Metabolismo en las placas ateroescleróticas

La ateroesclerosis es la principal causa de enfermedades cardiovasculares (ECV) como infarto de miocardio y enfermedad vascular periférica que provocan alta mortalidad y morbilidad en el mundo. La ateroesclerosis es un desorden multifactorial relacionado con otras enfermedades y/o factores de riesgo incluyendo hiperlipidemia, diabetes mellitus, hipertensión arterial, tabaquismo y sedentarismo. El proceso ateroesclerótico comienza muy temprano en la vida, y los “streaks” grasos, los primeros signos de la enfermedad, han sido reportados en fetos humanos de madres hipercolesterolémicas. En la mayoría de los casos, la ateroesclerosis se mantiene asintomática por décadas. Sin embargo, los cambios ocurren cuando se producen reducciones significativas en el flujo sanguíneo causadas por el crecimiento de las placas y la estenosis luminal o la obstrucción trombótica aguda inducida por erosión endotelial o ruptura de la  placa. Un gran cuerpo de evidencia apunta hacia interacciones del sistema inmune con los clásicos factores de riesgo para manejar la inflamación, el más importante factor que maneja la formación e inestabilidad de la placa.

   Es reconocido que la ateroesclerosis es una enfermedad inflamatoria crónica iniciada por retención y modificación de lipoproteína de baja densidad (LDL) en la capa íntima de arterias grandes y de mediano tamaño, lo cual activa el endotelio y promueve la infiltración de células inmunes. Los macrófagos residentes en tejido y los derivados de monocitos son los tipos de células inmunes más comunes que se encuentran en las placas en crecimiento. Después de la desregulación de la captación de LDL modificadas, los macrófagos se convierten en células foam que son atrapadas en la pared del vaso, eventualmente mueren y aumentan el proceso inflamatorio local. Compuesto primariamente por células de músculo liso (CML) y colágeno, un cap fibroso es formado  para estabilizar la lesión y prevenir moléculas pro-trombosis procedentes de la capa íntima que contactan con la corriente sanguínea. Sin embargo, el proceso inflamatorio en la pared vascular puede provocar alta expresión de metaloproteinasas (MMP) y otros mediadores que pueden causar adelgazamiento y ruptura de la placa ateroesclerótica. No solo los macrófagos, también las células T son abundantes en las placas ateroescleróticas. La población de células T más común, células T helper (Th)1 acelera la enfermedad, especialmente secretando interferon γ (IFNγ) el cual actúa como pro-inflamatorio desestabilizando la placa. La hipercolesterolemia ha sido asociada con la expansión de distintos tipos de células T CD8+ que también pueden influir en la enfermedad. Además de inhibir la proliferación de CML y reducir su capacidad para producir colágeno, el IFNγ puede inducir polarización de macrófagos M1 y la secreción de interlequinas (IL) IL1β, IL-12 y TNF, todos jugadores claves en la aterogénesis. El medio de citoquinas producido por células inmunes y vasculares puede inducir alta expresión de moléculas co-estimuladoras CD80 y CD86 y complejo mayor de histocompatibilidad clase II (MHCII) lo cual crea un asa pro-inflamatoria provocando un incremento en la respuesta Th1.

   Contrarrestando las respuestas pro-inflamatorias en la pared vascular, los macrófagos polarizados M2 y las células T reguladoras (Treg) actúan en esa dirección. Los macrófagos M2 secretan IL-10 y resuelven mediadores lípidos que pueden limitar la activación inmune, incrementan la esferocitosis y promueven la resolución de la inflamación vascular. Las células Treg apoyan estos procesos por diferentes mecanismos, incluyendo la inhibición de respuestas tipo I, a través de la secreción de TGFβ e IL-10 y efectos mediados por interacciones de  la proteína 4 asociada a linfocitos citotóxicos (CTLA4) con CD80/CD86 y promoviendo la polarización de macrófagos M2.

   Las respuestas inmune innata y adquirida pueden influir en todos los estados de la ateroesclerosis. Los datos de modelos animales indican que modulando los repertorios de células inmunes y sus mediadores secretados en la pared arterial, como citoquinas y moléculas co-estimuladoras y usando diferentes protocolos de tolerancia se pueden prevenir ECV ateroescleróticas.

   El metabolismo y la inducción de respuestas inmunes están muy relacionadas. La mayoría de funciones básicas de las células inmune como la síntesis de mediadores inmunes incluyendo citoquinas y quimioquinas y la formación de nueva membrana celular permitiendo la proliferación, la abundancia microambiental o sistémica de diferentes nutrientes y sus metabolitos pueden modular la diferenciación de células inmunes y su polarización así como su función, lo cual resulta en respuestas protectoras.

   El metabolismo celular para generar ATP involucra una serie de reacciones termodinámicamente desfavorables que, además de energía, pueden proporcionar los elementos necesarios para la síntesis de macromoléculas. El metabolismo energético es dinámicamente regulado en los macrófagos y puede ayudar a estas células a adaptarse a nuevas funciones. La glucosa es la principal fuente de ATP para la mayoría de los tipos de células, incluyendo macrófagos y células T. Una vez que la glucosa cruza la membrana plasmática y entra a la célula es metabolizada a través de dos rutas metabólicas principales, glucólisis y ruta de las pentosas fosfato (PPP). En normoxia, es de esperar que  la glucólisis regule la formación de piruvato el cual es metabolizado a través del ciclo TCA en la mitocondria involucrando una serie de reacciones llamada fosforilación oxidativa (OXPHOS), que genera 36 moléculas de ATP. En un ambiente anaeróbico, es de esperar que el metabolismo del piruvato provoque un incremento de la formación de lactato y menores cantidades de ATP (2 moléculas).

   En el estado estacionario, los macrófagos adquieren energía eficientemente usando la ruta OXPHOS. Por el contrario, los macrófagos polarizados (M1 y M2) adquieren características metabólicas de producción de energía que reflejan distintos microambientes. En su estado de polarización extrema, los macrófagos M1, los cuales pueden ser inducidos por lipopolisacáridos (LPS) e IFNγ y los macrófagos M2 no clásicos que pueden ser inducidos por IL-4 e IL-13 exhiben perfiles metabólicos muy distintos. El  receptor similar a Toll 4 (TLR4) y el receptor de IFNγ (IFNR), NF-κB y la señal AKT disparan alteraciones metabólicas claves en los macrófagos, incluyendo incremento en la  captación de glucosa y la activación del factor de transcripción inducible por hipoxia-1α (HIF-1α) e incremento de flujo de glucosa hacia la formación de lactato debido a la regulación al alza de la piruvato deshidrogenasa quinasa 1 (PDK1) y la lactato deshidrogenasa A (LDHA). Estos cambios son necesarios para que los macrófagos M1 lleven a cabo efectivamente la fagocitosis, la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) y secreten citoquinas pro-inflamatorias. Paralelo a la glucólisis, la PPP maneja la generación de ribosa-5-fosfato y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). La ribosa-5-fosfato es un precursor de nucleótidos y aminoácidos, mientras la NADPH es usada por varias enzimas en los macrófagos, incluyendo NADPH oxidasa, la cual puede influir en la generación de ROS en los macrófagos.

   Las alteraciones metabólicas en los macrófagos no se limitan a la glucólisis y los experimentos con macrófagos M1 revelan que el ciclo TCA es truncado, resultando en reducción de las actividades de la succinato deshidrogenasa (SDH)  y la isocitrato deshidrogenasa (IDH), provocando una sobre carga de succinato y citrato, respectivamente. El exceso de citrato en el citoplasma  incrementa la producción de acetil coenzima A (CoA), la cual influye en la síntesis de ácidos grasos. En este contexto, la ATP citrato liasa (ACLY), la cual cataliza la transformación de citrato en acetil-CoA y oxaloacetato es inducida por ligandos TLR y está implicada en la producción de IL-1β, CXCL1 e IL-12. El succinato acumulado en el citoplasma puede estabilizar al HIF1α independientemente de condiciones normóxicas o hipóxicas e influir en la transcripción de mediadores metabólicos e inflamatorios. El succcinato también puede influir en la inflamación a través de la succinalación de la piruvato quinasa M2 (PKM2) y activa la señal del receptor acoplado a proteína G (GPR-91), ambos mecanismos han sido asociados con la regulación de la producción de IL-1β.

   Además de la glucólisis y la PPP, la glucosa puede ser metabolizada vía biosíntesis de hexosamina (HBP), provocando la generación de uridin difosfato N-acetilglucosamina (UDP-GlcNAc). Cuando la disponibilidad de glucosa es limitada, el ATP puede ser generado a través de la oxidación de ácidos grasos (FAO). Los macrófagos son capaces de captar diferentes formas de lípidos como ácidos grasos unidos a albúmina, LDL, VLDL, HDL y lipoproteínas modificadas a través de receptores específicos incluyendo CD36. Intracelularrmente, los ácidos grasos libres alcanzan las mitocondrias donde tiene lugar la FAO y provocan la producción de acetil-CoA, NADH y FADH2, las cuales entran al ciclo TCA y la cadena transportadora de electrones para producir ATP.

   Los macrófagos M2 polarizados promueven principalmente respuestas anti-inflamatorias. En general, el metabolismo de los macrófagos M2 es comparable con el metabolismo de los macrófagos quiescentes y desviado hacia la OXPHOS y la FAO. Esta propensión de los macrófagos M2 a metabolizar lípidos está asociada con el incremento de lipoproteína lipasa (LDL) y la expresión de CD36, lo cual facilita la captación y el transporte intracelular de ácidos grasos. Sin embargo, estudios recientes sugieren que el metabolismo en los macrófagos M2 podría ser más complejo y demuestran que la carnitina palmitoil transferasa 2 (CPT2) es dispensable para la polarización de los macrófagos M2 mientras la glucólisis juega un rol clave en las primeras etapas de la polarización.

   Los macrófagos utilizan glutamina en altas tasas y dependen de fuentes extracelulares de este aminoácido. La glutamina puede promover la síntesis de otros aminoácidos, nucleótidos, NADPH y constituye una fuente energética clave. El flujo de glutamina hacia el ciclo TCA es un mecanismo por el cual la síntesis de susccinato es promovida en los macrófagos M1. El exceso de succinato también puede ser generado a través del “shunt” del GABA en el cual la glutamina  es metabolizada en glutamato, GABA, succinil semialdehído  y posteriormente succinato.

   Hay un cuerpo de evidencia que relaciona el metabolismo del triptófano (Trp) a través de la ruta kinurenina con el mecanismo de tolerancia periférica. Está demostrado que durante la inflamación, la indolamina 2,3-dioxigenasa (IDO) 1, la primera etapa limitante en  esta ruta es sobre expresada. La sobre expresión de IDO maneja la depleción local de Trp así como la producción de metabolitos bioactivos, los cuales a través  de interacciones con receptores específicos pueden regular la división celular y desviar la producción de citoquinas hacia un fenotipo anti-inflamatorio.

   Es ampliamente reconocido que la arginina es un aminoácido muy importante en las ECV, actuando como sustrato para la formación de óxido nítrico (NO), el cual es una molécula de señalización clave que regula el tono vascular y la presión sanguínea. En los macrófagos, el NO puede prevenir la repolarización de M1 a M2 interfiriendo con la cadena transportadora de electrones mitocondrial. Los macrófagos M2 sobre expresan ARG1, lo cual provoca la formación de urea y ornita que posteriormente son metabolizadas a poliaminas y prolina.

   Una respuesta básica de una célula T involucra una rápida proliferación y producción de moléculas efectoras. En presencia de un  antígeno presentado por moléculas MHC, las células T son rápidamente activadas, lo cual demanda una rápida producción de energía a través de la glucólisis.  El perfil metabólico de una célula T activada se caracteriza por un desvío de la OXPHOS, lo cual es descrito como la ruta central de producción de energía de la célula T en reposo. En comparación con los macrófagos, las células T exhiben tasas metabólicas más bajas y demandas bajas de energía para su supervivencia. La energía producida vía OXPHOS no es suficiente para  los nuevos requerimientos de la célula T. La activación aumenta no solo las necesidades de energía sino también las necesidades de precursores metabólicos  intermediarios que pueden ser obtenidos a través de la regulación al alza de la glucólisis. En este contexto, las células T activadas se caracterizan por incremento en la captación de glucosa y la regulación al alza de diferentes enzimas glucolíticas, lo cual incrementa la producción intracelular de piruvato y lactato. A través de la regeneración de NAD+ y el mantenimiento favorable de la relación AMP/ATP, la glucólisis asegura una abundancia de intermediarios metabólicos para la síntesis de lípidos, proteínas y ácidos nucleicos y proporciona los medios para el mantenimiento de un balance redox estable. La glucólisis también puede regular directamente la secreción de citoquinas. La activación de la célula T al aumentar la glucólisis también dispara la ruta PPP. Esta ruta proporciona precursores para la síntesis de nucleótidos, aminoácidos aromáticos y NADPH, la cual está involucrada en el mantenimiento del glutatión reducido y apoya la síntesis de lípidos. Aunque la glucosa es considerada el nutriente más crítico en las células T, la glutamina también puede ser esencial para la activación de células T. Después de la activación, las células T  CD8+ proliferan y se diferencian en células efectoras citotóxicas, mientras las células T CD4+, dependiendo del contexto del microambiente puede diferenciarse en un efector T distinto, incluyendo Th1, Th2, Th17 o células reguladoras (Treg). Comparadas con otras células T efectoras, las células Treg exhiben un perfil metabólico peculiar. La activación de la ruta mTORC favorece la diferenciación de células T efectoras y suprime la generación de células Treg. Sabemos ahora que los perfiles metabólicos de las células T efectoras son preferencialmente glucolíticos debido a la activación de mTOR, mientras en las células Treg, la energía es generada principalmente a través de FAO y OXPHOS.

   Estudios recientes han revelado un ambiente metabólico complejo en las placas ateroescleróticas. Se Ha sugerido que las placas inestables exhiben incremento de la glucólisis, elevada utilización de aminoácidos y disminución de la FAO en comparación con las placas estables. Las placas ateroescleróticas son tejidos muy complejos compuestos de lípidos (colesterol, esteres de colesterol y fosfolípidos), un amplio rango de células inflamatorias (especialmente monocitos/macrófagos y linfocitos), CML (contráctiles y transdiferenciadas) y varios elementos fibroso, incluyendo tejido conectivo y proteínas de la matriz extracelular (colágeno, proteoglucanos y fibras de fibronectina elástica). Los factores metabólicos vasculares y las células inmunes, así como la acumulación de metabolitos extracelulares podrían ayudar a explicar los diferentes fenotipos de las placas ateroescleróticas.

   Las placas ateroescleróticas de humanos y ratones exhiben mayor captación de glucosa que los vasos sanos. Los estudios de imágenes demuestran que los macrófagos en las placas ateroescleróticas sobre expresan enzimas glucolíticas e incremento de metabolitos derivados de la glucólisis y la PPP, como citrato, fumarato y succinato, similar a lo observado en leucocitos activados. En la ateroesclerosis humana, la regulación glucolítica de la función de los macrófagos es crucial. Las investigaciones demuestran que monocitos y macrófagos de pacientes con ateroesclerosis exhiben incremento del flujo glucolítico. Este incremento en la glucólisis promueve la dimerización de PKM2 y su translocación nuclear, provocando un incremento en la expresión de IL-6 e IL-1β. Estudios in vivo con placas ateroescleróticas humanas demuestran que la LDL oxidada (oxLDL) y la hipoxia incrementan la glucólisis y promueven un fenotipo pro-inflamatorio en los macrófagos. Entonces, el incremento en la captación de glucosa en las placas ateroescleróticas podría ser una consecuencia de la adaptación de los macrófagos a la hipoxia y al microambiente metabólico de la placa ateroesclerótica.

   Los mecanismos de biosíntesis de ácidos grasos y síntesis de colesterol son regulados al alza en las células T activadas. El colesterol y los derivados de colesterol pueden dar forma a  la fluidez de la membrana y participar en la dinámica de las balsas lipídicas, cambiando la co-localización de receptores cruciales, incluyendo sinapsis inmunológicas. La homeostasis intracelular de colesterol es crucial para el mantenimiento de la estabilidad y función de las células Treg. La acumulación intracelular de colesterol puede afectar la membrana de las balsas lipídicas rica en receptores de IL-2 y abolir la señal IL-2 y la función y homeostasis de las células Treg.

    En conclusión, similar a otras condiciones inflamatorias, el proceso inflamatorio ateroesclerótico en la arteria ha sido asociado con una desregulación de la respuesta metabólica local. El incremento en el metabolismo energético caracterizado por alta glucólisis, hipoxia, ciclo TCA truncado, síntesis de ácidos grasos y metabolismo defectuoso de aminoácidos están asociados con inflamación y acumulación de lípidos en la placa ateroesclerótica. Por otra parte, alta OXPHOS y FAO  están asociados con disminución de la inflamación y potencialmente con limitada progresión de la ateroesclerosis. Hay evidencia acumulada que el inmunometabolismo es afectado por factor pro-aterogénesis en la sangre  así como también en el ambiente de la placa ateroesclerótica.

Fuente: Forteza MJ, Ketelhuth DFJ (2022). Metabolism in atheroesclerotic plaques: immunoregulatory mechanisms in the arterial Wall. Clinical Science 136: 435-454.