eje malonil-CoA-CPT-1 hipotalámico representa un punto de convergencia en la función del hipotálamo como sensor de glucosa y lípidos en la regulación de la homeostasis de la glucosa.

   En las personas con obesidad, diabetes tipo 1 o diabetes tipo 2 se observa una reducción de la captación de glucosa en el cerebro que se correlaciona inversamente con una elevación de los niveles plasmáticos de ácidos grasos libres. El aumento de ácidos grasos libres causa disrupción de la función del hipotálamo  como sensor de glucosa y, por tanto, desregulación de la producción hepática de glucosa y la homeostasis de la glucosa en humanos y ratas con obesidad y diabetes.

   La leptina dispara rutas en el sistema nervioso central para restaurar la homeostasis metabólica. La administración directa de leptina en el cerebro de ratas y ratones regula la homeostasis de la glucosa y los ratones con mutación del gen de receptor de leptina desarrollan diabetes y obesidad. Una vez activado, el receptor de leptina (LepR)  recluta a la tirosina quinasa Janus quinasa 2, para fosforilar residuos tirosina (Tir985, Tir1077, Tir1138) en el dominio citoplasmático. La fosforilación de Tir985 resulta en la activación de la ruta de señalización  y el reclutamiento del supresor de señal citoquina (SOCS)-3 que inhibe la señal leptina. En la obesidad, la hiperleptinemia per se puede disparar resistencia a la leptina en el cerebro vía activación de SOCS3 y la reducción del nivel plasmático de leptina restaura la sensibilidad hipotalámica a la leptina e incrementa la tolerancia a la glucosa. Por otra parte, la dieta rica en grasas incrementa el nivel hipotalámico de SOCS3 vía inflamación e induce resistencia a la leptina. La fosforilacion del residuo  Tir1077 activa la señal de transducción y la fosforilación del residuo Tir 1138 induce la activación del activador de transcripción (STAT)-3. La inhibición química de STAT3 provoca desregulación de la homeostasis de la glucosa y de la ingesta de alimentos en ratas.

   El complejo leptina-LepR promueve la interacción de  Janus quinasa y SH2-B causando la activación de la ruta fosfatidilinositol 3 quinasa (PI3K) mediada proteínas sustrato de receptor de insulina (IRS) 1/2 en las neuronas del hipotálamo mediobasal y una potencial interacción con la acción de la  insulina, consistente con el hecho que la insulina activa a la PI3K hipotalámica para disminuir la producción hepática de glucosa en ratas sanas. La AMPK activada en el hipotálamo bloquea el efecto de la leptina para reducir la ingesta de alimento y el peso corporal en ratones. La inhibición de la AMPK hipotalámica no solo es suficiente para que la leptina pueda ejercer su efecto de disminuir la ingesta de alimento, también es suficiente para reducir la producción hepática de glucosa en ratas.

   En ratas y ratones, la leptina inhibe la activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal en respuesta al estrés porque inhibe la liberación de hormona liberadora de corticotropina (CRH) por el hipotálamo, aunque los mecanismos subyacentes todavía no son conocidos. Por otra parte, las neuronas que expresan colecistoquinina (CCK) en el núcleo parabraquial (NPB) se proyectan a las neuronas SF1 del hipotálamo ventromedial para disparar respuestas contarreguladoras de la hipoglucemia. Las neuronas  CCK del NPB expresan LepR y son activadas por la hipoglucemia para disparar las respuestas contrarreguladoras en ratones, pero también son inhibidas por la leptina de una manera dependiente de LepR para bloquear la contrarregulación inducida por la hipoglucemia.

   La infusión de leptina en el hipotálamo disminuye los niveles plasmáticos de glucosa y la producción hepática de glucosa en ratas y ratones. En condiciones de hiperglucemia, la leptina aumenta (o restaura) el metabolismo de glucosa a lactato  y disminuye la producción hepática de glucosa. Durante las condiciones de exceso de glucosa por resistencia a la insulina en ratas, la leptina aumenta los mecanismos hipotalámicos sensores de glucosa para disminuir la producción hepática de glucosa y mantener la homeostasis sistémica de glucosa. En este contexto, la disrupción del metabolismo de glucosa a lactato por inhibición de la LDH-A en el hipotálamo inducida por una dieta rica en grasa podría ser revertida por la leptina. Aunque el mecanismo de esta acción de la leptina todavía no está muy claro, es conocido que en condiciones diabéticas o de una dieta rica en grasa, la leptina activa la PI3K y/o STAT3 para regular la homeostasis de la glucosa. En paralelo, la leptina aumenta el flujo de glucosa a lactato vía LDH-A en el hipotálamo.  Estos hallazgos refuerzan la noción que el metabolismo de lactato es necesario para la función hipotalámica de regulación de la homeostasis de la glucosa y que la leptina potencialmente activa blancos moleculares que convierten la glucosa en lactato para restaurar los mecanismos sensores de glucosa en hipotálamo.

   Los mecanismos moleculares y los neurocircuitos involucrados en la interacción de la leptina con la glucosa que impacta la homeostasis sistémica de la glucosa in vivo se mantienen elusivos. La acción de la leptina sobre las neuronas proopiomelanocortina (POMC) del hipotálamo es necesaria para que la hormona ejerza su efecto antidiabético durante condiciones hiperglucémicas por deficiencia de insulina, lo cual sugiere que la leptina podría ejercer in vivo un impacto glucorregualdor para normalizar la homeostais de la glucosa en condiciones de diabetes no controlada así como también en condiciones de dieta rica en grasa/obesidad/diabetes.

   En conclusión, los estudios en roedores señalan la relevancia de los mecanismos hipotalámicos sensores de glucosa en la detección de un aumento o una caída en los niveles locales y/o sistémicos de glucosa, disparando minuto a minuto respuestas fisiológicas (por ejemplo, cambios bidireccionales en la producción hepática de glucosa) para mantener la homeostasis normal de glucosa. Una parte de las rutas hipotalámicas sensoras de glucosa se vuelven defectuosas en condiciones de una dieta rica en grasa, obesidad y/o diabetes provocando una desregulación de la producción hepática de glucosa y la homeostasis sistémica de la glucosa. Estudios recientes indican que la leptina regula la homeostasis de la glucosa en condiciones de privación de glucosa. En condiciones de una  dieta rica en grasa o diabetes no controlada, la acción hipotalámica de la leptina aumenta los mecanismos sensores de glucosa para disminuir la producción hepática de glucosa y restaurar la homeostasis de la glucosa.

Fuente: Li RJW et al (2020). Interaction of glucose sensing and leptin action in the brain. Molecular Metabolism 39: 1-10.

 

Estrés, relojes circadianos y metabolismo energético

Varios sistemas reguladores promueven la disponibilidad de energía en momentos de necesidad mientras minimizan las necesidades energéticas en otros momentos. Dos de estos sistemas, el sistema estrés y el reloj circadiano, trabajan conjuntamente por este objetivo, pero usan diferentes principios de activación. La respuesta al estrés es un programa rápido, activado por demanda, esencial para la supervivencia en situaciones peligrosas impredecibles. Por el contrario, el reloj circadiano es una función gradual, activada endógenamente que ayuda a anticipar cambios ambientales predecibles relacionados con la rotación de la tierra alrededor de su eje y, por tanto, la sucesión de día y noche en períodos de 24 horas.

   Además de su impacto sobre varios aspectos de la fisiología, ambos sistemas convergen en la regulación del metabolismo energético. En la sociedad  moderna estos sistemas están sujetos a desregulaciones frecuentes, a partir de interacciones sociales complejas y demandas ambientales en el caso del sistema estrés o luz nocturna y disrupción del ciclo sueño-vigilia en el caso del reloj circadiano. En última instancia, estas perturbaciones actúan sinérgicamente  en su disrupción del metabolismo y la homeostasis energética.

   En una situación agudamente peligrosa, nuestro cuerpo necesita movilizar rápidamente sistemas que respondan al peligro para evadir el riesgo de daño o muerte. La percepción sensorial aumenta, los equivalentes energéticos son movilizados y los aportes de oxígeno a los tejidos nervioso y muscular son regulados al alza. En consecuencia, el estrés promueve la acelerada depleción de los depósitos de energía debido a un incremento en el gasto de energía. Después de la resolución de la situación y la neutralización del peligro, el sistema estrés regresa a los niveles basales permitiendo la regeneración y el llenado de los depósitos de energía.  

   A nivel fisiológico, la respuesta al estrés comprende dos componentes diferentes. El primero involucra la activación central y sistémica del sistema nervioso autónomo y la liberación de catecolaminas –adrenalina y, en menor extensión, noradrenalina- por la médula adrenal. Esta respuesta rápida/aguda es seguida por el otro componente, la activación del sistema hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) y la liberación de glucocorticoides (GC) -cortisol en humanos y otros primates, corticosterona en roedores- con retraso de varios minutos. Los efectos de los dos sistemas efectores del estrés muestran cinéticas temporales muy diferentes. Las catecolaminas son moléculas altamente solubles que son almacenadas en vesículas en la médula adrenal. En el estrés, estas vesículas se fusionan con la membrana plasmática y simultáneamente  liberan grandes cantidades de moléculas en la circulación sanguínea. En los tejidos blancos, las catecolaminas activan receptores acoplados a proteína G y la transcripción de la señal mediada por segundos mensajeros. Los GC, por otra parte, son altamente lipofílicos. La activación del eje HHA promueve la síntesis de novo de GC a partir del colesterol, los cuales entran a la circulación sanguínea vía  difusión a través de las membranas mitocondrial y plasmática de las células adrenocorticales. En la sangre, los GC –debido a su naturaleza lipofílica necesitan  ser transportados por proteínas transportadoras específicas  como la transcortina y la albúmina. En los tejidos blancos, los GC pasan la membrana plasmática para unirse a receptores nucleares tipo 1 que, después de dimerización y translocación nuclear, actúan como factores de transcripción para afectar la fisiología celular a través de alteraciones en el repertorio enzimático. Esta respuesta mediada por GC toma minutos a horas para completarse, haciéndola poco confiable para respuestas de “luchar o huir”, pero útil para adaptaciones de término intermedio al ambiente estresante. Los dos sistemas de respuestas al estrés muestran varios blancos, pero mientras la respuesta autónoma/catecolaminas afecta primariamente los sistemas sensorial y cardiovascular, la respuesta eje endocrino/GC promueve principal la redistribución de equivalentes energéticos y al mismo tiempo suprime funciones digestivas e inmunes, dos sistemas biológicos de alta demanda de energía.

   Cuando el organismo experimenta situaciones estresante repetidas o de larga duración, la regulación del sistema estrés es crónicamente alterada. El sistema estrés se adapta a la estimulación psicosocial rebalanceando sus dos funciones efectoras, promoviendo una activación constante de bajo nivel del sistema nervioso autónomo y rebalanceando la retroalimentación negativa que controla la función del eje HHA. Los aminoácidos excitadores como el glutamato tienen una función clave en la adaptación central al estrés crónico. En roedores, el exceso de glutamato liberado durante el estrés crónico provoca la reducción de  dendrítas apicales en neuronas de hipocampo y corteza prefrontal, dos sitios que muestran una robusta regulación funcional circadiana. La activación de redes autónomas y de la descarga simpática es un importante mediador de los desórdenes inducidos por el estrés, agudos y crónicos, como la hipertensión arterial, la obesidad y la enfermedad cardíaca. La exposición repetida al mismo estresor puede resultar en habituación de la función del eje HHA, por ejemplo, disminuyendo la respuesta GC con el tiempo. Lo cual requiere de la activación de la señal del receptor mineralocorticoide (MR). La exposición crónica a estresores que involucran intervenciones no sociales (por ejemplo, inmovilización repetida) provoca una regulación al alza de la expresión de mARN de Crh (hormona liberadora de corticotropina, CRH) en el núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo. En paralelo, el estrés variable crónico reduce la expresión de receptores glucocorticoide (GR) en esta área. Estos dos efectos, en conjunto,  disminuyen la retroalimentación negativa de los GC sobre la regulación del eje HHA provocando la elevación de las concentraciones basales de GC, característica de la adaptación al estrés crónico. En consecuencia la exposición crónica al estrés la liberación tónica, pero al mismo tiempo disminuye la liberación fásica, de GC por la glándula adrenal. A largo plazo, la función cardiovascular, la homeostasis metabólica y los sistemas centrales de depresión y motivación son alterados, incrementando el riesgo de desarrollar enfermedades crónicas como ateroesclerosis, obesidad y depresión, respectivamente.

   El estrés aumenta las demandas de energía en el cuerpo. En una situación de estrés agudo, el cuerpo aporta energía para la percepción sensorial, el procesamiento cognitivo y la actividad muscular, pero tanto el apetito como las funciones metabólicas digestivas son suprimidos. En situaciones de exposición a estrés repetido o crónico, los efectos mediados por GC se vuelven más dominantes regulando la suplementación de energía. Además de los GC, en esta respuesta tiene un rol importante el péptido ghrelina, secretado por el estómago y promotor del apetito. Los elevados niveles centrales de GC incrementan la expresión del orexigénico neuropéptido Y (NPY) en el hipotálamo a través de la inhibición de CRH. El NPY también disminuye la ansiedad y ha sido implicado en la alimentación emocional. Por otra parte, la activación del eje HHA regula al alza la liberación central de opioides endógenos. Los opioides disminuyen la actividad del eje HHA y, por tanto, disminuyen la respuesta al estrés. La exposición crónica al rechazo social resulta en elevadas concentraciones plasmáticas de ghrelina que se mantienen altas hasta después del final de la intervención del estrés. En la hipófisis, la ghrelina amplifica la acción del eje HHA y, en el cerebro, actúa sobre varios sitios para atenuar la ansiedad y conductas depresivas. La ghrelina incrementa el apetito a través de la activación de neuronas orexigénicas en el hipotálamo mediobasal.

   La percepción de estrés es influenciada por las experiencias y la genética. Cuando el cerebro percibe estrés por tiempo prolongado, las respuestas fisiológicas y conductuales provocan  alostasis y adaptación. Con el tiempo la carga alostática  puede acumularse y tener efectos adversos sobre varios órganos y sistemas, provocando enfermedad. En el SNC,  el estrés crónico promueve el desarrollo de depresión y procesos neurodegenerativos. En la periferia, las adaptaciones al estrés crónico causan obesidad, complicaciones cardiovasculares y alteraciones de las respuestas inmunes. Los principales agentes de los efectos metabólicos del estrés crónico son los GC, los cuales  actuando a través de la unión a receptores GR y  MR, provocan programas adaptativos transcripcionales en tejidos periféricos y SNC. Sin embargo, la relación entre las hormonas del estrés y el metabolismo energético es compleja. Por ejemplo, mientras algunas personas incrementan la ingesta de alimentos y el peso corporal durante el estrés, otras personas muestran el fenotipo opuesto con disminución de ingesta de alimentos y peso corporal. Más aún, la hiperfagia inducida por el estrés no necesariamente es seguida por un incremento en adiposidad y masa corporal, sugiriendo que los mecanismos que regulan el consumo de energía son activados al mismo tiempo. Los GC activan el consumo de energía e inhiben el gasto de energía para promover un balance energético positivo. Por el contrario, los receptores β-adrenérgicos activados simpáticamente incrementan el gasto de energía activando la termogénesis en el tejido adiposo marrón (TAM) para favorecer un balance energético negativo, un proceso que es suprimido por los GC. Por tanto, el estrés puede promover ganancia de peso solo si prevalece la hiperfagia. En presencia de hipofagia inducida por estrés  -o si  domina el reclutamiento de TAM- resultará pérdida de peso.

   En los mamíferos, los relojes moleculares se encuentran en todos los tejidos y células del cuerpo y son coordinados por un reloj master que se localiza en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo.  El NSQ recibe proyecciones de células ganglionares de la retina fotosensibles que expresan el fotopigmento melanopsina (OPN4), sensible a la luz azul. A través de estas proyecciones, las neuronas del NSQ disparan descargas rítmicas y sincronizadas con el ciclo luz-oscuridad externo.  La coordinación de la función reloj en tejidos centrales no NSQ y periféricos ocurre a través de múltiples rutas, incluyendo señales endocrinas, autónomas y conductuales. Los GC han sido implicados en esta coordinación sistémica de la función reloj circadiano. En su potencial para afectar la función reloj en diferentes tejidos, los GC son muy similares a otro factor endocrino, melatonina.

   A nivel molecular, los relojes circadianos comprenden asas de retroalimentación transcripcionales-translacionales (TTL) que involucran a un grupo de genes reloj y proteínas. El factor de transcripción CLOCK (circadian locomotor output cycles kaput), el cual puede ser reemplazado en algunos tejidos por la proteína neuronal PAS2 (NPAS2)/BMAL1/ARNTL (brain and muscle ARNT-like 1) activa la expresión de tres genes período (Per 1-3) y dos genes criptocromo (Cry 1/2) durante el día. Las proteínas PER y CRY se dimerizan y, hacia el final del día, se trasladan al núcleo donde inhiben al factor CLOCK/BMAL1, regulando a la baja su propia transcripción. Hacia el final de la noche, las proteínas PER y CRY son degradadas resultando en una desinhibición de la transactivación CLOCK/BMAL1 y en un nuevo ciclo molecular circadiano. El período de esta TTL es modulado por varios modificadores post-translacionales y por asas de retroalimentación adicionales que afectan la abundancia, la localización y el recambio de los componentes de la TTL principal.

   El ritmo de transcripción de genes reloj es traducido en señales fisiológicamente significativas a través de programas transcripcionales tejido-específicos. Se estima que entre 5-10% de genes que codifican proteínas en un tejido determinado y 40-50% en todo el cuerpo son expresados con un ritmo circadiano. De una manera similar a la respuesta al estrés mediada por GC, la regulación de relojes circadianos actúa lentamente a través de alteraciones de la maquinaria enzimática dependientes de transcripción/translación. Entonces, similar a los GC, el sistema reloj está pobremente equipado para responder a cambios rápidos en el ambiente, pero sirve para adaptar al cuerpo en demandas graduales y predecibles.

   Los relojes circadianos y el metabolismo energético están mutuamente relacionados uno con otro. La disrupción circadiana –genética o a través de perturbaciones externas como cambios en el horario laboral, perturbaciones del sueño o contaminación lumínica nocturna- es un factor de riesgo independiente para el desarrollo de desórdenes metabólicos que van desde obesidad y diabetes tipo 2 hasta complicaciones  cardiovasculares y cáncer. Las perturbaciones del sueño reducen rápidamente la sensibilidad a la insulina y afectan el apetito y el deseo por alimentos de alta energía. Los experimentos con animales demuestran que los relojes circadianos son reguladores importantes del manejo y depósito de glucosa y lípidos. Por ejemplo, los relojes de las células β pancreáticas controlan la secreción de insulina, mientras los relojes del tejido adiposo blanco regulan la degradación lipolítica de triglicéridos y la liberación de ácidos grasos, lo cual a su vez afecta circuitos centrales de la regulación del apetito.  

   A nivel celular, los relojes circadianos están involucrados en la regulación de la función mitocondrial y, por tanto, en la producción de ATP. Importantes enzimas del metabolismo de los carbohidratos y los lípidos como fosfoenol piruvato carboxiquinasa  (PEPCK), apolipoproteína A4 (APOA4) y sintetasa de ácidos grasos  (FAS), entre otras, son blancos transcripcionales directos de maquinaria de  relojes circadianos. Otros genes responden más a factores rítmicos sistémicos como hormonas, señales relacionadas con la alimentación o temperatura corporal.  Esta compleja interacción entre señal externa y local en la regulación temporal de la maquinaria metabólica sugiere dos cosas: las funciones de los tejidos metabólicos se adaptan a demandas externas agudas pero, al mismo tiempo, están sujetas a modulación temporal por sistemas endógenos. El reloj asegura la adaptación basal de los tejidos metabólicos a cambios recurrentes pero predecibles en las demandas metabólicas a lo largo del día mientras también son temporalmente modulados para  responder a estímulos externos. Al mismo tiempo, el tejido metabólico permanece sensible a cambios menos predecibles. En línea con esto, la perturbación externa de la regulación circadiana a menudo tiene efectos más profundos sobre la homeostasis metabólica que la disfunción genética  de la maquinaria reloj local.

   Los cambios en el estado metabólico pueden ejercer retroalimentación sobre la función reloj en varios niveles, alterando los programas de expresión de genes en los tejidos, pero también a ritmos circadianos de conductas como el sueño o la ingesta de alimentos. A nivel celular, los cambios en el estado metabólico pueden afectar directamente la función de TTL circadiana. Las proteínas REV-ERB (reverse erythroblastoma) son ligandos para el sensor metabólico heme, y la capacidad de los dímeros CLOCK(NPAS2)/BMAL1 para unirse al ADN y activar la transcripción depende fuertemente del estado redox celular. En este sentido, los cambios oxidativos agudos por ingesta de alimentos pueden “resetear” los ritmos moleculares de genes reloj y regular a la baja procesos metabólicos celulares. El tiempo de ingesta de alimentos tiene fuertes efectos sobre la función reloj en tejidos periféricos. En situaciones extremas como fase de alimentación en reposo repetida puede provocar el desacoplamiento completo de la maquinaria reloj periférica con el marcapaso NSQ. Este estado de desincronía podría resultar en alteración temporal de los circuitos reguladores del apetito y las redes de tejidos metabólicos, lo cual, en las condiciones modernas de acceso a la comida,  promueve la hiperfagia y la obesidad. Los estudios en roedores demuestran que la restauración de la coordinación de las redes circadianas afecta positivamente la homeostasis energética  en condiciones obesogénicas.

   Los mecanismos del entrenamiento circadiano sistémico todavía son pobremente entendidos. Sin embargo, sabemos que el NSQ usa rutas humorales y neurales para transmitir la información del tiempo a través de la  red reloj. Entre los mediadores humorales del entrenamiento circadiano mejor estudiados están los GC. En condiciones de no estrés, los niveles circulantes de GC muestran una robusta rítmicidad diurna con un pico en el inicio de la fase activa (en la mañana en humanos diurnos y en la tarde en roedores nocturnos). Los ritmos circadianos de los GC están involucrados en la coordinación de la función reloj en tejidos centrales y periféricos. El control circadiano de la secreción de GC resulta de la interacción entre NSQ y relojes tisulares a lo largo del eje HHA. El NSQ controla la secreción rítmica de la hormona adrenocorticotropa (ACTH) por la hipófisis anterior a través de la regulación de la liberación de CRH y arginina vasopresina (AVP) por el NPV del hipotálamo. La ACTH, a su vez, promueve la biosíntesis y liberación de GC por las células de la zona fasciculada de la corteza adrenal. A través del sistema nervioso autónomo, el NSQ sincroniza los relojes celulares adrenales para regular la sensibilidad dependiente del tiempo del día de la maquinaria esteroidogénica adrenal para la estimulación por ACTH. La coherencia de fase de estas dos rutas es requerida para la secreción rítmica y de alta amplitud de GC.

   El acoplamiento entre el sistema estrés y el reloj circadiano es similar al observado a nivel molecular.  Debido a su alta afinidad por los GC, el MR es constitutivamente activado bajo la mayoría de las condiciones fisiológicas. Por el contrario, el GR solamente es activado con altas concentraciones de GC que causan reacciones fásicas, es decir, en el pico circadiano o en situaciones de estrés agudo.  La unión de ligando provoca que los dímeros GR se trasladan del citoplasma al núcleo, donde se unen a los elementos de respuesta a GC (GRE) en las regiones reguladoras de los genes, incluyendo varios genes reloj como Per1/2. Por el contario, el locus Rev-erbα contiene GRE negativos que median la trans-represión GR. Estudios recientes sugieren que las proteínas reloj y los GR también pueden interactuar a nivel de proteína. La proteína CLOCK tiene actividad acetil transferasa y es capaz de acetilar al GR para reducir su capacidad de unión a ADN. Las proteínas CRY se unen directamente al GR. La presencia de REV-ERBα influye en la estabilidad y localización nuclear de GR unido a GC a través de la interacción con proteína de shock térmico.

   En las glándulas adrenales, los GC y los genes reloj interactúan en la modulación de la biosíntesis y degradación de catecolaminas. La transcripción de la enzima que degrada catecolaminas, monoamina oxidasa I (MAOA), es un blanco directo de CLOCK/BMAL1. Por otra parte, la expresión de la enzima marcapaso de la biosíntesis de catecolaminas, tirosina hidroxilasa (TH), es suprimida por REV-ERBα. El GR regula la expresión de catecol-O-metil transferasa (COMT) involucrada en el catabolismo de catecolaminas. En suma, las interacciones entre GC/GR y la maquinaria reloj pueden afectar las respuestas rápida y retardada del sistema estrés crónico.

    Los estudios en animales sugieren que la extensión de una respuesta al estrés específica depende fuertemente del momento del día. Durante la fase activa, la exposición a un estresor físico como hemorragia, hipoglucemia o estrés oxidativo resulta en un mayor incremento en GC circulantes que en otros períodos del día. Similarmente,  hay evidencia de una respuesta adaptativa dependiente del tiempo del día al estrés crónico o repetido. En el contexto del metabolismo energético, las respuestas al estrés son exageradas bajo condiciones de dieta rica en grasas, pero solo en ciertos momentos del día.

   La cronodisrupción, es decir, la alteración de los ritmos conductuales y fisiológicos relativa al ciclo natural de un día de 24 horas, es un fenómeno común en la sociedad moderna. Las condiciones de cronodisrupción, como el cambio del horario laboral, son percibidas como estresores psicológicos. En consecuencia, estos trabajadores tienen un mayor riesgo de desórdenes cardiovasculares y gastrointestinales asociados con el estrés. La cronodisrupción y el estrés psicosocial a menudo están tan relacionados que resulta bastante difícil disociar en la clínica los aspectos específicos del estrés de los aspectos cronodisruptivos de los desórdenes metabólicos y de otros tipos de desórdenes. El sistema inmune como blanco del estrés y de los programas reloj puede jugar un rol importante en esta interacción. La cronodisrupción y el estrés psicosocial muestran componentes de señalización comunes, particularmente GC, y en condiciones crónicas tienen consecuencias fisiopatológicas similares como inmunosupresión y disrupción de la homeostasis metabólica.

   En conclusión, los relojes circadianos endógenos adaptan la fisiología del organismo y la conducta a cambios predecibles en el ambiente como consecuencia de la rotación de la tierra alrededor de su eje. La función de los relojes circadianos está íntimamente conectada con el sistema de respuesta al estrés para asegurar la supervivencia bajo situaciones de peligro menos predecibles. Las disrupciones  en estas dos funciones son altamente prevalentes en la sociedad moderna y han sido involucradas en el desarrollo de desórdenes metabólicos  como obesidad y diabetes tipo 2. Por tanto, estabilizar el balance estrés-reloj-metabolismo es un aspecto fundamental del bienestar fisiológico y psicológico.

Fuente: Oster H (2020). The interplay between stress, circadian clocks,  and energy metabolism. Journal of Endocrinology 247: R13-R25.

 

Andrógenos, estrógenos y endometrio

En el útero de la mujer, el endometrio se encuentra entre el miometrio y el epitelio luminal y está dividido en una capa interna/funcional (“funcionalis”) y una capa basal (“basalis”). En la capa interna, las células epiteliales columnares forman una separación entre la luz uterina llena de líquido y el tejido endometrial que contiene glándulas, una vasculatura bien desarrollada, mesénquima estromal (fibroblastos, células perivasculares) y una población diversa de células inmunes. Entre la menarquia y menopausia, el endometrio responde a los niveles fluctuantes de los esteroides sexuales ováricos  (principalmente 17β-estradiol (E2) y progesterona (P)) con proliferación y diferenciación cíclicas para apoyar un eventual embarazo. En un ciclo menstrual de no embarazo, la capa funcional del endometrio se desprende durante la menstruación, pero en pocos días la integridad tisular de la superficie luminal es restaurada para un nuevo ciclo. Los esteroides sexuales son esenciales para el mantenimiento de la función uterina normal y la fertilidad, pero también pueden contribuir al desarrollo de desórdenes endometriales dependientes de hormonas. 

   Aunque la duración  del ciclo menstrual puede variar entre las mujeres, típicamente se considera un ciclo promedio de 28 días: menstruación (día 1), fase proliferativa (día 4 a 14) y fase secretora (día 16 a 28) en el endometrio. Histológicamente, el grosor de la capa funcional del endometrio varía desde 2 mm inmediatamente después de la fase menstrual hasta 14 mm antes de la ovulación en el día 14. Después de la ovulación y la formación del cuerpo lúteo (CL) en el ovario hay una rápida elevación de las concentraciones circulantes de P lo cual, en el endometrio, estimula la transformación funcional de los fibroblastos del estroma (decidualización) que resulta  en un cambio de forma y reprogramación de la expresión de genes que provocan la secreción de factores que regulan el  reclutamiento de células inmunes y la receptividad. En ausencia de un blastocisto saludable, la regresión del cuerpo lúteo resulta en una rápida disminución de las concentraciones circulantes de los esteroides  ováricos y dispara una cascada de cambios en el tejido endometrial que resultan en degradación tisular y cicatrización durante la menstruación.

   Los cambios en la expresión de genes dependiente de estrógenos y andrógenos son orquestados por la interacción de sus receptores con dominios unidos a ADN en los promotores/aumentadores de los genes así como también rutas de señalización no genómicas iniciadas en la membrana celular. Los receptores de esteroides contienen tres dominios claves: un dominio amino terminal variable, un dominio de unión a ADN (DBD) altamente conservado y un dominio carboxilo terminal de unión a ligando (LDB)  menos conservado. Las diferencias en la secuencia de aminoácidos en el sitio de unión de  ligando en el C-terminal juegan un rol crítico en la selectividad de ligando. Una región que sirve como enlace entre el DBD y el LDB funciona  como una bisagra flexible con una señal de localización nuclear: las proteínas también contienen múltiples sitios para fosforilación.  Hay dos receptores de estrógenos (ERα y ERβ) codificados por genes separados, ESR1 y ESR2, respectivamente. El E2 tiene alta afinidad por ambos receptores, mientras la estrona (E1) tiene alta afinidad por el ERβ. Además de ESR1 y ERS2, una familia de genes relacionados ha sido identificada como codificadores de “proteínas relacionadas con receptor de estrógenos” (ESRR1, ESRR2, ESRR3) las cuales no se unen directamente a E1 o E2  porque carecen del sitio de unión a ligando en el C-terminal, pero pueden ser activadas como cofactores.

   El gen de receptor de andrógenos (AR) está localizado en el cromosoma X. Varias isoformas de AR han sido identificadas, con particular atención sobre su rol en la activación de genes independiente de ligando en cáncer de próstata avanzado. Por otra parte, la expresión de variantes AR, incluyendo AR-V/ (exones 1/2/3CE3) que ha sido reportada en cáncer de mama.

   La unión del ligando esteroide a ER y AR  induce un cambio conformacional en el dominio de unión a ligando, dimerización y reclutamiento de co-reguladores que juegan un rol crítico en la regulación de la repuesta hormonal. Los receptores activados por ligando se unen directamente a secuencias de ADN en las regiones reguladoras  de genes: secuencias que son reconocidas por estrógenos (elementos de respuesta a estrógenos, ERE) o andrógenos (elementos de respuesta a andrógenos, ERA). Los estudios de unión han identificado a los llamados factores “pioneros” como FOXA1 y GATA2 que pueden aumentar la unión directa de ER o AR al ADN. Los ER también regulan la expresión de genes a través de interacciones proteína-proteína con otros factores de transcripción ya unidos al ADN como el factor de transcripción  Sp1 el cual ha sido implicado en la regulación del gen de receptor de progesterona y la inducción dependiente de ER de la expresión de genes en células endoteliales endometriales humanas.

   Los estrógenos y los andrógenos también pueden inducir cambios en la función celular a través de la unión a ER o AR localizados en la membrana celular. Estas cascadas de señalización pueden ser iniciadas a través de receptores de membrana después de la palmitoilación e interacción con proteínas plegadas o por receptores transmembrana acoplados  a proteína G (GPCR) que responden a hormonas. Uno de los GPCR más extensamente investigado es el GPER (originalmente llamado GPR30, también conocido como GPER1), clonado a partir de células de cáncer  de mama en 1997 y une estrógenos con afinidad nanomolar. La información sobre GPCR que unen andrógenos es menos extensa, pero entre varios candidatos se incluye al GPERC6A identificado en células de cáncer de próstata.

   En el endometrio, la expresión de ERα es intensa en las glándulas epiteliales y el estroma de las capas funcional y basal.  La expresión es regulada a la baja en la capa funcional durante la fase secretora en respuesta al aumento en los niveles de P. Los estudios en ratones sugieren un rol complejo para el ERα en los compartimentos epitelial y estromal del endometrio. Por ejemplo, el ERα epitelial es indispensable para la respuesta proliferativa y tiene un rol crítico en la decidualización en esta especie. El patrón de expresión del ERβ es distinto al del ERα: el ERβ en la capa funcional no es regulado a la baja durante la fase secretora. Por otra parte, la expresión de GPER es máxima en la fase proliferativa. El GPER puede estar involucrado en la transformación neoplásica del endometrio o en la promoción de la expresión de metaloproteínasas  de la matriz (MMP) inducida por el factor inducible por hipoxia 1α (HIF1α) en células del estroma endometrial en mujeres con endometriosis.

   El AR es expresado en los fibroblastos del estroma, los cuales exhiben variaciones cíclicas en la capa funcional, pero se mantienen sin cambios en el compartimento basal durante el ciclo menstrual. Las células epiteliales de la capa funcional regulan al alza la expresión de AR en respuesta a la disminución de los niveles de P en un ciclo menstrual normal o después de la administración  de anti-progestinas y esto está asociado con reducción de la proliferación endometrial. Algunos genes regulados por andrógenos en las células del estroma endometrial como CITED2, HIF1α y CD4 están implicados en redes que protegen a las células contra el estrés y la apoptosis. Aunque el conocimiento sobre el rol de los andrógenos en la función del tejido endometrial es todavía incompleto, se han identificado cambios en la expresión de MMP3 y MMP9, las cuales están implicadas en la degradación del endometrio humano.

   El  esteroide adrenal dehidroepiandrosterona (DHEA) es un importante precursor de andrógenos bioactivos en la mujer. Todas las enzimas que regulan la conversión de DHEA  a testosterona, dihidrotestosterona (DHT) o estrógenos han sido detectadas en el endometrio. La interconversión de andrógenos y estrógenos es mediada vía 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (17βHSD), de la cual varias isoformas son expresadas en el endometrio. Por ejemplo, la 17βHSD tipo 1 es responsable de la producción de testosterona y E2 a partir de DHEA y E1, respectivamente, mientras la 17βHSD2 cataliza la reacción opuesta. La HSD17B2, expresada en células epiteliales glandulares, incrementa marcadamente en la fase secretora. La sobre expresión de 17βHSD2 en el endometrio es una característica de mujeres con desórdenes como endometriosis, adenomiosis y/o leiomiomas (fibroides). La expresión de esteroide sulfatasa (STS) en el tejido endometrial puede catalizar la conversión de sulfato de dehidroepiandrosterona (DHEAS) a DHEA pero también puede incrementar la concentración de E1 removiendo el sulfato de E1S. En un modelo in vitro de decidualización, ha sido confirmada la expresión de STS y aromatasa (CYP19A1) en  células del estroma endometrial con evidencia que ambas enzimas contribuyen a la producción de estrógenos durante la decidualización.

   La decidualización a tiempo y eficiente de las células del estroma endometrial en respuesta a la P derivada del ovario es esencial para la generación de un microambiente endometrial que pueda apoyar y alimentar al blastocisto durante la implantación. La disrupción de la decidualización está implicada en fracaso de la implantación y aborto.  Los estudios con ratones usando inhibidores de la aromatasa demuestran que la producción local intra-uterina de E2 es crítica para el establecimiento del embarazo. En la mujer, el E2 es producido durante la decidualización de las  células del estroma endometrial y regula la migración de células “killer” naturales (uNK). Las alteraciones en número/localización de células uNK pueden predisponer a la mujer a experimentar un aborto.  Durante la decidualización de las células del estroma endometrial hay un incremento significativo en la expresión de AKR1C3, la enzima responsable de la conversión de androstenediona en testosterona, acompañado con un aumento de la secreción de testosterona. Los andrógenos producidos localmente, además de aumentar la decidualización, modulan la expresión de genes que codifican proteínas, como la osteopontina, involucradas en la receptividad endometrial humana. Por otra parte, la DHT tiene un impacto positivo sobre la decidualización de las células del estroma endometrial y la resistencia al estrés oxidativo. Entonces, la disminución relacionada con la edad de esteroides adrenales puede tener un impacto sobre la capacidad del endometrio para sostener el embarazo.

   En conclusión, el endometrio es un tejido multicelular, complejo  y dinámico, el cual en virtud de su expresión de receptores de alta afinidad es muy sensible a las acciones de los estrógenos y los andrógenos. Los cambios temporales y espaciales en la función tisular en respuesta a los esteroides sexuales juegan un rol crítico en la preparación para el embarazo y en la degradación y desprendimiento si no ocurre el embarazo. La regulación balanceada de la acción de los esteroides sexuales es esencial para la función endometrial y es controlada a través de metabolismo local y la expresión célula y tejido-específica de receptores de esteroides.

Fuente: Gibson DA et al (2020). Androgens, oestrogens and endometrium: a fine balance between perfection and pathology. Journal of Endocrinology 246: R75-R93.

 

Vitamina K, regulación de la glucemia y diabetes mellitus

La vitamina K (VK) es una vitamina soluble en grasa que existe en dos formas naturales: VK1 (filoquinona) y VK2 (menaquinona). La VK1 es la principal forma de VK en la dieta y está presente abundantemente en las hojas verdes. La VK2 está presente en los productos lácteos  y alimentos fermentados. La menaquinona-4 (MK-4), un homólogo de  VK2, es la principal forma de VK en tejidos animales y es convertida a partir de una porción de la VK1 ingerida y otras menaquinonas. La evaluación postmorten del  estatus de VK en tejidos humanos, incluyendo cerebro, corazón, riñón, hígado, pulmón y páncreas revela que la VK1 es almacenada en todos los tejidos, pero con niveles relativamente altos en hígado, corazón y páncreas, mientras la VK2 es almacenada en la mayoría de los tejidos y tiene una distribución relativamente alta en el cerebro, los riñones y el páncreas. En roedores, VK1 y MK-4 están presentes en todos los tejidos, incluyendo cerebro, corazón, riñón, hígado, pulmón, páncreas, grasa mesentérica, aorta abdominal, hueso, testículos, estómago, piel,  intestino, músculo esquelético y bazo. Estos datos son consistentes con los resultados de varios estudios  que indican que la MK-4 es la principal forma de VK en el cuerpo y se está presente en grandes cantidades en hígado, huesos, cerebro y órganos reproductivos. La acumulación de VK en los tejidos sugiere que tiene roles fisiológicos específicos en el cuerpo humano. Varios estudios recientes mencionan que la VK no solo juega un rol en la coagulación sanguínea y el metabolismo óseo sino que también tiene funciones específicas en la regulación del estatus glucémico; por tanto, un mayor estatus de VK puede implicar un menor riesgo de diabetes mellitus (DM).

   Varios estudios han evaluado el efecto de la VK sobre la respuesta a la insulina y el estatus glucémico. La evidencia indica que el estatus de VK sanguínea se correlaciona positivamente con el nivel plasmático de insulina y que el estatus de glucosa plasmática en ayunas no cambia marcadamente con la ingesta de VK. En estudios observacionales, 30 minutos después de la ingesta de una carga de glucosa, el nivel de glucosa plasmática tiende a disminuir y el índice insulinogénico a aumentar con una alta ingesta de VK, sugiriendo que la ingesta de VK mejora la respuesta aguda a la insulina con relación a la tolerancia a la glucosa. Otro estudio que analizó la asociación entre la ingesta de VK1 y la sensibilidad a la insulina en adultos mayores demostró que una gran ingesta de VK1 se correlaciona con mayor  sensibilidad a la insulina y estatus glucémico en la prueba de tolerancia a la glucosa, sugiriendo que la ingesta de VK1 puede tener  un efecto beneficioso sobre la homeostasis de la glucosa  en hombres y mujeres adultos. Alternativamente, en la prueba de tolerancia a la glucosa oral, los hombres con  baja ingesta de VK1 tienen disminución de los niveles de insulina y un incremento en el nivel de glucosa en comparación con los hombres con alta ingesta de VK1. Estudios de intervención más recientes reportan que la suplementación con VK1 por cuatro semanas mejora el estatus glucémico y la sensibilidad a la insulina en mujeres premenopáusicas y prediabéticas.

   Los estudios recientes reportan la posibilidad que dos tipos de agentes, los miméticos de incretina y los amplificadoes  del efecto incretina, pueden disminuir la  glucosa sanguínea a través del sistema incretina. Los agentes clínicos incluyen agonistas del receptor de péptido similar a glucagón-1(PLP-1) e inhibidores de la dipeptidil peptidasa 4 (DPP4). Los miméticos de incretina incrementan la concentración plasmática de incretinas y contribuyen a reducir el nivel de hemoglobina glucosilada, el nivel de glucosa plasmática en ayunas y el peso corporal. La MK-4 puede funcionar como un nutriente similar a incretina al aumentar la secreción de insulina estimulada por glucosa  a través de la elevación de los niveles de cAMP.

   La VK trabaja como un cofactor para la γ-glutamil carboxilasa microsomal y tiene un rol en la carboxilación de residuos glutamato a γ-carboxiglutamato (Gla) de proteínas dependientes de VK (VKDP) como la proteína Gla de matriz (MGP) y la osteocalcina (OC), involucradas en la inhibición de la calcificación vascular y la mineralización ósea, respectivamente. Estas proteínas juegan varios roles beneficiosos en los procesos biológicos y regulan funciones fisiológicas. Varios estudios  reportan correlaciones entre la progresión de enfermedades y el estatus de VKDP, sugiriendo que las VKDP pueden potencialmente ser biomarcadores para varias  enfermedades y que el estatus de VK puede jugar un rol crucial en enfermedades como DM.

   La MGP activa es reconocida como un inhibidor de la calcificación vascular in vitro e in vivo y es considerada un biomarcador para la deficiencia de VK. La MGP inactiva es identificada en sus formas carboxilada o fosforilada, incluyendo MGP no carboxilada (ucMGP), MGP carboxilada pero no fosforilada (dpcMGP), MGP fosforilada pero no carboxilada (pucMGP) y la MGP no carboxilada desfosforilada (dpucMGP), completamente inactiva.   Varios estudios describen que la calcificación arterial que se observa en pacientes con DM se correlaciona con la presencia de VKDP. Uno de estos trabajos indica que la calcificación arterial es mayor en pacientes con DM que en la población no diabética. Otros estudios reportan que la acumulación de productos finales de la glicación se correlaciona con la calcificación de arterias coronaria en pacientes con DM tipo 1 y aquellos pacientes con estenosis aórtica severa. Más aún, niveles altos de ucMGP son detectados en pacientes con DM e indican un riesgo de calcificación arterial.

  Otra VKDP, la OC secretada por osteoblastos, está involucrada en la regulación del metabolismo de la glucosa. Varios estudios reportan un asa endocrina hueso-páncreas donde la insulina estimula la diferenciación de osteoblastos y la  producción de OC, la cual a su vez regula la secreción de insulina por las células β de los islotes pancreáticos. Los estudios revelan que la osteocalcina carboxilada (cOC) modula el crecimiento de los cristales de hidroxiapatita, mientras la OC no carboxilada (ucOC) actúa como una hormona endocrina en el metabolismo de la glucosa, el metabolismo energético y la fertilidad. Los hallazgos de los estudios con animales sugieren que la ucOC mejora la sensibilidad a la insulina en los tejidos y las funciones de las células β en el páncreas a través de la estimulación de ciclina D1 y la expresión de adiponectina en los adipocitos. Sin embargo, en estudios clínicos, los pacientes que reciben suplementación con VK1 tienen niveles plasmáticos de ucOC menores que el grupo control, sugiriendo que el efecto protector de la VK en la progresión de la resistencia a la insulina puede ser mediada por la disminución de los niveles de ucOC, lo cual contradice los resultados de los estudios con animales. Esto podría deberse a la diferencia de especie entre roedores y humanos. Es posible que la VK pueda mejorar la sensibilidad a la insulina y regular el metabolismo de la glucosa a través de la modulación de OC y la supresión de la inflamación. En modelos animales,  la administración de VK1 puede prevenir la hiperglucemia protegiendo los islotes pancráticos en ratas con DMT1 inducida por estreptozotocina (STZ). Un trabajo reciente propone que la disminución de los niveles sanguíneos de cOC puede ser una manifestación temprana de la resistencia a la insulina en la obesidad.

   La obesidad causa una inflamación de bajo grado que contribuye al desarrollo de resistencia a la insulina y DMT2, sugiriendo al incremento de citoquinas proinflamatorias como mediadores claves de la respuesta inflamatoria innata, la cual contribuye al desarrollo de resistencia a la insulina. Varias enfermedades crónicas causadas por desórdenes inflamatorios están asociadas con deficiencia de VK. La evidencia demuestra que la VK puede atenuar la respuesta a la insulina y el estatus glucémico a través de la inhibición de la inflamación. La VK suprime la producción de IL-6 en modelos de inflamación inducida por lipopolisacáridos. Por otra parte,  la alta concentración plasmática de VK1 y la ingesta de VK1 están asociadas con disminución de las concentraciones de los marcadores inflamatorios TNFα e IL-6.

   Las complicaciones relacionadas con la diabetes generalmente son descritas como complicaciones microvasculares y macrovasculares, incluyendo retinopatía, enfermedad renal, neuropatía y enfermedad cardiovascular. En ratas con diabetes inducida por STZ, la catarata ocular se acompaña con hiperglucemia, alta actividad de la aldosa reductasa 2 (ALR2) en el cristalino, acumulación de sorbitol y formación de productos finales de la glicación en el cristalino que provocan la formación de cataratas relacionadas con la diabetes. Sin embargo, en las ratas tratadas con VK1 disminuyen los niveles sanguíneos de glucosa, la actividad de ALR2 y la acumulación de sorbitol en el cristalino. La VK1 es un potente inhibidor de la ALR2 a través de la inhibición de su sitio de unión al sustrato, lo cual sugiere un posible mecanismo de acción de la VK1 en la prevención de cataratas relacionadas con la diabetes.

   Varios estudios han demostrado un pobre estatus de VK y, por consiguiente, bajos niveles plasmáticos de VKDP en pacientes con enfermedad renal crónica (CKD). Con relación al estatus VK, el nivel de MGP se correlaciona altamente con el estado de CKD. Hay una fuerte correlación inversa entre los niveles circulantes de dpucMGP y estados de CKD, sugiriendo que la MGP es un predictor de mortalidad en pacientes con nefropatía diabética. Más aún, el nivel plasmático de dpucMAG se correlaciona con albuminuria y proteinuria y está inversamente asociada con la tasa de filtración glomerular estimada. Los pacientes con hemodiálisis muestran un alto nivel plasmático de dpucMAG. Un estudio reciente indica que el nivel de dpucMAG se correlaciona con el índice resistivo renal (RRI), los factores de riesgo cardiovascular y la función renal. La expresión de mARN de MGP tubulointersticial se correlaciona fuertemente con inflamación renal, fibrosis y daño tubular agudo. Estas evidencias explican el rol renoprotector de la MGP e indican que la VK  ejerce un efecto beneficioso sobre la función renal.

   La neuropatía periférica es otra complicación metabólica, frecuente y severa, de la DM. El pobre control glucémico y la dislipidemia son conocidos factores de riesgo de la neuropatía diabética. La evidencia apoya que el estatus VK puede estar relacionado con la homeostasis del sistema nervioso. La MGP es expresada por neuronas y células gliales. La diferenciación temprana y el crecimiento de las neuronas, la formación de dendritas,  el desarrollo de células de Schwann maduras y la mielinización son reguladas a través de las interacciones de la matriz extracelular y la MGP. Los niveles plasmáticos de dpucMGP aumentan en pacientes con neuropatía periférica diabética y un pobre estatus VK, sugiriendo que la MGP juega un rol en la homeostasis del sistema nervioso. Dado que la retinopatía y la nefropatía son morbilidades que generalmente  coexisten con la neuropatía diabética, el efecto renoprotector que ejerce la VK puede extenderse a la prevención de otras complicaciones relacionadas con la diabetes.

   Una de las complicaciones más comunes de los pacientes con DM es la enfermedad cardiovascular, incluyendo insuficiencia cardiaca, enfermedad vascular y choque. La calcificación vascular es considerada una causa de morbilidad y mortalidad cardiovascular. La VK juega un rol en la modulación de VKDP involucradas en la migración de células vasculares, la angiogénesis y la calcificación vascular. Debido a que la deficiencia de VK resulta en niveles aumentados de ucMGP, varios estudios consideran a esta proteína como factor de riesgo para la calcificación vascular y la enfermedad cardiovascular. La administración de VK disminuye los niveles plasmáticos de dpucMGP y enlentece la calcificación de válvulas cardíacas. Un creciente número de reportes indican que la mayor ingesta de VK y la actividad VKDP están asociadas con atenuación de factores de riesgo de enfermedad cardiovascular a través de la inhibición de la calcificación vascular.

   La DM es un factor de riesgo para fracturas osteoporósicas. La VK juega un rol importante en la prevención de fracturas y el mantenimiento de la densidad minera ósea y la calidad ósea. Los resultados de varios estudios sobre la asociación entre osteoporosis y VK en mujeres postmenopáusicas sugieren que el tratamiento con MK-4 previene efectivamente la ocurrencia de fracturas osteoporósicas y disminuye el nivel plasmático de ucOC. Sin embargo, el efecto de la MK-4 ocurrió sin incremento en la densidad mineral ósea.

   En conclusión, la VK es una vitamina soluble en grasas que juega un rol importante en la regulación del estatus glucémico. La suplementación de VK reduce el riesgo de DM y mejora la sensibilidad a la insulina. Los efectos de la VK sobre la DM han sido demostrados en diversos estudios y varios reportes mencionan la seguridad y el efecto beneficioso de la suplementación de VK en humanos.

Fuente: Ho et al (2020). Beneficial effects of vitamin K status on glycemic regulation and diabetes mellitus. Nutrients 12: 2485.

 

Diversas funciones del INSL3

El RXFP2 (previamente conocido como GREAT o LGR8) es un receptor acoplado a proteína G (GPCR) de la familia de receptores de péptidos relaxina, la cual contiene otros tres miembros: RXFP1, RXFP3 y RXFP4. La relaxina es el ligando para el RXFP1 y es el par ligando-receptor más estudiado de la familia, siendo conocido por sus propiedades vasodilatadoras y anti-fibróticas. El neuropéptido relaxina-3,  el ligando para el RXFP3, tiene un rol en las respuestas al estrés y la  alimentación, mientras el INSL5 es el ligando para el RXFP4 y está involucrado en la contractilidad intestinal. RXFP1 y RXFP2 son estructuralmente muy similares y exhiben 60% de la secuencia de aminoácidos idénticos. El ligando del FXRP2 es el péptido similar a insulina 3 (INSL3), producido como una preprohormona, la cual, después de la remoción del péptido señal y el clivaje del péptido C, da origen a la hormona madura activa que consiste de las cadenas A y B unidas por dos enlaces disulfuro y un enlace disulfuro adicional en la cadena A. La activación del RXFP2 por el INSL3 causa un incremento en la producción de cAMP. Los péptidos relaxina de algunas especies como la relaxina porcina y la relaxina H2 humana son capaces de activar este receptor, pero solamente en concentraciones por arriba de los niveles fisiológicos.

   El efecto del sistema INSL3/RXFP2 sobre el desarrollo del tracto reproductivo masculino fue descubierto hace dos décadas en ratones machos con criptorquidismo o testículos no descendidos.   En humanos, esta malformación genital tiene una incidencia de 1-3% en varones recién nacidos y es más común en los nacidos prematuramente. La resolución espontánea de esta anormalidad en el primer año de edad ha sido reportada en menos de 10% hasta más de 50% de los niños afectados en diferentes estudios. Para otros, el tratamiento más común es una orquiopexia, un procedimiento quirúrgico donde los testículos no descendidos son llevados al escroto. Si se deja sin tratamiento, el criptorquidismo puede provocar desde infertilidad hasta cáncer testicular. En las hembras, el INSL3 está involucrado en la maduración de folículos ováricos y podría jugar un rol en la patología del síndrome de ovarios poliquísticos (PCOS). Adicionalmente, una reciente línea de investigación ha identificado las funciones metabólicas del sistema INSL3/RXFP2 en osteoblastos, músculo esquelético y otros tejidos, resaltando el rol de este par ligando-receptor fuera de la fisiología reproductiva. Las características estructurales únicas, la expresión en la superficie celular y el patrón de expresión hacen del RXFP2 un potencial blanco farmacológico para varias enfermedades, incluyendo osteoporosis e hipogonadismo. La activación del RXFP2 por el INSL3 desencadena la ruta adenil ciclasa (AC) a través de G_αs resultando en un incremento en la producción de cAMP. EL RXFP2 consiste de una lipoproteína de baja densidad (LDLa), diez dominios repetidos ricos en leucina (LRR) y siete dominios helicoidales transmembrana (TM). En la familia GPCR, el módulo LDLa solo está presente en RXFP1 y RXFP2. Los estudios de mutagénesis han demostrado la importancia del módulo para la expresión del receptor en la superficie celular y la señalización intracelular. La mutación de los residuos de aminoácidos C71 y D70, los cuales están involucrados en la estabilidad de la molécula LDLa, disminuye la expresión del receptor RXSP2 en la superficie celular y suprime la producción de cAMP en respuesta al INSL3. Estudios recientes demuestran que en la unión del INSL3 al RXSP2, la región de enlace localizada entre LDLa y LRR puede ayudar a la interacción del dominio LDLa  con el TM y activar la unión del receptor con la cadena A del INSL3.

   El modelo de unión del INSL3 al receptor RXFP2 muestra un sitio de unión de alta afinidad para la cadena B en el LRR, así como también un sitio de unión de baja afinidad  para la cadena A en las asas extracelulares de TM. Después de la unión, la región de enlace ayuda a que el módulo LDLa se dirija hacia las asas extracelulares de TM para activar al receptor, conjuntamente con la región N-terminal de la cadena A  del INSL3. El INSL3 activa al receptor RXFP2 causando el acoplamiento a la subunidad G_αs, la cual activa a la AC e incrementa los niveles de cAMP. Este mecanismo de señalización ha sido demostrado en células de Leydig de ratón, células del gubernáculo de rata y osteoblastos humanos. La fosforilación de MAPK y ERK  vía ruta AC/cAMP/proteína quinasa A (PKA) ha sido demostrada en  osteoblastos humanos. En células germinales de ratas hembras y machos, la activación del RXFP2 por el INSL3  causa el acoplamiento a la subunidad G_αoB, la cual inhibe a la AC y disminuye los niveles de cAMP.

   En los órganos reproductivos masculinos de mamíferos, el INSL3 es producido principalmente en las células de Leydig del testículo y el RXFP2 es expresado a nivel testicular en las células de Leydig y en las células germinales, especialmente en el estadio post-meiosis.  El INSL3 es considerado un indicador de la función normal de las células de Leydig y de la salud reproductiva en hombres. El feto masculino humano produce INSL3 durante la gestación (aproximadamente 0,12 ng/ml en líquido amniótico). Después del nacimiento, este nivel de INSL3 circulante se mantiene hasta la edad de tres meses cuando comienza a descender. El nivel de INSL3 aumenta nuevamente en la pubertad y se mantiene entre 0,5 y 1,0 ng/ml en el hombre adulto. Durante la pubertad, la hormona luteinizante (LH) maneja la maduración de las células de Leydig, lo cual coincide con un aumento en la producción de INSL3 que se correlaciona positivamente  con un incremento de hormona estimulante del folículo (FSH), LH y testosterona. Los bajos niveles plasmáticos de INSL3 son una característica de hombres orquidectomizados, hombres infértiles, individuos con síndrome de Klinefelter, hipogonadismo hipogonadotrópico y criptorquidismo. Los hombres con anorquismo no tienen niveles detectables de INSL3. Para investigar la correlación entre INSL3 y LH, sujetos con orquiectomía unilateral fueron tratados con una dosis simple de gonadotropina coriónica humana (hCG), resultando en elevados niveles de testosterona tres días después del tratamiento, pero sin impactar los niveles de INSL3. Sin embargo, cuando los sujetos con hipogonadismo hipogonadotrópico fueron tratados con dosis repetidas de hCG por varios meses, incrementaron los niveles de INSL3. De acuerdo con estos hallazgos, sujetos normales privados de gonadotropina tienen niveles disminuidos de INSL3.    Por otra parte, la estimulación directa de las células de Leydig con hCG in vitro no incrementa la expresión de INSL3. Estos hallazgos sugieren que la estimulación de larga duración con LH es requerida para la expresión de INSL3 pero la producción de testosterona no es co-regulada con INSL3 en las células de Leydig maduras.

   El descenso testicular durante la embriogénesis consiste de una fase transabdominal seguida por una fase inguinoescrotal. El sistema INSL3/RXFP2 tiene un rol determinante en el desarrollo del ligamento del gubernaculum   y el descenso testicular durante la fase transabdominal. La fase inguinoescrotal del descenso testicular es mediada por andrógenos, pero los estudios también sugieren un posible sinergismo con el sistema INSL3/RXFP2 durante esta fase. Los ratones adultos INSL3^-/- muestran tamaño testicular disminuido, lesiones en los túbulos seminíferos, ausencia de espermátides y espermatozoides maduros y pobre desarrollo del gubernaculum.

   La señal INSL3/RXFP2 induce las rutas Wnt y BMP y maneja los cambios morfogenéticos en el gubernaculum. La disrupción de la expresión normal de RXFP2 en ratones resulta en insuficiencia de los testículos para descender hacia el polo caudal del riñón, así como también un bajo desarrollo del gubernaculum. Aunque los estudios en ratones demuestran que la carencia de Insl3 y Rxfp2 no parece tener un impacto directo sobre la espermatogénesis o la supervivencia de las células germinales, otros estudios reportan una relación entre niveles de INSL3 y mejoría de la supervivencia de las células germinales. Los estudios en ratas machos sugieren que el INSL3 puede prevenir la apoptosis de células germinales masculinas, especialmente cuando la espermatogénesis se lleva a cabo bajo condiciones de estrés. Los estudios en ratas también demuestran que el INSL3 puede pasar a través de la barrera  hematoencefálica y proteger a las células germinales de la apoptosis inducida por antagonistas de la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH). Los estudios clínicos en pacientes con criptorquidia han identificado docenas de mutaciones en los genes INSL3 y RXFP2.

   En las hembras, el INSL3 es producido primariamente en las células de la teca interna de los folículos ováricos, donde también es expresado el RXFP2. Bajos niveles de INSL3 y de la expresión de RXFP2 han sido detectados en el cuerpo lúteo y el útero. En mujeres sanas, el INSL3 se detecta en los estadios tardíos de la pubertad y los niveles plasmáticos se mantienen alrededor de 79 pg/ml. Los niveles de INSL3 en mujeres fluctúan de una manera fásica a través del ciclo menstrual y son indetectables después de la menopausia. La secreción de INSL3 alcanza los niveles más bajos durante la menstruación y los mayores niveles se observan durante la fase folicular del ciclo menstrual en concordancia con el reclutamiento de folículos antrales en crecimiento. Los niveles más altos de INSL3 se correlacionan positivamente con las hormonas ováricas preovulatorias como hormona antimülleriana (AMH) e inhibina B. El pico de LH durante la ovulación se correlaciona negativamente con los niveles de INSL3 y  hormonas preovulatorias. Varios estudios revelan que la producción de INSL3 es estimulada en la fase folicular por LH y estradiol a través de la ruta PKA. Estos estudios demuestran que la producción de INSL3 inducida por estrógenos y LH es un mediador clave durante la esteroidogénesis de la fase folicular, pero que el pico de LH en la ovulación regula negativamente la producción de INSL3.

   Los niveles anormales de INSL3 han sido reportados en mujeres con PCOS. Las pacientes con PCOS se clasifican por sus ciclos menstruales en amenorreicas, eumenorreicas y oligomenorreicas. Los grupos  de pacientes amenorreicas y oligomenorreicas tienen niveles significativamente altos de INSL3 y AMH en comparación con las mujeres controles, lo cual sugiere un potencial rol en la alteración de la foliculogénesis y la anovulación que se observan en esta enfermedad. Un estudio reciente sugiere que el polimorfismo T60A del gen INSL3 podría incrementar el riesgo de desarrollar PCOS.  

   La señal INSL3/RXFP2 juega un rol en el mantenimiento de las características óseas normales en ratones y humanos. Los hombres jóvenes con criptorquidismo portadores de la mutación T222P en el gen RXFP2 tienen significativamente reducida la densidad ósea, lo cual resulta en osteopenia y osteoporosis. La expresión de RXFP2 ha sido demostrada en osteoblastos y osteocitos humanos y en osteoblastos de ratón. El tratamiento de osteoblastos humanos con INSL3 resulta en un incremento dosis-dependiente en la proliferación celular y en la mineralización de la matriz ósea. El INSL3 regula la expresión de genes involucrados en la diferenciación y maduración de osteoblastos, como ALP, COL1A1, COL6A1 y osteonectina. La disminución de los niveles de INSL3 en pacientes con síndrome de Klinefelter se correlaciona con un incremento en los niveles plasmáticos de esclerostina, la cual está involucrada en el catabolismo óseo a través de  la inhibición de la diferenciación de osteoblastos y la estimulación de la activación de osteoclastos. La correlación negativa entre INSL3 y esclerostina apoya el impacto del INSL3 sobre la salud ósea  y su potencial valor terapéutico.  

   El RXFP2 también tiene un importante rol  en el adecuado mantenimiento de la función del tejido muscular. El tratamiento con INSL3 de miotubos diferenciados de células musculares esqueléticas resulta en un incremento en el tamaño celular en comparación con los controles no tratados. La expresión de la cadena pesada de miosina puede ser  inducida por el INSL3, lo cual provoca un incremento en la síntesis de proteínas en estas células. El rol emergente de la señal INSL3/RXFP2 en el sistema musculoesquelético revela nuevos blancos potenciales para el INSL3 y los agonistas de RXFP2 sintéticos en el tratamiento de enfermedades asociadas con pérdida ósea y muscular. 

   En el cerebro de ratas adultas, la expresión del gen Rxfp2 ha sido identificada en el tálamo, la corteza frontal y la corteza motora, sugiriendo un potencial rol del sistema INSL3/RXFP2 en las funciones motoras y sensoriales del cerebro. Adicionalmente, INSL3 y RXFP2 han sido reportados en la superficie ocular y las lágrimas y pueden jugar un rol en el ojo,  En un  modelo de ulcera corneal de ratón, la aplicación tópica de INSL3 resultó efectiva en la re-epitelización y cicatrización de la herida corneal. Por otra parte, en el riñón, el INSL3 inhibe la proliferación celular en los glomérulos, lo cual puede ser beneficioso en enfermedades glomerulares asociadas con proliferación descontrolada de células mesangiales.

   El sistema INSL3/RXFP2 ha sido examinado en la patología del cáncer. La hibridización in situ y la inmunoreactividad del INSL3 han sido demostradas en hiperplasia benigna y neoplasia de próstata. La estimulación de células de carcinoma de próstata humana con INSL3 resulta en producción de cAMP que muestra una correlación positiva con un incremento en la migración de células. La expresión de INSL3 también ha sido detectada en carcinoma tiroideo humano. El tratamiento in vitro de estas células tumorales con INSL3 incrementa su movilidad, lo cual es indicativo de aumento de la capacidad de metástasis del tumor.

   En conclusión, el INSL3 es el único ligando fisiológico conocido del RXFP2. En los mamíferos, el INSL3 es producido primariamente en las células de Leydig del testículo y las células tecales del ovario, pero los niveles circulantes de la hormona son mayores en los varones que en las hembras. El sistema INSL3/RXFP2 tiene un rol esencial en el desarrollo del gubernaculum para fase intraabdominal del descenso del testículo y en el mantenimiento de la salud reproductiva masculina. Aunque su función en la fisiología reproductiva femenina ha sido menos caracterizada, está demostrado que la alteración del INSL3 afecta el desarrollo de folículos antrales durante la fase folicular del ciclo menstrual. Estudios recientes sugieren que el sistema INSL3/RXFP2  también es importante en otros órganos como músculo esquelético, hueso, riñón, cerebro, tiroides y ojo.

Fuente: Esteban-López M, Agoulnik A (2020). Diverse functions of  insulin-like 3 peptide. Journal of Endocrinology 247: R1-R12.

 

Biología de la lactoferrina

La lactoferrina (LF) o lactotransferrina es producida por el cuerpo como una secreción de glándulas exocrinas  (como leche materna o lagrimas) y gránulos de neutrófilos humanos. La LF también puede ser ingerida como un nutriente que se encuentra en la leche de mamíferos y actúa como un nutracéutico o nutriente funcional.

   La LF humana es una proteína glucosilada catiónica de 691 aminoácidos, plegada en dos lóbulos globulares (80 kDa) que están conectados por una α-hélice. La LF bovina contiene 689 aminoácidos. La LF fue descubierta y aislada de leche bovina en 1939 y es miembro de la familia transferrina (60% de secuencia de aminoácidos  idéntica con la transferrina sérica). LF y transferrina tienen similares composiciones de aminoácidos, estructura secundaria (incluyendo sus enlaces disulfuro) y terciaria, aunque difieren en términos  de funciones biológicas. Hay tres isoformas diferentes de LF: LF-α es la isoforma que se une al hierro,  mientras LF-β y LF-g tienen actividad ribonucleasa pero no se unen al hierro. La LF  unida al hierro es referida como hololactoferrina y cuando está libre de hierro, apolactoferrina. La estructura terciaria de las dos formas  son significativamente diferentes: la apolactoferrina se caracteriza por una conformación abierta del lóbulo N y una conformación cerrada del lóbulo C, mientras en la hololactoferrina, los dos lóbulos son cerrados. La LF humana y LF bovina poseen una alta secuencia homóloga y tienen actividades    antibacteriana, antimicótica, antiviral, antiparasitaria, antiinflamatoria e inmunomoduladora similares. En consecuencia, es  común usar la forma bovina más que la forma humana recombinante como suplemento. La LF bovina es generalmente reconocida como una sustancia segura por la Food and Drug Administration (FDA, USA) y comercialmente está disponible en grandes cantidades.

   Debido a su similitud con la transferrina, la principal molécula transportadora de hierro en el plasma, la LF-α posee la capacidad de unirse al hierro y puede quelar dos iones férricos (Fe³⁺). La LF une un átomo de hierro férrico en cada uno de sus dos lóbulos. Un atributo importante de la LF es que no libera su hierro, aun a pH 3,5. Esta propiedad asegura que la LF conserve el hierro en el tejido infectado donde generalmente el pH es ácido, lo cual limita la disponibilidad de hierro para los microbios. 

   En los individuos sanos, el hierro es predominante intracelular y secuestrado por la ferritina, o también  como cofactor de citocromos y proteínas FeS y en forma de hemo en la hemoglobina en los eritrocitos. El hierro circulante es tomado rápidamente por la transferrina. Cuando ocurre lisis de eritrocitos y la hemoglobina o el hemo son liberados en la circulación sanguínea, la hemoglobina es capturada por la haptoglobina y el hemo por la hemopexina. En este contexto, la ceruloplasmina ferroxidasa es importante porque la LF puede unirse a la ceruloplasmina y es posible una transferencia directa de hierro férrico entre las dos proteínas. La transferencia de ion férrico  previene la formación de radicales hidroxilos potencialmente tóxicos y la utilización de hierro por las bacterias patógenas. Por tanto, la LF juega un papel importante previniendo que las bacterias adquieran y secuestren el hierro que requieren para su crecimiento y virulencia. La LF también actúa como biomarcador y comúnmente es regulada al alza cuando el huésped sufre de varias clases de enfermedad.

   La LF ejerce sus principales actividades  biológicas mediante la interacción con receptores en las células blanco. En efecto, hay muchos receptores de LF, los cuales han sido detectados en múltiples tejidos y tipos de células, incluyendo células epiteliales intestinales y linfocitos. Los receptores que unen LF incluyen: CD14, proteína relacionada con el receptor de LDL-1 (LRP-1/CD91), intelectina-1 (omentina-1), receptor similar a Toll 2 y 4 (TLR4) y receptor de citoquina 4 (CXCR4). La LF también se une a heparan sulfato proteoglucanos (HSPG), los cuales son moléculas de la superficie celular y la matriz extracelular, y están compuestos por una proteína unida covalentemente a cadenas de glucosaminoglucano (GAG). Estos receptores se expresan en diferentes niveles en varios tejidos, pero la intelectina-1 solamente es expresada en intestino. La entrada de bacterias, productos bacterianos o virus en las células huéspedes también pude ocurrir a través de algunos de estos receptores. Esta unión evoca sistemas de señales y rutas que involucran, entre otros, a la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK), NFκB, proteína activadora-1 (AP-1) y varios factores reguladores de interferón (IRF). Durante la infección, la activación de estas rutas de señalización resulta en una respuesta celular con múltiples componentes citoplasmáticos que en última instancia provocan la activación de una compleja red biomolecular. La fosforilación de sustratos relevantes (enzimas, microtúbulos, histonas y factores de transcripción) juega un rol crucial en la respuesta celular del huésped.

   Los virus y las bacterias interactúan con –y se unen a- HSPG, usando a este proteoglucano como entrada a la célula. La LF actúa como un elemento importante en los mecanismos de defensa del huésped uniéndose a  los receptores, pero también uniéndose a HSPG. Esta capacidad de unión permite a la LF competir con estas moléculas por la ocupación de  los receptores y, por tanto, juega un rol vital en la inmunidad del huésped. La LF también sirve para prevenir la nefrotoxicidad de, por ejemplo, la cisplatina.

   Las moléculas pequeñas requieren de transportadores de solutos de la familia SLC para su captación. La LF, como proteína, es muy grande para esta ruta y en cambio atraviesa la pared del tracto gastrointestinal a través de células epiteliales, especialmente en las placas de Peyer cuando está encapsulada en liposomas, y a la sangre mediante endocitosis. Esta captación ocurre principalmente  por los vasos linfáticos más que por la circulación porta. La LF también puede entrar y ser reabsorbida a partir de la bilis. La LF de la sangre es transportada en el SNC a través del líquido cerebroespinal y la barrera hematoencefálica.

   La LF liberada por los neutrófilos juega un rol importante en la defensa del huésped. La LF también puede aumentar la actividad de las células killer naturales en la defensa inmune y puede restringir la entrada de virus en las células del huésped durante la infección. 10⁶ neutrófilos humanos pueden liberar 15 µg de LF.  Como parte de la respuesta inflamatoria del huésped, los leucocitos,  incluyendo neutrófilos, liberan LF de sus gránulos donde normalmente es almacenada. Los neutrófilos activados también liberan fibras de cromatina, conocidas como trampas extracelulares de neutrófilos (NET), las cuales atrapan y matan bacterias. Estas NET modulan la inflamación aguda y crónica. Las NET también se encuentran en varias condiciones autoinmunes como artritis reumatoidea y lupus eritematoso sistémico. Las fibras NET, además de ADN e histonas, contienen proteínas extranucleares como elastasa, mieloperoxidasa (MPO) y LF. La LF también puede servir como inhibidor intrínseco de NET liberadas en la circulación sanguínea y, por tanto, controlar la liberación de NET.

   La LF es conocida por sus propiedades antibacteriana, antiviral, antimicótica, anti-inflamatoria y anti-carcinogénica. La capacidad de la LF para limitar la disponibilidad de hierro a los microbios es una de sus propiedades antibacterianas cruciales. Sin embargo, las bacterias han desarrollado varias maneras de secuestrar hierro. Las bacterias adquieren hierro a través del reconocimiento mediado por receptor de transferrina, hemopexina, hemoglobina, complejo hemoglobina-haptoglobina y LF. Adicionalmente, las bacterias a través de sideroporos pueden obtener hierro directamente removiéndolo de transferrina, LF o ferritina. El complejo hierro-sideroporo es luego reconocido por receptores de la bacteria. Las funciones inmunes innatas del huésped son apoyadas por la proteína circulante, siderocalina, también conocida como lipocalina asociada a gelatinasa de neutrófilo (NGAL), lipocalina2 o Lcn2, la cual inhibe la adquisición de hierro mediada por sideroporos.

   Aunque la LF tiene varias maneras de contrarrestar las bacterias como parte de su función inmune, también puede ser secuestrada para beneficiar las actividades de las bacterias. Las bacterias pueden remover el hierro férrico de la LF. Este proceso involucra (1) la síntesis de queladores de ion férrico de alta afinidad, (2) la adquisición de hierro de la LF mediada por receptores de la superficie bacteriana, (3) la adquisición de hierro a través de reductasas que reducen iones férricos a ferrosos.

   Varias bacterias Gram-negativas, incluyendo miembros de los géneros Neisseria y Moraxella, han desarrollado sistemas de dos componentes que pueden extraer el hierro de la LF y la ferritina del huésped. Mientras la mayoría de bacterias patógenas adquieren hierro emplean sideroporos para quelar y secuestrar hierro, la Neisseria ha desarrollado una serie de proteínas transportadoras que secuestran directamente el hierro de LF, transferrina y hemoglobina. El sistema comprende un transportador  unido a la membrana que extrae y transporta el hierro a través de la membrana externa y una lipoproteína que maneja LF/ferritina cargadas de hierro hacia el transportador.  Sin embargo, más del 90% de la LF en la leche humana está en la forma de apolactoferritina, la cual compite con la bacteria siderofílica por el ion férrico y altera la proliferación de estos microbios y otros patógenos.

   La LF tiene actividad contra un amplio espectro de virus ADN y ARN e inhibe la entrada de partículas virales en las células del huésped  adhiriéndose directamente a las partículas virales o bloqueando sus receptores celulares. La LF previene la entrada a las células del huésped de virus como herpes simplex virus, papilomavirus humano, virus de inmunodeficiencia humana (VIH) y rotavirus. Estos virus utilizan moléculas comunes en la membrana celular para facilitar su invasión en las células, incluyendo HSPG. Los HSPG proporcionan el primer sitio de anclaje en la superficie celular y ayudan al virus a hacer el primer contacto con las células del huésped. Los HSPG pueden estar unidos a la membrana o en vesículas secretoras y en la matriz extracelular. La LF es capaz de prevenir la internalización de algunos virus uniéndose a HSPG.

   En conclusión, la LF es un nutriente que se encuentra en la leche de mamíferos que tiene beneficios inmunológicos así como también un importante rol antibacteriano y antiviral. La unión de la LF a los HSPG previene el primer contacto entre los virus y las células del huésped y, por tanto, previene la infección posterior. La LF aumenta la actividad de las células killer naturales, estimula la agregación y adhesión de neutrófilos en la defensa inmune y puede restringir la entrada de virus en las células del huésped durante la infección.

Fuente: kell DB et al (2020).  The biology of lactoferrin, an iron-binding protein that can help defend againts viruses and  bacteria. Frontiers in Immunology 11: 1221.