El rol de los andrógenos en mujeres

Los estrógenos son las principales hormonas sexuales responsables de la maduración reproductiva y las características sexuales femeninas. Sin embargo, los andrógenos también son importantes para la salud sexual femenina y el bienestar de la mujer. Los efectos fisiológicos de los andrógenos, en parte, se deben a su rol como precursores de la síntesis de estrógenos, pero estas hormonas también tienen efectos independientes sobre los tejidos reproductivos femeninos, la cognición, las mamas, los huesos, los músculos, los vasos sanguíneos y otros sistemas.

   Los andrógenos biológicamente activos en mujeres son: sulfato de dehidroepiandrosterona (DHEA-S), dehidroepiandrosterona (DHEA), androstenediona, testosterona y dihidrotestosterona. En mujeres, aproximadamente 25% de la producción de andrógenos ocurre en las glándulas adrenales, 25% en los ovarios y el resto ocurre periféricamente. DHEAS-S, DHEA y androstenediona son las principales prohormonas que periféricamente son convertidas en los andrógenos activos: testosterona y dihidrotestosterona. El DHEA-S es producido casi exclusivamente en las glándulas adrenales, mientras DHEA, androstenediona y testosterona son producidas en las glándulas adrenales, los ovarios y por conversión periférica. En los tejidos blancos de los andrógenos, la testosterona es convertida en dihidrotestosterona, por la enzima 5α-reductasa,  y también aromatizada a estradiol.

   Los niveles de andrógenos disminuyen con la edad a través de  la vida de una mujer, comenzando a partir de los 30 años. La menopausia no está asociada con una rápida disminución de la producción de andrógenos; el ovario postmenopáusico es hormonalmente activo con 40-50% de la producción postmenopáusica de testosterona. Consecuentemente, las mujeres con ooforectomía bilateral tienen una marcada disminución en los niveles circulantes de testosterona, aunque las concentraciones en suero de DHEA y androstenediona se mantienen estables debido a la compensación adrenal. Diez años después del inicio de la menopausia, los niveles circulantes de testosterona y androstenediona son la mitad de los niveles en la perimenopausia.

   En la circulación, la testosterona se encuentra libre o unida a albúmina. Los niveles de testosterona total también incluyen la testosterona inactiva, la cual está unida a la globulina ligadora de hormonas sexuales (SHBG), una proteína sintetizada en el hígado con una alta afinidad por los esteroides sexuales. Las condiciones que incrementan o disminuyen la SHBG afectan inversamente los niveles circulantes de testosterona libre, la forma activa de la hormona.

   La conversión periférica de las hormonas precursoras en testosterona activa es tejido-específica y depende de la expresión de receptores en la célula y también de la actividad de las enzimas convertidoras. La medición de la concentración en suero de testosterona no se correlaciona con la producción de andrógenos en tejidos periféricos o la sensibilidad del receptor tisular. Por tanto, los efectos de los andrógenos sobre los tejidos del cuerpo son complejos y no hay niveles absolutos de testosterona que definan la “deficiencia de andrógenos”.  En mujeres, los bajos niveles de testosterona en suero deben ser interpretados con precaución. Los ensayos con cromatografía líquida o de gas y la  espectrometría de masa son métodos de laboratorio confiables y seguros para la medición de testosterona total y proporcionan resultados reproducibles. Por el contrario, los radioinmunoensayos para medir testosterona son considerablemente menos seguros. Los ensayos con saliva no son sensibles ni específicos  y no son recomendables para uso clínico. La medición de DHEA-S en suero es la más confiable para conocer la producción adrenal de andrógenos.

   Los efectos de los esteroides sexuales sobre el sistema cardiovascular no son completamente entendidos. Similar a los beneficios vasculares de los estrógenos durante los años de la premenopausia (promoción de vasodilatación, limitación de la progresión de la placa ateroesclerótica, reducción de la inflamación), la testosterona actúa directamente sobre los vasos sanguíneos de una manera dependiente de concentración, e indirectamente después de su conversión en estradiol. En niveles fisiológicos, la testosterona aumenta la producción de óxido nítrico e influye sobre los canales de potasio y calcio, provocando relajación vascular. Los bajos niveles de testosterona han sido asociados con consecuencias cardiovasculares desfavorables. Sin embargo, la testosterona promueve vasoconstricción en niveles supra fisiológicos. Una alta relación testosterona/estrógenos se correlaciona con un mayor riesgo de insuficiencia cardiaca y enfermedad cardiaca coronaria, mientras los altos niveles de estrógenos tienen un efecto protector. La testosterona oral está asociada con incremento en lipoproteínas de baja densidad colesterol y disminución de lipoproteínas de alta densidad colesterol y triglicéridos. La terapia con testosterona (oral o transdérmica) no afecta significativamente los marcadores glucémicos, la presión sanguínea, el índice de masa corporal o el hematocrito cuando los niveles de testosterona se mantienen en los rangos fisiológicos normales.

   La dihidrotestosterona es el andrógeno más potente que actúa sobre los folículos pilosos. Las mujeres con pérdida de cabello tienen a tener una relación andrógenos/estrógenos alta. La activación de receptores de andrógenos en folículos pilosos de mentón, mejillas y labio superior provoca crecimiento del vello o hirsutismo. En mujeres con síndrome de ovarios poliquísticos, el hirsutismo puede estar relacionado con un exceso en la producción de testosterona en los ovarios, mientras la mayoría de mujeres con hirsutismo idiopático tienen niveles normales de andrógenos en suero, sugiriendo una exagerada actividad de la 5α-reductasa. Los andrógenos estimulan el crecimiento y la función secretora de las glándulas sebáceas provocando un incremento en la producción de sebo que, a su vez, proporciona un medio de crecimiento para Cutibacterium acnés. Aunque la mayoría de mujeres con acné tienen niveles normales de andrógenos en suero, un meta-análisis reporta que el riesgo de acné es de 7%  en las mujeres con terapia de testosterona. 

   El cerebro, como muchos órganos, es afectado por las hormonas ováricas. Los estudios demuestran que estrógenos y andrógenos tienen efectos anti-inflamatorios y protectores en el cerebro. Hay receptores de andrógenos a través del sistema nervioso central con acciones que afectan el deseo sexual, la termorregulación, la cognición, el sueño y el lenguaje. Un estudio sobre los efectos protectores de los esteroides sexuales en la enfermedad de Alzheimer sugiere que la testosterona reduce el estrés oxidativo y la acumulación de beta amiloide en el cerebro y acelera la regeneración nerviosa. Aunque pocos estudios han evaluado los efectos de la terapia con testosterona sobre la cognición, los datos disponibles no sugieren efectos negativos de la terapia con testosterona sobre la cognición y el bienestar en mujeres postmenopáusicas. Un estudios con mujeres postmenopáusicas que recibieron testosterona transdérmica (300 µg/día) durante 26 semanas mostraron una mejoría significativa en el aprendizaje verbal y la memoria.

   Los receptores de andrógenos están en los osteoblastos. Los bajos niveles endógenos de andrógenos en mujeres postmenopáusicas han sido asociados con baja masa ósea e incremento en el riesgo de fracturas de vertebras y cadera. Por el contrario, altos niveles de testosterona libre en mujeres postmenopáusicas han sido asociados con menor riesgo de fractura de cadera. El estudio The Testosterone Dose Response in Surgically Menopausal Women en mujeres histerectomizadas, con o sin ooforectomía, demostró que las mujeres recipientes de testosterona mejoraban la masa corporal magra y el rendimiento muscular de una manera dosis-dependiente, con mayor mejoría en mujeres que recibieron dosis supra fisiológicas en comparación con mujeres que recibieron placebo. Por el contrario, otros estudios no encontraron efectos sobre la masa corporal magra, la grasa corporal total o la fuerza muscular cuando la testosterona es administrada en dosis fisiológicas. Es  difícil sacar conclusiones definitivas, dado que los estudios son pequeños y conducidos en mujeres con terapia con estrógenos concomitante.

   El tejido mamario tiene abundantes niveles de aromatasa; por tanto, en teoría, la testosterona puede tener efectos proliferativos indirectos sobre la mama al ser convertida en estrógenos. Sin embargo, los estudios in vitro e in vivo en primates demuestran que el efecto de la testosterona sobre el tejido mamario es anti-proliferativo y pro-apoptosis, con inhibición del receptor de estrógenos alfa así como también crecimiento de células de cáncer de mama. Estos efectos dependen grandemente del tipo y dosis de la terapia con andrógenos y de la línea  de células de cáncer de mama. Un estudio de cuatro años de duración con 900 mujeres (20-70 años de edad) con menopausia quirúrgica que recibieron 300 µg/día de testosterona transdérmica, reporta tres casos de cáncer de mama invasivo durante el tiempo del estudio, consistente con la tasa de cáncer de mama de la población.

   La terapia con andrógenos posee un potencial riesgo de hiperplasia endometrial. Sin embargo, con niveles fisiológicos, el riesgo parece ser muy bajo porque los niveles de expresión endometrial de aromatasa son bajos. Hasta ahora, los estudios no demuestran alguna evidencia de estimulación endometrial con la terapia con andrógenos en mujeres postmenopáusicas.

   Los síntomas de “insuficiencia de andrógenos femenina” han sido descritos popularmente e incluyen disfunción sexual, fatiga crónica y disminución del sentido de bienestar. Sin embargo, los bajos niveles de andrógenos no se correlacionan confiablemente con un síndrome clínicamente definido. Aún entre mujeres ooforectomizadas, una disminución en el nivel de andrógenos en suero no se correlaciona consistentemente  con los síntomas clínicos. La carencia de congruencia entre los ensayos de laboratorio también limita el desarrollo de criterios bioquímicos para el diagnóstico de insuficiencia de andrógenos en mujeres. Por estas y otras razones, la Endocrine Society se pronuncia en contra del diagnóstico “deficiencia de andrógenos femenina” o el uso de testosterona para tratar los estados de bajos niveles de andrógenos en mujeres. No hay evidencia para apoyar la terapia con testosterona para mujeres con síntomas vasomotores, alteraciones de la salud ósea o cardiovascular o disfunción metabólica. Es importante tener presente que numerosas condiciones médicas, así como algunos medicamentos pueden resultar en bajos niveles de andrógenos en las mujeres.

   La única indicación basada en evidencias para terapia con testosterona en mujeres es el tratamiento del deseo sexual hipoactivo después de la menopausia. Actualmente, ninguna formulación de testosterona para mujeres ha sido aprobada por la US Food and Drug Administration (FDA), aunque el DHEA vaginal (prasterone), el cual mejora la maduración celular y el pH, ha sido aprobado para el tratamiento de la dispareunia moderada o severa. En la vagina, los receptores de andrógenos y estrógenos están presentes en la mucosa, submucosa, estroma, músculo liso (vagina, uretra y vejiga) y endotelio vascular. Los andrógenos regulan la producción de mucina en las células epiteliales de la vagina, mejoran el flujo sanguíneo a través del incremento de óxido nítrico e influyen en el contenido de neurotransmisores y la densidad nerviosa. Hay una correlación positiva entre niveles de testosterona y volumen de tejido uretrovaginal.

   En conclusión, los andrógenos juegan un importante rol fisiológico en las mujeres y pueden promover la salud sexual. Los andrógenos testosterona y DHEA tienen importantes roles fisiológicos en los tejidos reproductivos, la mama, los huesos, los músculos esqueléticos, los vasos sanguíneos y otros sistemas. El síndrome deficiencia de andrógenos femenina no está bien definido y la interpretación de niveles de andrógenos y sus efectos fisiológicos es compleja. Actualmente, la única indicación basada en evidencia para la terapia con testosterona en mujeres es el tratamiento del deseo sexual hipoactivo en mujeres postmenopáusicas. La evidencia sugiere que la terapia con testosterona en mujeres está asociada con pocos eventos adversos cuando los niveles se mantienen en los rangos fisiológicos. Cuando se ofrece el tratamiento con testosterona, la preparación transdérmica es el método preferido y los niveles de testosterona deben ser monitoreados antes y durante el tratamiento para asegurar dosis fisiológicas.

Fuente: Smith T, Batur P (2021). Prescribing testosterone and DHEA: the role of androgens in women. Cleveland Clinic Journal of Medicine 88: 35-43.

 

Amilina y calcitonina en enfermedades metabólicas

La esteatosis hepática es considerada la manifestación hepática del síndrome metabólico. En paralelo con el incremento de obesidad y las enfermedades relacionadas, la enfermedad hepática grasa no alcohólica (NAFLD) es actualmente la enfermedad hepática de mayor distribución en el mundo. La reducción de peso es actualmente la estrategia más efectiva para mejorar las consecuencias de la esteatosis y la NAFLD y varias medicaciones anti-obesidad han demostrado que mejoraran el contenido hepático de grasa. Estudios preclínicos  recientes en ratas han demostrado que la pérdida de peso corporal con la administración de  agonistas del receptor de amilina y calcitonina (DACRA) reduce la  esteatosis hepática.

   La NAFLD es definida por un incremento en el contenido de grasa en el hígado (>5%) sin un significativo consumo de alcohol o esteatosis causada por otros mecanismos (por ejemplo, medicaciones, hepatitis, autoinmunidad o enfermedades hereditarias). La NAFLD cubre un espectro de estados, desde la simple acumulación de grasa en el hígado hasta la esteatohepatitis no alcohólica (NASH) con inflamación y, en última instancia,  fibrosis y cirrosis. Recientemente, el término “enfermedad hepática grasa asociada metabólica (MASH)” ha sido propuesto como una definición unificadora de esteatosis hepática en individuos con sobrepeso/obesidad, desregulación metabólica  y/o diabetes tipo 2. Esta definición reconoce la importancia de la obesidad y la resistencia a la insulina, más que la ausencia de consumo excesivo de alcohol, como un factor causal para el desarrollo de esteatosis hepática. Aun en prediabetes, el incremento en el contenido de grasa en el hígado es una característica central. La acumulación de grasa en el hígado puede facilitar la resistencia a la insulina y el glucagón, importantes características fisiopatológicas de la diabetes tipo 2. La resistencia a la insulina es considerada como un disparador de la esteatosis hepática a través del incremento de la lipogénesis hepática y la exagerada lipolisis tisular que, en última instancia, incrementan la acumulación de ácidos grasos en el hígado. Actualmente, la cirugía bariátrica es la terapia más efectiva para perder peso corporal, pero es costosa, asociada con riesgo de complicaciones y no todos los pacientes son elegibles para la cirugía. Por tanto, las farmacoterapias para reducir peso corporal son cada día más utilizadas y la amilina y los DACRA emergen como potenciales drogas anti-obesidad, especialmente en combinación con otros péptidos gastrointestinales.

   La amilina es un péptido de 37 aminoácidos producido principalmente en las células beta del páncreas y co-secretado con la insulina en respuesta a la ingesta de alimentos. La hormona amilina tiene un rol bien  establecido como una señal de  saciedad, un efecto que es mediado por acción directa sobre receptores de amilina en áreas específicas del cerebro; por ejemplo, el área postrema y el núcleo del tracto solitario. La amilina también es un eficaz inhibidor del vaciamiento gástrico, lo cual facilita la saciedad, y puede suprimir la secreción de glucagón vía mecanismos centrales. Hay varios isotipos de receptor de amilina, los cuales son receptores acoplados a proteína G con dos unidades, una unidad “core” constituida por receptor de calcitonina (receptor 7-transmembrana) y otra unidad  de tres proteínas que modifican la actividad del receptor (RAMP1-3). La estimulación del receptor de amilina incrementa la producción intracelular de adenosina monofosfato cíclico (cAMP). La distribución tisular del complejo receptor de amilina es difícil de describir por varias razones: 1) la unidad  core tiene dos subunidades que interactúan con RAMP; 2) las RAMP están asociadas con otros receptores distintos al complejo receptor de amilina; 3) hay una carencia de herramientas farmacológicas selectivas y anticuerpos para el complejo RAMP/calcitonina. Los datos actuales indican que varias regiones cerebrales incluyendo el área postrema y el hipotálamo son sitios importantes para la acción de la amilina. Los receptores de amilina no son activados selectivamente solo por la amilina e interactúan indiscriminadamente con otras hormonas de estructura similar (calcitonina, péptido relacionado con el gen  calcitonina y adrenomedulina). La calcitonina, por ejemplo, activa varios subtipos del receptor de amilina. De manera similar, la amilina tiene afinidad por receptores de calcitonina y amilina. Varios antagonistas de receptor de amilina han sido identificados, pero estos compuestos no distinguen entre los subtipos del receptor de amilina. Por tanto, la importancia del receptor individual en mediar las acciones endógenas de la amilina es difícil de establecer.

   Varios estudios indican un rol de la amilina en la regulación hormonal de la ingesta de alimentos y el peso corporal. La amilina tiene varias características de una hormona de la saciedad: 1) es liberada después de la ingesta de alimentos; 2) tiene una vida media corta (~13 minutos) con inicio de acción rápido; 3) disminuye de manera dosis dependiente la ingesta de alimentos cuando es administrada a ratas, principalmente en dosis supra fisiológicas. El rol de la amilina endógena como agente de saciedad es apoyado por la observación que la inyección del antagonista de receptor de amilina AC187 intravenosa o directamente en el área postrema incrementa agudamente la ingesta de alimentos en ratas. Además de su efecto sobre la saciedad, los estudios preclínicos sugieren que la amilina endógena también tiene las características de una señal de adiposidad (un factor hormonal regulador del peso corporal circulante en proporción con la masa grasa corporal) como la insulina y la leptina, con capacidad para incrementar el gasto de energía y disminuir el peso corporal vía mecanismos centrales. Apoyando su rol como señal de adiposidad endógena, el antagonismo agudo y crónico de la amilina con el AC187 tiene el efecto opuesto e incrementa la ingesta de alimentos y el peso corporal de ratas. Como señal de adiposidad, la amilina aumenta el efecto sobre la saciedad de la colecistoquinina (CCK). Esto  es evidenciado por el efecto sinérgico agudo de la co-administración por infusión intraperitoneal de CCK y amilina sobre la ingesta de alimentos en ratones. La infusión subcutánea crónica de amilina reduce el tamaño y la frecuencia de las comidas y concomitantemente pérdida de peso en ratas. En estudios preclínicos, la amilina también interactúa con la leptina en el control del metabolismo energético, apoyando su rol como  señal de saciedad y adiposidad. En individuos obesos, se observa un efecto aditivo sobre la pérdida de peso cuando agonistas de la amilina y la leptina son co-administrados crónicamente. Las propiedades químicas de la amilina humana predisponen a la hormona a la agregación y a formar fibras de amiloide, las cuales a menudo se encuentran en los islotes pancreáticos  de individuos con diabetes tipo 2 y posiblemente contribuyan a la destrucción de las células beta. Por esta razón, las infusiones de amilina humana son difíciles de realizar, a menudo se requieren dosis supra fisiológicas para provocar poco o ningún efecto. Sin embargo, varios análogos de amilina estables  con capacidad para inducir pérdida de peso han sido desarrollados en los últimos años. Los estudios clínicos indican que los niveles de amilina, basales o estimulados por glucosa o comida, son elevados en individuos con obesidad. Esto puede estar relacionado con el rol de la amilina como regulador de la masa corporal, pero también podría ser una manifestación del incremento de la actividad secretora de las células beta del páncreas  que a menudo se observa en la obesidad. Los estudios preclínicos apoyan la noción de elevados niveles de amilina en ratas con obesidad. Esto puede ser un resultado de la disminución de la sensibilidad a la amilina en una situación de hiperamilinemia prolongada, pero actualmente no hay evidencia de esto en humanos.

   La calcitonina es un péptido de 32 aminoácidos derivado de un precursor de 116 aminoácidos, pro-calcitonina, secretado por las células C de la glándula tiroides. La calcitonina media sus efectos vía receptor 7-transmembrana y un incremento en cAMP intracelular. Debido a la interacción con RAMP, la distribución tisular del receptor monomérico de calcitonina es difícil de elaborar, pero los órganos blancos de la calcitonina bien conocidos son los huesos y los riñones. En humanos, la secreción de calcitonina es estimulada por  la ingesta de calcio. La calcitonina tiene un fuerte efecto hipocalcémico vía inhibición de osteoclastos y la promoción de la excreción renal de calcio, presumiblemente por inhibición de la reabsorción tubular de calcio. Desde el descubrimiento de la calcitonina en 1962, el énfasis ha sido  la descripción de su efecto inhibidor sobre los osteoclastos y el incremento en la excreción de calcio en humanos mientras otros efectos fisiológicos no han sido descritos. La calcitonina humana a menudo es considerada una hormona rudimentaria, principalmente debido al hecho que la hipersecreción o la deficiencia de calcitonina no está asociada con anormalidades óseas. Más aún, la forma más potente de calcitonina, derivada de salmón, ha sido la escogencia preferida para el tratamiento de condiciones crónicas de hipercalcemia hasta el surgimiento de drogas anti-resorción ósea  mejores (por ejemplo, bifosfonatos,  denosumab y raloxifen).

   Es difícil evaluar el rol de la calcitonina endógena en las enfermedades metabólicas por varias razones: 1) pocos estudios han aplicado la calcitonina humana a humanos; 2) actualmente no hay disponible antagonistas  selectivos del receptor monomérico de calcitonina; 3) los estudios que aplican la potente calcitonina de salmón revelan también efectos atribuibles a la actividad del  receptor de calcitonina. Las acciones de calcitonina de salmón y humana no son directamente comparables. Las infusiones de calcitonina humana y porcina inhiben la respuesta de la insulina a la administración aguda de glucosa en humanos, pero si este efecto tiene relevancia fisiológica aún no está determinado. En un estudio con 26 sujetos con tolerancia a la glucosa normal, los niveles de calcitonina en suero aumentaron después de ingerir 75 g de glucosa en correlación con los niveles de insulina sugiriendo una posible relación entre insulina y calcitonina. Esto está  de acuerdo con la observación que la insulina estimula directamente la liberación de calcitonina por la glándula tiroides. Adicionalmente, altos niveles endógenos de calcitonina han sido reportados en individuos con obesidad. Por otra parte, la procalcitonina es expresada en tejido adiposo y su expresión está asociada con obesidad, resistencia a la insulina y síndrome metabólico.

   Pramlintide es un análogo de la amilina aprobado por la Food and Drug administration (FDA), desarrollado para individuos con diabetes tipo 1 o diabetes tipo 2 tratada con insulina como terapia adyuvante a la insulina. La pramlintide tiene propiedades farmacológicas comparables con la amilina humana, pero con mayor estabilidad, confiable para administración subcutánea en humanos. La mayor estabilidad se activó introduciendo tres sustituciones de aminoácidos (Pro25,28,29) en la secuencia de la amilina humana. Es un péptido con vida media de 20-45 minutos en humanos que requiere la administración con cada comida para disminuir las excursiones de glucosa postprandial. Además de reducir las excursiones de glucosa plasmática postprandial, la pramlintide disminuye el peso corporal.

   Davanlintide es un péptido de 32 aminoácidos, agonista del receptor de amilina con mayor potencia, eficacia y duración de acción que la amilina. El péptido exhibe 49% de la secuencia de aminoácidos de la amilina de rata. La vida media de la davanlintide es de 26 minutos y reduce el consumo de alimentos en ratas por más de 23 horas, mientras la amilina de rata lo hace por 6 horas. La davanlintide reduce de una manera dosis dependiente el peso corporal y la masa grasa en ratas con aproximadamente 2 veces mayor eficacia que la amilina de rata.

   La amilina ha sido modificada por varios métodos (por ejemplo, agregando un polietilénglicol (PEG), glucosilación o albúmina unida a la molécula) para extender su vida media y reducir la frecuencia de administración  en el uso crónico de la terapia para pérdida de peso. En ratones, la administración subcutánea de PEG-amilina reduce la glucemia con acción prolongada en comparación con la amilina no modificada. En modelos de ratas con diabetes tipo 1, la PEG-amilina previene la hiperglucemia inducida por comida y promueve la normoglucemia sostenida por más de 8 horas después de la inyección del análogo de amilina. Los estudios agudos y crónicos demuestran que los análogos de amilina de larga acción disminuyen el peso corporal y la ingesta de energía en ratas.

   La calcitonina extraída de salmón muestra mayor activación y unión  al receptor en humanos en comparación con la calcitonina humana. Es también superior a la calcitonina de mamíferos con relación a sus efectos hipoglucémicos en ratas y humanos. En estudios con humanos, la calcitonina de salmón inhibe el vaciamiento gástrico y la liberación de gastrina después de una comida mientras relaja la vesícula biliar. En estudios crónicos, las preparaciones orales de calcitonina de salmón reducen la ingesta de alimentos y el peso corporal en modelos de ratas con obesidad y diabetes.  La calcitonina humana y de salmón solo tienen 50% de homología en la secuencia de aminoácidos y los estudios en roedores con antagonistas del receptor de amilina sugieren que el efecto anoréxico de la calcitonina de salmón resulta al menos parcialmente de la activación del receptor de amilina. In vitro, la calcitonina de salmón exhibe mayor afinidad de unión a receptores amilina sin discriminación entre receptores de amilina y calcitonina. En comparación con la calcitonina humana, la calcitonina de salmón también exhibe activación prolongada de los receptores de calcitonina humana. Esto sugiere que la calcitonina de salmón es un agonista dual de receptores de amilina y calcitonina.

   Inspirados por la farmacología de la calcitonina de salmón, se han desarrollado los DACRA para el tratamiento de la obesidad y la diabetes. Los DACRA exhiben igual afinidad y mayor potencia en receptores de amilina y calcitonina que la calcitonina de salmón. Estos péptidos muestran sus efectos sobre el peso corporal y varios parámetros fisiológicos relacionados con  la homeostasis de energía y el metabolismo de la glucosa en modelos de roedores con obesidad y diabetes. En la literatura disponible no está claro en qué grado el receptor de amilina y el receptor de calcitonina median los resultados beneficiosos obtenidos con los DACRA en estudios preclínicos. En un estudio en roedores, comparando la actividad de una molécula DACRA con  amilina, calcitonina y la combinación amilina/calcitonina, la activación del receptor calcitonina no parece ser importante para los efectos de reducción de peso y   estimulación de la saciedad de la molécula DACRA, los cuales primariamente son mediados por el receptor amilina. Por otra parte, amilina y calcitonina tienen efectos aditivos sobre la glucemia en ayuno, sugiriendo que la actividad del receptor calcitonina puede facilitar algunos de los beneficios metabólicos de las moléculas DACRA. 

   En conclusión, una sustancial cantidad de literatura describe los efectos metabólicos beneficiosos de compuestos que activan receptores de amilina y calcitonina, separadamente o en combinación. Estos efectos incluyen pérdida de peso y reducción de la acumulación hepática de lípidos, los cuales son importantes en el tratamiento de la obesidad y la NAFLD. Los datos preclínicos y clínicos  apoyan a la amilina como una hormona anti-obesidad, mientras el rol de la calcitonina en la obesidad se mantiene incierto. No obstante, la calcitonina de salmón, al igual que los nuevos compuestos  como los análogos de la amilina de larga duración y los DACRA, demuestran un potencial como estrategia de tratamiento para la obesidad y condiciones relacionadas como la NAFLD.

Fuente: Mathiesen DS et al (2021). Amylin and calcitonin: potential therapeutic strategies to reduce body weight and liver fat. Frontiers in Endocrinology 11: 617400.

 

La importancia de la leptina para la reproducción

La disponibilidad de alimentos es considerada el factor ambiental más importante que influye en la reproducción de los mamíferos. La reproducción saludable requiere una nutrición adecuada para que los eventos de maduración y el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios se lleven a cabo en el tiempo apropiado. La nutrición materna es requerida para ciclos reproductivos normales que promuevan el desarrollo de gametos femeninos saludables y preparar a la mujer para el embarazo   y la lactancia. La adecuada nutrición también es importante para la receptividad uterina y para asegurar que el espermatozoide pueda alcanzar un oocito viable. La deficiencia nutricional resulta en reducción de la liberación de hormona luteinizante (LH) en respuesta a la estimulación por hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH). En animales, cuando la reproducción ocurre a pesar de la privación nutricional, las consecuencias iniciales son una reducción en el número y/o tamaño de las crías. La deficiencia nutricional severa inhibe la reproducción y la supervivencia inmediata del animal se vuelve prioritaria sobre la reproducción.

   Para responder a los retos nutricionales, las señales metabólicas llevan información al eje hipotálamo-hipófisis-gónada (HHG) sobre el estatus energético. Una de las señales más poderosas es la leptina, el producto de 167 aminoácidos del gen Lep (anteriormente conocido como ob) aislado en 1994 por Zhang y colaboradores. La leptina tiene la distinción de ser el único biomarcador conocido de adiposidad y sus niveles circulantes están en proporción lineal con la masa grasa. El primer rol reconocido de la leptina fue enviar una señal de retroalimentación negativa al cerebro cuando los depósitos de energía son adecuados, resultando en disminución de la ingesta de alimentos e incremento en el gasto de energía. Sin embargo, los estudios de animales que son deficientes en leptina revelan que la leptina también juega un rol dinámico en la reproducción.

   Los estudios en humanos y roedores han demostrado que la transcripción y secreción de leptina en los adipocitos puede ser estimulada por dexametasona y otros glucocorticoides y agonistas del receptor activado por proliferador de peroxisomas-gamma (PPARγ). La leptina es inhibida por catecolaminas, ácidos grasos libres y hormonas tiroideas. Los estudios de ratas reportan que la glucosa y la insulina son estimuladores. La secreción de leptina por adipocitos de ratas machos es estimulada por señales de nutrientes, incluyendo sustratos glucolíticos (glucosa, fructosa o piruvato). Adicionalmente, el aminoácido L-glutamato estimula la leptina, mientras L-aspartato, L-valina, L-metionina y L-fenilalanina potencian la acción de la glucosa. La L-leucina es estimuladora solamente en presencia de glucosa.

   Estudios en el tejido adiposo de humanos adultos, varones o hembras, reportan que la hormona estimulante de la tiroides (TSH) estimula la leptina regulando directamente a los adipocitos. Sin embargo, esos estudios no reportan estimulación por prolactina, adrenocorticotropina (ACTH), hormona folículo-estimulante (FSH) o LH. Como parte de su función lipolítica, la hormona de crecimiento reduce la expresión del gen Lep y la secreción de leptina en adipocitos de bovino o rata. Con respecto a la regulación por hormonas reproductivas, los niveles aumentados de estradiol se correlacionan con aumentos plasmáticos de leptina en mujeres y roedores hembras y el tratamiento con estrógenos estimula la leptina plasmática. Por el contrario, los andrógenos inhiben la expresión de leptina. El tratamiento con testosterona reduce los niveles de leptina en hombres adultos.

   El receptor de la leptina (LEPR), un producto del gen Lepr y miembro de la familia de receptores citoquina clase I, tiene seis isoformas, las cuales pueden ser expresadas en diferentes proporciones dependiendo del tipo de célula y la especie.  Las isoformas LEPR a,b.c,d,f tienen idénticos dominios extracelular y transmembrana, pero difieren en la longitud del fragmento intracelular. Las isoformas cortas (LEPRa,c,d,f) tienen 30-40 residuos y un C-terminal único, sugiriendo roles idénticos. La isoforma LEPRa es ampliamente expresada y puede facilitar la transferencia de leptina a través de la barrera hematoencefálica. La isoforma LEPRe es soluble, secretada en la circulación sanguínea y puede transportar leptina regulando su biodisponibilidad. El LEPR forma dímeros u oligómeros y puede heterodimerizarse en presencia o ausencia de leptina. Los LEPR están distribuidos intracelularmente en las células que son blancos de la leptina, con solo 10-20% de receptores en la superficie extracelular y el resto de moléculas en retículo endoplásmico, trans-Golgi y endosomas, las cuales están disponibles para reciclar los receptores de la membrana plasmática cuando sea necesario.

   La ruta de señalización de la leptina, activada por la isoforma larga LEPRb, mejor caracterizada es la Janus quinasa (JAK)/señal transductor  y activador de la transcripción (STAT 3 y STAT5). La proteína STAT5 ha sido implicada en la competencia reproductiva. Sin embargo, la ablación de  STAT5 y/o STAT3 en las células que expresan LEPR resulta en inicio normal de la pubertad, ciclicidad y fertilidad, sugiriendo que las células del eje HHG procesan la señal leptina a través de múltiples rutas de señalización. Estas rutas de señalización de la leptina involucran a la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK)/quinasa regulada por señal extracelular (ERK) ½, a la fosfoinositol 3 quinasa (PI3K), al blanco de rapamicina de mamíferos (mTOR) y/o óxido nítrico (NO).

   La leptina opera en un estrecho rango de concentración y los elevados niveles de leptina, que se observan en la obesidad, a menudo son acompañados por resistencia a la señal leptina. Este evento multifactorial se centra grandemente en  el tráfico y señal del LEPR e involucra inhibición por retroalimentación vía supresor de señal de citoquina 3 (SOCS3), proteína tirosina fosfatasa 1B y T-cell PTP. La expresión de estos reguladores negativos es elevada en el hipotálamo de animales obesos. La alteración de SOCS3 provoca un aumento de las acciones de la leptina y atenuación de la resistencia a la leptina en modelos de obesidad inducida por dieta.

   La producción de leptina, además de los adipocitos, ha sido detectada en numerosos órganos. La variación en los niveles de leptina puede reflejar la secreción diferencial de estos órganos, o una regulación diferencial de los adipocitos. Sin embargo, hasta el presente ninguna función extra-adipocitos de la leptina ha sido reportada. La ablación de leptina de los adipocitos resulta en niveles plasmáticos de leptina indetectables en ratones neonatos y adultos. Por el contrario, los ratones que carecen de leptina solo en las células somatotropas de la hipófisis no muestran disminución en la leptina plasmática. Estos hallazgos puntualizan a los adipocitos como la principal, sino la única, fuente de leptina circulante y son consistentes con la estrecha asociación entre leptina circulante y adiposidad.

   La asociación entre el incremento prepuberal en los depósitos de grasa y el inicio de la pubertad originalmente sirvió de soporte a la hipótesis que la señal leptina es vital para el inicio de la pubertad. Los reportes que la leptina acelera la pubertad sugerían que la leptina podía ser el blanco metabólico primario, pero ante la falta de  correlación entre los niveles plasmáticos prepuberales de leptina y el inicio de la pubertad en roedores o primates normales se descartó esa hipótesis. Sin embargo, hay evidencia de un aumento de leptina durante el tercer trimestre del embarazo en el feto humano o postnatalmente en roedores. Los estudios demuestran que este aumento en la leptina neonatal no coincide con un incremento en la masa grasa y no está relacionado con la regulación del apetito. Durante este período del desarrollo, la leptina no inhibe la ingesta de alimentos y el aumento de la leptina es crítico porque en los ratones con deficiencia de leptina, la restauración de la maduración y el desarrollo por la leptina ocurre solo si es administrada durante el período neonatal. Los estudios puntualizan la importancia de la señal leptina tempranamente en el desarrollo para la función metabólica y reproductiva en el adulto.

   Los estudios que manipulan el pico neonatal de leptina reportan que puede ser alterado por la  nutrición materna deficiente o la administración de antagonistas de la leptina con diversas consecuencias, incluyendo la inadecuada formación de redes hipotalámicas en la alimentación y respuestas metabólicas disfuncionales. La nutrición materna deficiente bloquea el pico neonatal de leptina, lo cual resulta en efectos perjudiciales para la salud metabólica de las crías. La progenie exhibe sensibilidad a una dieta rica en grasas. Los investigadores encontraron que el bloqueo o la alteración del pico neonatal de leptina disminuyen el crecimiento testicular y los niveles de FSH en ratas machos y el crecimiento ovárico y los niveles de FSH en las hembras. El inicio de la pubertad fue retardado en ambos sexos y la cantidad de  folículos ováricos primordiales reducida en las hembras.  Hubo efectos dependientes de sexo sobre el desarrollo de los circuitos hipotalámicos que regulan la reproducción (especialmente la red kisspeptina).

   La señal leptina ha sido implicada como regulador positivo de la pubertad. En monos machos, cuando el tiempo de inicio de la pubertad es definido por los pulsos nocturnos de LH, los estudios demuestran que los niveles nocturnos de leptina aumentan significativamente antes del inicio de la pubertad con un incremento gradual en los niveles de hormona de crecimiento (GH) y factor de crecimiento similar a insulina-1 (IGF-1). Los investigadores sugieren que la leptina estimula el eje GH-IGF-1, el cual a su vez estimula a la GnRH y la LH. La secreción nocturna de leptina también aumenta durante el desarrollo puberal en ratas hembras. Los estudios de secreción de leptina durante el desarrollo postnatal y peripuberal puntualizan la importancia del tiempo y la amplitud nocturnos como mecanismos que usa la leptina para permitir el desarrollo de la competencia reproductiva del adulto.

   En humanos adultos hay notables diferencias de sexo en las concentraciones plasmáticas de leptina comenzando en el período peripuberal. En varones, comenzando a los 10 años de edad hay un declive de leptina plasmática durante la pubertad. Las mujeres con peso normal (índice de masa corporal<30) tienen niveles de leptina promedio de 23,5±1,5 ng/ml con un rango entre 4,7 y 46 ng/ml. Por el contario, en los hombres con peso normal, el promedio es de 9±0,83 ng/ml con un rango de 2,565 a 20,7 ng/ml. Los niveles promedio de leptina en mujeres están cercanos a los niveles de hombres obesos (29±1,5 ng/dl). Esta diferencia se debe a los esteroides sexuales, los estrógenos estimulan la liberación de leptina por los adipocitos mientras los andrógenos inhiben la liberación de leptina. Esta asociación negativa entre leptina y niveles de testosterona en hombres refleja la influencia inhibidora de los andrógenos y explica la reducción peripuberal en la leptina plasmática en los varones.

   En las mujeres, la secreción de leptina no solo es mayor que en los hombres sino que también presenta variaciones cíclicas con un incremento de 14,9 ng/ml en la fase folicular temprana  a 20,4 ng/ml en fase luteal media del ciclo menstrual. Hay también una sincronía entre la leptina nocturna y los pulsos de LH en las mujeres con ciclos menstruales normales. Esta sincronía de la leptina con los pulsos de LH y estradiol se observa mejor en la noche y apoya la hipótesis que la leptina regula las oscilaciones de LH y estradiol. No está claro porque la leptina no se correlaciona con altos niveles de FSH. Por otra parte, es significativo que los niveles de leptina son menores en los ciclos anovulatorios, lo cual puntualiza la necesidad del desarrollo normal de los folículos ováricos para producir estrógenos.

   Las neuronas en el núcleo premamilar ventral (PMV) del hipotálamo forman una ruta estimuladora, mediada por leptina, de las neuronas kisspeptina, las cuales a su vez estimulan las neuronas GnRH. Este hallazgo demuestra la importancia de las neuronas del núcleo PMV como blancos de la leptina para la estimulación de las neuronas kisspeptina en los núcleos anteroventral periventricular (AVPV) y arqueado caudal del hipotálamo y la regulación del desarrollo puberal, los ciclos menstruales y el embarazo. Los neurotransmisores en las neuronas PMV potenciales reguladores de esta regulación mediada por la leptina son: el polipéptido activador de la adenil ciclasa de la hipófisis (PACP), el glutamato y el óxido nítrico. El PACAP regula la ingesta de alimentos y la liberación de gonadotropinas. La leptina normalmente inhibe las neuronas orexigénicas AgRP-NPY-GABAergicas en el núcleo arqueado. Cuando la señal leptina es reducida (por ejemplo, por privación de alimento), estas neuronas inhiben la expresión de kisspeptina  en el AVPV y el núcleo arqueado caudal. Esta acción en última instancia inhibe las neuronas GnRH y modulan la actividad pulsátil de la secreción de gonadotropinas.

   Múltiples estudios in vivo reportan que la leptina modula la expresión y/o secreción de gonadotropinas. Por ejemplo, la administración de leptina restaura la secreción de LH en ratones, ratas y monos en ayuno y normaliza los niveles de hormonas reproductivas en niños prepuberales con deficiencia de leptina, así como también en hombres adultos y mujeres con amenorrea. Los estudios in vitro demuestran que la leptina estimula la secreción de LH. La leptina estimula las células gonadotropas de la hipófisis para producir proteínas GnRHR y mARN de Fshb y activina. La leptina también estimula la traslación de las proteínas GH y GHRHR para apoyar la función de las células somatotropas.

   Diversos estudios demuestran que los ovarios están entre los órganos que contienen los más altos niveles de mARN de Lepr. Los altos niveles de leptina inhiben la secreción de esteroides estimulada por gonadotropinas en una acción conjunta con factores de crecimiento (IGF-1 o factor de crecimiento transformante α (TGF-α)) o insulina. Los altos niveles de leptina también inhiben el crecimiento folicular estimulado por FSH y reducen el número de oocitos ovulados en ratas. En humanos, concentraciones de 50 a 200 ng/ml de leptina también disminuyen el número de folículos y reducen la maduración de oocitos. Sin embargo, los estudios más recientes con modelos in vivo e in vitro y con un rango de dosis de leptina descubrieron efectos bifásicos de la leptina sobre las células blanco en el ovario. Todas las células foliculares del ovario tienen LEPR y los niveles fisiológicos de leptina estimulan células granulosas y tecales y la maduración de oocitos. Los niveles fisiológicos de leptina conjuntamente con factores de crecimiento (IGF-1), GH y FSH, promueven el desarrollo de folículos al estado antral. La leptina, conjuntamente con la LH, también promueve la maduración de oocitos y la ovulación. Los niveles de leptina aumentan en asociación con el aumento de estradiol por los folículos (células granulosas), pues el estradiol estimula la secreción de leptina por los adipocitos. La leptina también actúa con la LH y factores de crecimiento para promover la meiosis del oocito y la formación del cuerpo polar. Entonces, la leptina amplifica las acciones de FSH, LH y GH o IGF-1 sobre la maduración y secreción folicular  y la maduración de oocitos. En ratones, las bajas concentraciones de leptina incrementan la producción de esteroides ováricos estimulada por LH o FSH y las altas concentraciones disminuyen el crecimiento folicular. La leptina también estimula la progresión meiótica de oocitos de bovino en una concentración de 12,5 ng/ml pero inhibe la progresión en 100 ng/ml.

   Los estudios sobre los mecanismos que subyacen las acciones de la leptina en los ovarios muestran efectos bifásicos en la regulación de Lepr, la producción de progesterona y la estimulación de STAT3 y MAPK (en concentración de 3-10 ng/nl). Los estudios in vivo en ratas demuestran que la leptina aumenta la ovulación, incrementa la fosforilación de STAT3, MAPK y disminuye la proteína inhibidora SOCS3. Más ejemplos de acciones bifásicas de la leptina han sido reportados en múltiples especies. En humanos, una baja concentración de leptina (1-10 ng/ml) estimula la secreción de estradiol y progesterona por las células granulosas, mientras una alta concentración de leptina la inhibe. En ratones, 10 ng/ml pero no 100 ng/ml de leptina estimulan la degradación de la vesícula germinal y la aparición del primer cuerpo polar. En los complejos cumulus-oocito de conejos, los niveles fisiológicos de leptina estimulan un incremento en oocitos en  metafase II, acción  que es bloqueada por inhibidores de la ruta JAK/STAT o MAPK.

   El tratamiento con leptina de ratones ob/ob eleva los niveles plasmáticos de FSH, incrementa el peso de testículo y vesícula seminal y la cantidad de espermatozoides. En el hombre, la leptina es estimuladora antes de la pubertad. En monos machos, los niveles plasmáticos de leptina se correlacionan con los pulsos nocturnos de LH en la pubertad. En esencia, en numerosas especies, muchos estudios del desarrollo de la pubertad en machos indican que la leptina es permisiva y estimuladora a nivel de hipotálamo e hipófisis. Los niveles de leptina en hombres adultos normales presumiblemente son limitados por los andrógenos, lo cuales inhiben la secreción de leptina por los adipocitos. Esto es un hecho fortuito porque la leptina inhibe la función testicular si los niveles plasmáticos aumentan por arriba de cierto umbral. Con respecto a las células de Leydig, los estudios demuestran que los altos  niveles de leptina (por ejemplo, en obesidad) inhiben la secreción de testosterona mediada por gonadotropinas. La supresión de testosterona se acompaña con una reducción en androstenediona y un aumento en metabolitos de progesterona y pregnenolona.

   Después de un reporte que demostraba que la leptina circulante pasa la barrera hemato-testicular y pasa a los túbulos seminíferos en ratones, los investigadores estudiaron las acciones de la leptina sobre espermatogonias, espermatocitos y células de Sertoli. Un reporte demuestra que la leptina altera el desarrollo de los espermatozoides y los elementos de la barrera hemato-testicular (reduce las proteínas de las uniones estrechas: ocludina, claudina 5 y zónula occudins-1) en ratones. Las acciones sobre las proteínas de las uniones estrechas también puntualizan las interacciones de la leptina con las células de Sertoli, las cuales forman las uniones estrechas y la barrera hemato-testicular. Las células de Sertoli son vitales para el soporte físico y nutricional de la espermatogénesis, produciendo acetato a partir de glucosa. La concentración fisiológica de leptina incrementa las proteínas transportadoras de glucosa, indicando una ruta por la cual la leptina puede mantener la espermatogénesis. Sin embargo, con los niveles de obesidad, la leptina disminuye de una manera dosis dependiente la producción de acetato, sugiriendo que los altos niveles de leptina alteran el soporte nutricional de las células de Sertoli para la espermatogénesis.

   En conclusión, la leptina actúa en un rango de concentración relativamente estrecho: niveles muy altos o muy bajos comprometen la fertilidad. El tiempo de la señal leptina es importante para el desarrollo prepuberal en ambos sexos. En el cerebro, la leptina actúa sobre las neuronas del núcleo PMV, las cuales a través de las neuronas kisspeptina estimulan la liberación de GnRH. La supresión de neuronas kisspeptina ocurre cuando las neuronas AgRP son activadas por reducción de leptina, porque la leptina normalmente suprime la actividad de estas neuronas orexigénicas. En la hipófisis, la leptina estimula la producción de receptores de GnRH y FSH. En las hembras, el aumento de estrógenos estimula un incremento en los niveles plasmáticos de leptina, los cuales alcanza un pico en la mitad del ciclo menstrual en sincronía con los pulsos nocturnos de LH. La leptina, en el rango normal de niveles plasmáticos (10-20 ng/ml) conjuntamente con gonadotropinas y factores de crecimiento promueven las funciones de las células granulosas y tecales del ovario y la maduración de oocitos. En varones, el aumento prepuberal de leptina promueve el desarrollo testicular. Sin embargo, una disminución de los niveles de leptina en la pre-pubertad aumenta los niveles de andrógenos que inhiben la secreción de leptina por los adipocitos. En hombres adultos, los niveles de leptina corresponden a 10-50%  de los niveles de las mujeres, pero los altos niveles de leptina inhiben la función testicular. En condiciones de nutrición balanceada la secreción de leptina es regulada en un rango estrecho de concentración que optimiza sus efectos tróficos.

Fuente: Childs GV et al (2021). The importance of leptin to reproduction. Endocrinology 162: 1-18.

 

La bilirrubina como una hormona metabólica

La evidencia reciente apoya el uso de las concentraciones plasmáticas de bilirrubina como predictores de enfermedades como obesidad y diabetes tipo 2. El nuevo rol de la bilirrubina como hormona explica, en parte, esta relación. Los niveles plasmáticos levemente elevados de bilirrubina han demostrado efectos protectores en varias patologías humanas, mientras la disminución en la concentración plasmática de bilirrubina se correlaciona con un incremento en el riesgo de enfermedad cardiovascular y metabólica. Aunque los niveles extremadamente altos de bilirrubina son inherentes a desordenes del aclaramiento de bilirrubina como el síndrome de Gilbert o el síndrome de Crigler-Najjar, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina son usadas en el diagnóstico, pronóstico y tratamiento de otras enfermedades. Además de los potenciales roles en encefalopatía y enfermedad hepática, los datos emergentes sugieren que los bajos niveles de bilirrubina  pueden ser relevantes para muchas patologías humanas.

   Los defectos hereditarios en el metabolismo de la bilirrubina a menudo causan sintomatología relativamente benigna. El síndrome de Gilbert, el síndrome Dubin-Jhonson y el síndrome de Rotor causan leves incrementos en bilirrubina con ocasionales y ligeras presentaciones de ictericia.  Sin embargo, los incrementos extremadamente altos en bilirrubina que frecuentemente se observan en el síndrome Crigler-Najjar a menudo causan daño cerebral en niños. Los niveles extremadamente altos de bilirrubina pueden ser bastante peligroso, pero los bajos niveles de bilirrubina también pueden ser inseguros. Diversos estudios han establecido relaciones entre los bajos niveles de bilirrubina y manifestaciones de enfermedad cardiovascular, enfermedad metabólica, apnea del sueño, artritis y colitis; así como también varios canceres y desórdenes cognitivos.

   La bilirrubina es un producto de degradación del heme, el cual es liberado por lisis de células rojas sanguíneas. La hemoglobina y otras proteínas que contienen heme como los citocromos utilizan el heme para transporte de oxígeno, unión de ligando y regulación a la baja de genes. Las isoenzimas heme oxigenasas (HO-1 y HO-2) son esenciales para el procesamiento catalítico del anillo heme y la posterior formación de hierro ferroso, CO y biliverdina en las células reticuloendoteliales en una reacción que involucra oxígeno molecular (O₂) y NADPH. Cuando estos complejos hierro-porfirina son metabolizados en biliverdina y posteriormente en bilirrubina por la biliverdina reductasa (BVR) los tejidos adquieren una importante capacidad de señalización hormonal. La bilirrubina también tiene propiedades antioxidantes. En las concentraciones plasmáticas normales, la bilirrubina no conjugada sirve como un eficiente atrapador de moléculas de oxígeno, evitando las reacciones en cadena de radicales libres y actuando como un eficiente antioxidante. Esta actividad aumenta cuando las condiciones experimentales se mueven de concentraciones atmosféricas de oxígeno (20%) hacia las concentraciones que se encuentran en los tejidos (2%). Esto puede explicar, en parte, porque la bilirrubina históricamente fue considerada un producto de desecho más que un antioxidante fisiológicamente significativo que es relevante a muchas patologías. En tejido cardiaco, la bilirrubina incrementa la biodisponibilidad de óxido nítrico (NO) y disminuye la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS). En tejido hepático, la enzima biliverdina reductasa A (BVRA) y su producto, bilirrubina, trabajan juntas para reducir la esteatosis hepática. En tejido adiposo, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina están asociadas negativamente con obesidad abdominal e hipertrigliceridemia.

   La bilirrubina no conjugada (bilirrubina IXα) no es soluble en agua y, en el hígado, es convertida a su forma soluble en agua por conjugación con ácido glucurónico por la uridin difosfato glucuronosiltransferasa 1A1 (UGT1A1). La bilirrubina conjugada puede ser excretada con la bilis al intestino. En el intestino, la bilirrubina conjugada es procesada por la microbiota intestinal a urobilinoides y estercobilina, la cual es eliminada por las heces. Algunos urobilinoides pueden ser reabsorbidos por la vena porta hepática y procesados por el riñón a urobilinogeno para ser eliminado por la orina. Aunque la bilirrubina conjugada se encuentra principalmente en el intestino, las concentraciones sanguíneas varían de 0,06 a 0,48 µM y representan solo 3%-5% de la bilirrubina total. Los niveles plasmáticos normales de bilirrubina total usualmente están en el rango 1,2 a 0,2 mg/dl (20,52 µM a 3,42 µM). Cuando las concentraciones plasmáticas de bilirrubina total son extremadamente altas (>150 µM), la piel, la esclerótica y las membranas mucosas de los pacientes manifiestan un tinte amarillo. Cuando las concentraciones plasmáticas de bilirrubina total son muy altas, los niveles se vuelven patológicos. En estas concentraciones elevadas, la acumulación de bilirrubina en el sistema nervioso central puede inducir condiciones neurológicas. Las concentraciones plasmáticas de bilirrubina mayores que las normales resultan de varias etiologías, incluyendo efectos colaterales de medicamentos, inflamación del hígado o conducto biliar y anemia hemolítica. En casos raros, las concentraciones plasmáticas elevadas de bilirrubina pueden ser debidas a mutaciones en el sistema microsomal glucosiltransferasa responsable de la conjugación de bilirrubina en condiciones normales. En casos muy raros (aproximadamente uno en un millón), los pacientes pueden presentar síndrome de Crigler-Najjar por disminución o deficiencia de la expresión del gen UGT1A1. En estos casos, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina son extremadamente altas y muchos pacientes requieren un trasplante de hígado inmediato para evitar la muerte. Los niveles de bilirrubina muy altos incrementan el riesgo de muchas patologías, mientras las concentraciones plasmáticas normales o  ligeramente elevadas pueden proporcionar efectos protectores por las capacidades hormonales de la bilirrubina.

   El reciente descubrimiento que la bilirrubina es un ligando que se une directamente al receptor activado por proliferador de  peroxisoma α (PPARα) para inducir respuesta de genes, lo cual mejora la resistencia a la insulina y la obesidad, fue la primera función que define a la bilirrubina como una hormona. La bilirrubina fluye por la sangre y entra a la célula vía un sistema de captación, lo cual puede ocurrir vía proteína unidora de ácidos grasos (FABP). En la célula, la bilirrubina se une al PPARα causando un cambio de proteínas correpresoras a coactivadoras para activar el control transcripcional de genes. El PPARα unido a bilirrubina incrementa la ocupación de los elementos de respuesta al PPARα (PPRE) en los genes promotores para incrementar la expresión de los genes factor de crecimiento de fibroblastos 21 (FGF21) y CYP4A o disminuir la expresión de los genes FAS en hepatocitos, y, en adipocitos, activar la transcripción de los genes UCP1 y ADRB3. El control de la respuesta de los genes por el complejo bilirrubina-PPARα provoca respuestas fisiológicas en todo el cuerpo.

   Una hormona debe unirse directamente al receptor para ejercer sus efectos. Como hormona, la bilirrubina se une directamente al PPARα y, más recientemente, hay reportes que indican que en altas concentraciones interactúa con el receptor acoplado a proteína G miembro X4 relacionado con Mas (MRGCPRX4) en neuronas sensoriales primarias. Aunque la bilirrubina puede tener acciones desconocidas que activen otras rutas, estas dos proteínas son las únicas a las  que la bilirrubina se une directamente como un ligando agonista. Como factor de transcripción activado por ligando, el PPARα controla genes involucrados en la β-oxidación de ácidos grasos. La bilirrubina se une directamente al PPARα e incrementa la actividad transcripcional con una EC₅₀= 9,0 µM. La bilirrubina requiere una mayor concentración para excitación del MRGCPRX4 con una EC₅₀= 145,9 µM. Mientras la bilirrubina conjugada también activa al MRGCPRX4, el PPARα no interactúa con la bilirrubina conjugada. Algunos estudios sugieren que la bilirrubina también puede activar al receptor aril hidrocarbono (AHR).En estos estudios, los investigadores reportan que altas concentraciones de bilirrubina (100 µM) incrementa la expresión de Hepa1c1c7 en hepatocitos de ratón y concluyen que esto ocurre vía AHR.

   La bilirrubina aumenta la función metabólica en los adipocitos. Los humanos delgados tienen mayores niveles de bilirrubina en comparación con individuos obesos. La conversión de biliverdina a bilirrubina por la BVRA activa al PPARα en el tejido adiposo blanco (TAB) e incrementa la transcripción de los genes Cpt1, Ucp1 y Adrb3 y aumenta el número de mitocondrias. En conjunto, esto disminuye el número de lípidos intracelulares por β-oxidación de ácidos grasos. En los individuos obesos, las concentraciones plasmáticas de bilirrubina son menores provocando acumulación de lípidos y disminución de la actividad del PPARα y la función mitocondrial.

   La función de la bilirrubina como protector de desórdenes metabólicos es un concepto relativamente nuevo que refuerza su utilidad como potencial agente anti-obesidad. Un estudio reciente reporta una significativa reducción de desórdenes asociados con el microbioma en animales obesos y diabéticos tratados con nanopartículas de bilirrubina, mediada primariamente a través de su unión con el PPARα, lo cual induce el reclutamiento de coactivadores para la activación de genes, aumentando la actividad mitocondrial. Este estudio demostró un incremento en la actividad mitocondrial en el TAB que reduce el tamaño de las células grasas. Esta observación fue apoyada por la hiperbilirrubinemia de modelos de ratones con síndrome de Gilbert con la inducción de coactivadores de PPARα y reducción del tamaño de las células grasas en comparación con controles alimentados con una dieta rica en grasas. En el TAB de ratones obesos tratados con nanopartículas de bilirrubina aumenta significativamente la expresión de Ucp1 y Adrb3, mejorando la función mitocondrial con un incremento en el mecanismo de utilización de grasas por los adipocitos. Los estudios pre-clínicos con nanopartículas de bilirrubina indican que pueden proporcionar protección contra otras complicaciones médicas como isquemia-reperfusión hepática, enfermedad pulmonar inflamatoria, colitis y xenotrasplantes de islotes pancreáticos. Estos y otros estudios emergentes apoyan el rol sustancial que las nanopartículas de bilirrubina pueden tener en la regulación del metabolismo de lípidos para mejorar desórdenes metabólicos.

   La relación entre hiperbilirrubinemia severa y  enfermedad humana está bien establecida. La evidencia emergente sugiere que los bajos niveles plasmáticos de bilirrubina también predicen patologías. Los bajos niveles de bilirrubina (<6 µM) pueden predecir incrementos en el riesgo de lesiones en la sustancia blanca cerebral profunda  y varias enfermedades ateroescleróticas en sujetos aparentemente sanos, con las concentraciones plasmáticas de bilirrubina en correlación inversa con los factores de riesgo cardiovascular incluyendo índice de masa corporal (obesidad), niveles de colesterol y niveles de glucosa sanguínea (diabetes tipo 2).

   Como muchas hormonas, la bilirrubina viaja por la circulación sanguínea para alcanzar sus órganos blancos. Durante este trayecto, la bilirrubina gasta un tiempo significativo interactuando con el sistema circulatorio humano. Los pacientes con síndrome de Gilbert, la causa hereditaria más común de hiperbilirrubinemia leve,  están en el riesgo más bajo de desarrollo de enfermedad arterial coronaria y muestran una reducción en el riesgo de desarrollo de enfermedad cardiaca. Por el contrario,  las concentraciones disminuidas de bilirrubina están asociadas con un incremento en la prevalencia de enfermedad arterial coronaria. La capacidad antioxidante de la bilirrubina contribuye solo parcialmente a este efecto. Los pacientes con síndrome de Gilbert muestran niveles significativamente reducidos de muchos marcadores de riesgo pro-aterogénesis en el metabolismo de lípidos, incluyendo lipoproteína de baja densidad (LDL), triacilglicerol (TAG) y colesterol total. La UGT1A1 es la principal enzima en la conjugación de la bilirrubina. Un polimorfismo en el promotor UGT1A1 (UGT1A1*28) resulta en disminución de la expresión del gen UGT11A1 y un correspondiente aumento en las concentraciones plasmáticas de bilirrubina no conjugada. Además de las propiedades hormonales y antioxidantes, la bilirrubina indirectamente puede inhibir especies reactivas de nitrógeno.

   Aunque la mayoría de la investigación neurobiológica sobre la bilirrubina trata de las secuelas que siguen a la hiperbilirubinemia neonatal o la encefalitis hepática, el rol de la bilirrubina en la abrogación del declive cognitivo relacionado con la edad ha generado significativo interés en la neuropatología de los bajos niveles de bilirrubina. La inflamación es uno de los más importantes disparadores del declive cognitivo en los adultos mayores. Este fenómeno conocido como “inflaimagen” representa adiposidad disfuncional, disturbios del metabolismo del heme y otros procesos altamente relevantes en la fisiopatología de la bilirrubina. Los reportes recientes demuestran los efectos neuroprotectores de la HO, una enzima crucial en la síntesis de bilirrubina, e identifican a la bilirrubina como un posible candidato terapéutico en el tratamiento de algunas neuroenfermedades, Hay dos isoenzimas HO activas: HO-1 y HO-2. La bilirrubina producida por la actividad de la HO-2 puede proteger a las neuronas del estrés oxidativo. Los mecanismos por los cuales la bilirrubina protege contra la enfermedad cerebrovascular o la neuropatología no están claros, pero la evidencia colectiva sugiere que los bajos niveles de bilirrubina pueden ser perjudiciales para la fisiología normal del cerebro humano.

   Las definiciones de “baja bilirrubina” varían, pero los rangos de referencia  generalmente usados son: <10µM en hombres y <8µM en mujeres. Sin embargo, es necesaria una reclasificación de bilirrubina para determinar las verdaderas mediciones en la población. Los investigadores han determinado que los grupos de baja bilirrubina presentan significativos incrementos de la probabilidad de desarrollar síndrome metabólico. En la medida que los niveles de bilirrubina total disminuyen, los pacientes presentan más criterios para síndrome metabólico. Un análisis de National Health and Nutrition Examination revela que los niveles mayores de bilirrubina total imparten una reducción de 26% en el riesgo de diabetes. En mujeres embarazadas, aquellas con niveles bajos de bilirrubina más comúnmente desarrollan diabetes gestacional. No obstante, el rol  que las bajas concentraciones de bilirrubina pueden jugar en la diabetes no ha sido bien establecido. Aunque algunos estudios concluyen que los bajos niveles de bilirrubina predicen incrementos de diabetes, los rangos de las concentraciones consideradas como “baja” o “hipobilirrubinemia” son inconsistentes. Algunos estudios prospectivos sobre el rol de la bilirrubina en las patologías humanas han sido incapaces para demostrar una relación inversa entre concentraciones de bilirrubina y enfermedades como diabetes tipo 2.

   Las concentraciones de bilirrubina son mayores durante el ayuno. Esto es, en parte, explicado  por los mecanismos enzimáticos responsables de la producción de bilirrubina que son regulados al alza por  el ayuno o en un contexto de hipoglucemia, los cuales pueden incrementar la producción de bilirrubina a través de un incremento en la actividad de la HO. Otros estudios sugieren que la hiperbilirrrubinemia relacionada con el ayuno puede ser el resultado de una disminución de la motilidad intestinal y la eliminación de pigmentos biliares. La activación de HO-1 en ratones obesos con deficiencia de leptina incrementa los niveles plasmáticos de bilirrubina y reduce los niveles de heme mientras activa la ruta PPARα, lo cual mejora la glucosa sanguínea y la enfermedad grasa hepática. El conocimiento del mecanismo por el cual la bilirrubina incrementa la sensibilidad a la insulina es incompleto. Varios estudios demuestran una unión hormonal directa entre bilirrubina y PPARα que resulta en la inducción de genes como Fgf21 y angiopoyetina 4 (Angptl4) reguladores de la captación de glucosa en las células. En efecto, ~95% de la expresión de genes modulada por bilirrubina en hepatocitos es mediada por el PPARα. Los ratones db/db diabéticos tratados con bilirrubina muestran un incremento en la expresión de PPARγ y disminución de los niveles sanguíneos de glucosa. El PPARγ regula la sensibilidad celular a la insulina, incrementa la expresión de genes como sustrato del receptor de insulina 2 (Irs2) y causa un flujo neto de glucosa en las células. El PPARγ es blanco de  hipoglucemiantes orales como rosiglitazone y pioglitazone. Se desconoce porque la bilirrubina incrementa los niveles de PPARγ en el estado diabético, pues la bilirrubina no es un agonista del PPARγ y tampoco tiene una unión directa como ligando. Es posible que el tratamiento con bilirrubina en ratones diabéticos pueda activar rutas sensibles a glucosa como la unión a PPARα o por su acción antioxidante inhibir la inflamación, lo cual incrementa los niveles de PPARγ. Por otra parte, los ratones con niveles aumentados de bilirrubina por inducción de la HO-1 muestran incrementos en cAMP, el cual está asociado con disminución de la generación de ROS.  Debido a que la producción de cAMP aumenta la sensibilidad a la insulina en células pancreáticas, esta relación emergente podría ser  significativa en los roles hormonales y antioxidantes de las nanopartículas de bilirrubina en la terapia de la diabetes.

   Los bajos niveles de bilirrubina pueden provocar la manifestación de rutas inmunes pro-inflamatorias, hay una relación entre concentraciones plasmáticas de bilirrubina y enfermedad intestinal inflamatoria y entre PPARα y enfermedad hepática inflamatoria. En algunas infecciones, la bilirrubina actúa concertadamente con el sistema inmune. En infecciones virales, como el VIH, la bilirrubina inhibe la actividad proteasa viral. Por otra parte, la elevada concentración plasmática de bilirrubina se correlaciona inversamente con la enfermedad hepática grasa no alcohólica (NAFLD) y con la esteatohepatitis no alcohólica (NASH). El daño histológico hepático en los pacientes con NAFLD y NASH se correlaciona inversamente con la hiperbilirrubinemia no conjugada. La UGT disfuncional causa elevaciones en las concentraciones plasmáticas de bilirrubina, pero la inadecuada actividad UGT también provoca una reducción de la degradación de carcinógenos. Los estudios de cáncer de vejiga en ratones y humanos sugieren una relación inversa entre la expresión de UGT y el cáncer de vejiga. Las pacientes con cáncer de ovario con concentraciones preoperatorias de bilirrubina total  >9,65 µM y concentraciones de bilirrubina indirecta >6,75 µM muestran mayor supervivencia que las pacientes con concentraciones menores. La disminución en los niveles de bilirrubina total se corresponde con una disminución en la supervivencia de pacientes con cáncer gástrico. El eje PPARα-UGT puede servir como retroalimentación negativa para la acción de la bilirrubina sobre el PPARα, lo cual podría reducir los niveles de bilirrubina y, por tanto, su actividad.  Asas de retroalimentación similares han sido demostradas con otras hormonas, especialmente la señal glucocorticoide con otros factores de transcripción. Dos estudios han demostrado que la apnea severa del sueño está asociada con disminución de la concentración plasmática de bilirrubina. Aunque los pacientes con apnea del sueño obstructiva muestran incremento en las concentraciones de bilirrubina total durante el sueño, la terapia continua con presión positiva de las vías aéreas inhibe significativamente las elevaciones de bilirrubina. Este resultado sugiere que la bilirrubina protege contra la hipoxemia.

   La alta cantidad de ejercicio en poblaciones de pacientes previamente sedentarios incrementa significativa los niveles de bilirrubina. Los cambios inducidos por el ejercicio en la bilirrubina funcionan como un mecanismo por el cual la capacidad antioxidante plasmática puede combatir a las ROS y especies reactivas de nitrógeno generadas durante el curso del ejercicio aeróbico. La pérdida de peso en corto tiempo en pacientes con obesidad causa un aumento de 22µM en las concentraciones plasmáticas de bilirrubina a medida que el peso corporal disminuye por >2%.  El reloj circadiano protege contra  las consecuencias neurotóxicas del incremento de bilirrubina regulando la destoxificación de la bilirrubina, coordinando las variaciones circadianas en los niveles de bilirrubina. Esto puede servir como un potencial mecanismo para incrementar la hipobilirrubinemia. Es posible que el Helicobacter pylori y otros agentes infecciosos puedan alterar las concentraciones plasmáticas normales de bilirrubina. Bacterias patógenas como lactobacillus y clostridium regulan la bilirrubina. El Clostridium perfringens cataboliza bilirrubina en urobilinoides.

   En conclusión, cuando la bilirrubina fluye en la circulación sanguínea, interactúa con los vasos sanguíneos para proporcionar protección y mantenimiento, probablemente como un antioxidante.  Como muchas hormonas, la bilirrubina viaja en la circulación sanguínea y alcanza sus blancos intracelulares, principalmente PPARα para provocar respuestas de los genes. Cuando los niveles de bilirrubina caen, la hipobilirrubinemia puede incrementar las consecuencias clínicas adversas. Los niveles levemente aumentados de bilirrubina tienen significativos efectos protectores en varias patologías humanas. Las nanopartículas de bilirrubina ofrecen una ventaja terapéutica para enfermedades asociadas con hipobilirrubinemia.

Fuente: Creden JF et al (2021). Bilirubin as a metabolic hormone: the physiological relevance of low levels. American Journal of Physiology  Endocrinology and Metabolism 320: E191-E207.

 

Regulación de la glucólisis por el HIF

La glucólisis, la cual tiene lugar en el citoplasma, describe la conversión anaeróbica de una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato. El metabolismo de la glucosa es activado a través de la actividad independiente de oxígeno de diez enzimas metabólicas que comprende la ruta glucolítica que resulta en la generación de equivalentes energéticos bioquímicos en la forma de adenosina trifosfato (ATP), la reducción concomitante de nicotinamida adenosina dinucleotido (NAD) a NADH y la generación de piruvato. En presencia de niveles suficientes de oxígeno molecular (O₂), el piruvato generado es metabolizado en la mitocondria por el ciclo de ácidos tricarboxílicos (TCA) que proporciona electrones a la cadena transportadora de electrones (ETC) para generar 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que entra a la ruta glucolítica. En condiciones de estado estacionario, las actividades combinadas de la glucolisis, el ciclo TCA y la ETC usualmente resultan en la generación de niveles suficientes de  ATP para los requerimientos energéticos de las células, los tejidos y el organismo, y por tanto para el mantenimiento de la homeostasis.

   En las células de mamíferos, la captación de glucosa es activada por dos mecanismos: el transporte activo de glucosa como ocurre en las células epiteliales del intestino delgado a través de transportadores de glucosa dependientes de sodio (SGLT), o alternativamente, vía difusión facultativa a través de transportadores de glucosa (GLUT) localizados en la membrana celular de múltiples tipos de células. Una vez en el interior de la célula, la glucosa es oxidada a una tasa definida por las enzimas limitantes de la glucólisis. Estas enzimas: hexoquinasa, fosfofructoquinasa (PFK) y piruvato quinasa son reguladas alostéricamente y tienen roles importantes en la regulación del flujo glucolítico.

   En condiciones donde la demanda de oxígeno por un tejido excede al aporte (hipoxia), las células reducen la fosforilación oxidativa (OXPHOS) mitocondrial dependiente de O₂ y usan preferencialmente la ruta glucolítica independiente de O₂ para la mantener una producción de suficiente ATP para satisfacer los requerimientos bio-energéticos. Este “switch” metabólico en respuesta a la hipoxia es iniciado por el control alostérico de las enzimas glucolíticas por el ATP. En condiciones de hipoxia, donde la OXPHOS es inhibida se produce un bajo nivel de ATP, lo cual disminuye la relación ATP/AMP (adenosina monofosfato). Esta reducción en la carga energética reduce la inhibición alostérica del ATP sobre la PFK. La PFK activada utiliza ATP para producir fructosa1,6-bifosfato y promover el flujo a través de la ruta glucolítica. El ATP inhibe alostéricamente a la piruvato quinasa para reducir la tasa de glucólisis cuando la carga de energía es alta. Por tanto, bajo condiciones de hipoxia, la reducción en la carga de energía disminuye la inhibición alostérica del ATP  sobre la piruvato quinasa, lo cual resulta en la generación de piruvato a partir de fosfoenolpiruvato. La piruvato quinasa también es activada por fructosa-1,6-bifosfato para promover el flujo completo a través de la ruta glucolítica.

   La regulación alostérica de la glucólisis bajo condiciones de hipoxia es seguida por la regulación transcripcional al alza de transportadores de glucosa y enzimas glucolíticas por el factor  inducible por hipoxia (HIF). Esta regulación de enzimas glucolíticas permite un incremento en el flujo a través de la ruta glucolítica y mantener la producción celular de ATP bajo condiciones de hipoxia. Cuando el balance de oxígeno (y la relación ATP/AMP) es restaurado, las células usualmente pueden revertir su estrategia metabólica primaria a la OXPHOS, un fenómeno conocido como efecto Pasteur. Mientras este incremento en el flujo glucolítico es beneficioso para la supervivencia de la célula durante la hipoxia, los mecanismos que incrementan este flujo pueden ser manipulados por las células cancerosas para promover su supervivencia aun en presencia de niveles suficientes de O₂ (conocido como glucólisis aeróbica o efecto Warburg). Por tanto, los mecanismos centrales que median este “switch” metabólico son de mucha importancia en la salud y en la enfermedad. Hasta el presente, han sido descritos múltiples mecanismos como reguladores de la glucólisis bajo condiciones de hipoxia, incluyendo aquellos dependientes de las acciones de la  ruta HIF, la ruta PI3K/AKT y la modificación post-translacional de enzimas glucolíticas, entre otros.

   El HIF es una proteína heterodimérica que consiste en una subunidad α sensible al O₂ (HIF-1α, HIF-2α, HIF-3α) y una subunidad β expresada constitutivamente (HIF-1β/ARNT (Aryl hidrocarbon receptor nuclear translocator). De los tres homólogos identificados en animales superiores, el HIF-1α es el responsable de regular la glucólisis en condiciones de hipoxia. En presencia de niveles suficientes de O₂ (normoxia), el HIF-1α tiene una vida media corta, estimada en 5-10 minutos. En condiciones normóxicas, la proteína  HIF-1α es rápidamente degradada como resultado de la hidroxilación dependiente de O₂ en los residuos prolina (Pro⁴⁰² y Pro⁵⁶⁴) de la subunidad α. Esta hidroxilación la llevan a cabo miembros de la familia del dominio prolil hidroxilasa (PHD), de los cuales tres isoformas han sido caracterizadas en células de mamíferos. La hidroxilación del HIF-1α promueve su unión a la proteína von Hippel-Lindau (VHL), un componente del complejo E3 ubiquitina ligasa, el cual permite la poliubiquitinización  y posterior degradación proteosomal de la subunidad α. El HIF-1α también es hidroxilado por el factor inhibidor de HIF (FIH) en el residuo asparagina (Asn⁸⁰³) del dominio de activación transcripcional  del C-terminal para impedir la activación transcripcional del HIF en condiciones de normoxia a través de la inhibición de la unión con la proteína de unión al elemento de respuesta del coactivador AMP cíclico (CBP)/p300. Por tanto, la hidroxilación dependiente de O₂ sirve para reprimir al HIF-1α en condiciones de normoxia.

   La hidroxilación del HIF-1α por PHD y FIH dioxigenasas es dependiente de la disponibilidad de O₂ y los co-factores 2-oxoglutarato, Fe (II) y ascorbato. La hidroxilación del HIF-1α es suprimida bajo condiciones de hipoxia, resultando en la estabilidad de la subunidad HIF-1α y su acumulación en el citoplasma cuando la célula está desprovista de un adecuado aporte de O₂. El HIF-1α acumulado es posteriormente trasladado al núcleo donde se dimeriza con HIF-1β/ARNT. La unión del heterodímero a los elementos de respuesta (HRE) a la hipoxia en la región promotora/aumentadora de los genes blanco inicia la transcripción de aquellos genes que promueven la adaptación a la hipoxia.

   Entre las respuestas adaptativas mediadas por el HIF-1α para promover la supervivencia celular en condiciones de hipoxia está la reprogramación dependiente de HIF-1α del metabolismo de la glucosa para reducir la dependencia de la producción de energía dependiente de O₂. Esta reprogramación es activada por la regulación al alza dependiente de HIF-1α de los genes que codifican transportadores de glucosa (por ejemplo, GLUT1 y GLUT3) y enzimas de la ruta glucolítica así como también la supresión de la OXPHOS para promover un incremento  en el flujo glucolítico. El incremento en la captación de glucosa y su posterior metabolismo bajo condiciones de hipoxia ayuda a mantener la producción celular de ATP concomitantemente con una reducción del metabolismo oxidativo. La regulación al alza de los transportadores de glucosa y las enzimas glucolíticas es mediada por la unión del HIF-1α a la secuencia 5´-(AG)/CGTG-3´de los elementos de respuesta a la hipoxia en la región promotora de los genes que codifican estas proteínas para incrementar su expresión. Los genes que codifican a las enzimas glucolíticas PFK-tipo hígado (PFKL), aldolasa (ALDA), fosfoglicerato quinasa-1 (PGK1), enolasa (ENOL) y lactato deshidrogenasa-A (LDHA) contienen sitios de unión para el HIF-1α en sus regiones aumentadoras y son reguladas al alza directamente por el HIF-1α en respuesta a la hipoxia.

   Además de la regulación al alza dependiente de HIF-1α de las enzimas glucolíticas en respuesta a la hipoxia, el HIF-1α puede suprimir la OXPHOS bajo condiciones de hipoxia reduciendo la entrada de metabolitos al ciclo TCA vía inducción dependiente de HIF-1α de la piruvato deshidrogenasa quinasa 1 (PDK1) y la LDHA. La PDK1 fosforila al complejo piruvato deshidrogenasa (PDH), previniendo la conversión de piruvato en acetil CoA y, por consiguiente, impidiendo el inicio del ciclo TCA. El HIF-1α también activa la transcripción de LDHA que cataliza la conversión del piruvato generado en el metabolismo glucolítico en lactato y la concomitante generación de NAD+, un cofactor esencial para permitir la actividad glucolítica continua. Conjuntamente LDHA y PDK1 impiden la entrada de piruvato al ciclo TCA disminuyendo la generación de acetil CoA a partir de piruvato y en cambio incrementan la producción de lactato. El lactato producido a partir del piruvato puede ser removido de la célula por los transportadores monocarboxilato 4 (MCT4) para evitar la inhibición competitiva de la LDHA.

  El IGF-1α también regula la capacidad OXPHOS alterando directamente la actividad mitocondrial. El HIF-1α induce autofagia mitocondrial en respuesta a la hipoxia confiriendo un efecto protector a la célula hipóxica al reducir los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS). Más aún, la hipoxia reduce la capacidad respiratoria regulando la expresión de la citocromo oxidasa de una manera dependiente de IGF-1α para limitar la generación de ROS bajo condiciones de hipoxia promoviendo, por tanto, la evasión de la muerte celular inducida por estrés oxidativo.

   EL HIF-1α, además de la estabilización y posterior activación  en respuesta a la hipoxia, también puede ser activado farmacológicamente usando moléculas que inhiben las acciones de las enzimas PHD, como quelantes de hierro (por ejemplo, deferoxamina, DFO) o moléculas que compiten por el 2-oxoglutarato. La modulación de la actividad de las enzimas PHD es beneficiosa para promover respuestas anti-inflamatorias a través de la inducción selectiva de muerte celular en monocitos, neutrófilos y aumentando la función de la barrera epitelial intestinal en respuestas pro-angiogénesis vía regulación al alza dependiente de HIF-1α del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), ofreciendo protección en la enfermedad isquémica y ayudando a mejorar la anemia en pacientes con enfermedad renal a través de la estimulación de la producción de eritropoyetina (EPO) y regulando la absorción y el metabolismo de hierro.

   En el contexto del metabolismo de la glucosa, la inhibición de la hidroxilasa protege a las células epiteliales alveolares de la insuficiencia bioenergética y la muerte celular in vitro e in vivo aumentando el metabolismo glucolítico a través del HIF-1α. La inhibición de la hidroxilasa también es citoprotectora en las células epiteliales del túbulo proximal renal en una situación de privación de oxígeno-glucosa por isquemia, a través de la regulación al alza de la ruta glucolítica. Mientras estas observaciones sugieren que la promoción de la glucólisis a nivel celular a través de la activación farmacológica del HIF-1α es citoprotectora, a nivel del organismo, la activación sostenida de la ruta HIF-1α resulta en una reducción de la capacidad respiratoria mitocondrial, reducida capacidad de ejercicio y mayor concentración sanguínea de lactato a través de la regulación al alza dependiente de HIF-1α de los genes glucolíticos y la supresión de la OXPHOS bajo condiciones de normoxia. Por otra parte, aunque estos hallazgos enfatizan que el HIF-1α juega un rol prominente en la regulación del metabolismo de la glucosa, también hay datos que demuestran que la promoción de la glucólisis, por ejemplo, a través de la inhibición de la hidroxilasa, puede ser perjudicial para el organismo a nivel integrativo. Los estudios recientes reportan que el incremento en el metabolismo glucolítico en hipoxia puede tener efectos sobre la fisiología celular en células inmunes y endoteliales.

   El HIF-2α también es regulado negativamente por la prolil y asparaginil hidroxilación. Mientras el HIF-1α es expresado en todos los tipos de células, la expresión del HIF-2α es específica de tipo de célula y ha sido reportada en células endoteliales vasculares, células epiteliales de riñón y tracto gastrointestinal, células del parénquima hepático y neumocitos tipo II. En condiciones de hipoxia, el HIF-2α se dimeriza con el  HIF-1β, expresado constitutivamente, para regular la transcripción de numerosos genes. A pesar de las similitudes entre el HIF-1α y el HIF-2α en términos de secuencia de aminoácidos, la estabilización y el reconocimiento de los HRE de los genes blanco puede ser diferente. Procesos como la eritropoyesis, la absorción y el metabolismo del hierro y el desarrollo y la función de los cuerpos carotídeos dependen grandemente de la expresión de HIF-2α mientras la expresión de los genes que codifican a los transportadores de glucosa GLUT1  y al VEGF parece ser regulada por HIF-1α y HIF-2α. Mientras los genes regulados por HIF-1α y HIF-2α pueden superponerse, múltiples estudios reportan que los genes glucolíticos son regulados exclusivamente por el HIF-1α. Es evidente que los efectos mediados por el HIF-1α en la promoción del flujo glucolítico y la reducción de la capacidad OXPHOS juegan un rol importante en la adaptación celular a la hipoxia.

   En conclusión, bajo condiciones de hipoxia, la mayoría de células eucariotas pueden cambiar su estrategia metabólica primaria de una respiración predominantemente mitocondrial a un incremento en la glucólisis para mantener los niveles de ATP. Los estudios con modelos in vivo e in vitro han demostrado una profunda capacidad de las células hipóxicas para adaptarse a la privación de O₂ alterando las respuestas transcripcionales y traslacionales para promover la captación de glucosa y su posterior metabolismo anaeróbico. Esta reprogramación del metabolismo inducida por la hipoxia es clave para satisfacer los requerimientos energéticos celulares durante el estrés hipóxico agudo. A nivel transcripcional, este cambio metabólico puede ser regulado por varias rutas incluyendo al HIF-1α, el cual induce un incremento en la expresión de enzimas glucolíticas. Mientras este incremento en el flujo glucolítico es beneficioso para el mantenimiento de la homeostasis bioenergética durante la hipoxia, las rutas que median este incremento también pueden ser explotadas por las células cancerosas para promover la supervivencia y el crecimiento tumoral. El incremento en el metabolismo glucolítico durante la hipoxia también puede tener profundos efectos en la fisiología celular en células inmunes y células endoteliales.

Fuente: Kierans SJ, Taylor CT (2021). Regulation of glycolysis by the hipoxia-inducible factor (HIF): implications for cellular physiology. Journal of Physiology 599: 23-37.