Autofagia de células β

La insuficiencia para mantener la homeostasis de la glucosa subyace a la diabetes tipo 1 (DT1) y la diabetes tipo 2 (DT2). Aunque estas dos formas de diabetes son muy diferentes, la insuficiencia y la muerte de células β juegan un rol clave en la patogénesis  de ambas enfermedades, provocando hiperglucemia debido a la reducida capacidad para producir insulina. En la DT1, la apoptosis de células β es el evento subyacente  que provoca la disglucemia, mientras en la DT2, la resistencia a la insulina provoca la incapacidad para responder a la demanda de insulina. El estrés oxidativo y el estrés de retículo endoplásmico (RE)  son los mayores contribuyentes de la disfunción y la muerte de células β bajo una variedad de condiciones en la DT1 y la DT2. Estudios recientes demuestran que la autofagia promueve la supervivencia de células β retardando la apoptosis y facilitando las respuestas adaptativas que mitigan los efectos perjudiciales del estrés de RE y el daño del ADN, éste último directamente relacionado con el estrés oxidativo.  

   La autofagia es un proceso catabólico que permite el reciclaje de los contenidos celulares dañados o en exceso, promoviendo la homeostasis y la supervivencia celular bajo condiciones de estrés. Durante la autofagia, los componentes celulares son tomados por lisosomas que contienen hidrolasas ácidas para su degradación. Hay cuatro mecanismos principales de captación de componentes celulares por los lisosomas: macroautofagia, microautofagia, crinofagia y autofagia mediada por chaperona. Generalmente, el término “autofagia” ha sido usado para describir el proceso de macroautofagia, el cual consiste en la formación de autofagosomas que contienen material celular que posteriormente se fusionan con los lisosomas para degradar la carga del autofagosoma. Este proceso es distinto a la microfagia, donde los componentes celulares son tomados directamente a través de la invaginación de la membrana lisosomal. La crinofagia es un mecanismo de captación directa en el lisosoma, donde las vesículas secretoras son captadas específicamente por los lisosomas. En la autofagia mediada por chaperona, las proteínas citoplasmáticas son conducidas a los lisosomas para su degradación a través del reconocimiento de secuencias específicas de aminoácidos por la proteína chaperona hsc70.

   La autofagia puede ser selectiva o no selectiva. La autofagia no selectiva es un tipo de degradación en el cual el autofagosoma simplemente toma materiales presentes en su ambiente adyacente. La privación de nutrientes a menudo estimula este tipo de autofagia en donde cualquier componente del citoplasma puede ser degradado. La autofagia también puede ser selectiva, en la cual  blancos específicos son reclutados para  degradación por  autofagosomas a través de interacciones con las proteínas adaptadoras de autofagia (también conocidas como receptores de autofagia) como la p62 (SQSTM1). Las proteínas adaptadoras de autofagia se unen específicamente a proteínas u organelos y los conducen hacia los autofagosomas a través de interacciones con moléculas LC3 localizadas en la membrana del fagoforo. Hasta el presente se han descrito más de 15 tipos de autofagia selectiva que funcionan para mantener o restaurar la homeostasis celular bajo condiciones de estrés y son definidos según el blanco específico que va ser degradado. Por ejemplo, lipofagia es la degradación autofágica de gotas de lípidos, mitofagia es la degradación de mitocondrias, REfagia es el reciclaje de RE y proteafagia es la degradación del proteasoma por autofagia. En respuesta a la privación de nutrientes, la lipofagia, la REfagia y la proteafagia funcionan para proporcionar energía y nutrientes así como también para contrarrestar el estrés inducido por el ayuno. La mitofagia previene y mejora el estrés oxidativo de la célula a través de la degradación de mitocondrias disfuncionales. En un ambiente de estrés oxidativo, como se observa en la patogenia de la DT1 y la DT2, la autofagia selectiva puede también mediar la activación de la respuesta antioxidante a través de la degradación de KEAP1, un inhibidor clave de la respuesta antioxidante. 

   La respuesta autofágica a estresores celulares como la carencia de aminoácidos, factores de crecimiento, oxígeno o ATP es integrada primariamente a través de la ruta de señalización del complejo blanco de rapamicina de mamíferos 1 (mTORC1). En condiciones normales, el mTORC1 es activo y regula negativamente el inicio de la autofagia a través de la fosforilación inhibidora de proteínas en el complejo ULK1. Hay múltiples moléculas que funcionan para conducir señales de nutrientes a través del mTORC1 en la regulación de la autofagia. En condiciones de ayuno o depleción de energía, la proteína quinasa activada por AMP (AMPK) responde a los cambios en la relación ATP/ADP y activa la autofagia a través de la inhibición del  mTORC1. En respuesta al ayuno y la hipoxia, la desacetilasa SIRT1 activa la autofagia a través de varios mecanismos incluyendo la inhibición de mTORC1 y la desacetilación de varios componentes de la maquinaria autofágica (Atg5, Atg7 y LC3). Los polimorfismos en la SIRT1 han sido asociados con incrementos en la incidencia de la DT1, lo cual sugiere la importancia de esta ruta de señalización en la supervivencia de las células β. Otros factores que regulan la autofagia a través del mTORC1 en respuesta a factores ambientales incluye a las proteínas Akt y  ERK1/2. Entonces, la inhibición del mTORC1 es un punto crítico en el cual convergen múltiples tipos de estresores celulares, lo cual resulta en la activación de la autofagia como una respuesta adaptativa para promover la supervivencia celular.

   La autofagia juega muchos roles importantes en la célula β, incluyendo el soporte  de la diferenciación durante el desarrollo y la contribución a la función de la célula β. La autofagia promueve la supervivencia de células β bajo condición de estrés que puede provocar la muerte celular, incluyendo depleción de nutrientes, estrés oxidativo, estrés de RE, daño mitocondrial e hipoxia.  La autofagia, además de su rol en la supervivencia de la célula β, juega un rol activo en la regulación de la homeostasis  de la insulina. La estimulación de la autofagia a través de la inhibición del mTORC1  reduce la secreción de insulina en islotes pancreáticos de humanos y roedores. La importancia de la regulación balanceada  de la autofagia para la supervivencia de la célula β  es resaltada por las observaciones  que indican que la activación y la inhibición  de la autofagia a través de la falta -o hiperactivación-  del mTORC1, respectivamente, provocan un incremento en la apoptosis  de células β y una disminución de la masa de células β. Estos datos demuestran que la autofagia juega un rol crítico en el mantenimiento de la función y la supervivencia de las células β a través de múltiples mecanismos.

   Un RE funcional es crítico para el acoplamiento estímulo-secreción  en la célula β, lo cual permite la secreción de insulina en respuesta a estímulos externos. La alta demanda para sintetizar y secretar insulina en respuesta a cambios ambientales hace a las células β particularmente susceptibles al estrés de RE. La célula β debe sintetizar rápidamente insulina en respuesta a los incrementos de glucosa mientras mantiene la capacidad para convertir proinsulina en la forma madura de insulina. Las alteraciones de este delicado balance pueden disparar la disfunción de células β. En estas condiciones, si la homeostasis normal del RE no es restaurada, las células β eventualmente experimentan apoptosis que es disparada por la respuesta a proteínas desdobladas. La elevación crónica de glucosa y ácidos grasos asociada con la DT2 dispara el estrés de RE en las células β  y las mutaciones en los componentes de la ruta de respuesta a proteínas desdobladas han sido relacionadas con el desarrollo de diabetes en humanos y roedores. Por otra parte, el estrés de RE ha sido implicado  como uno de los mecanismos que contribuyen al desarrollo de oligómeros del polipéptido amiloide del islote humano (hIAPP) a través de defectos en el procesamiento de la proteína precursora, prohIAPP, a hIAPP. El hIAPP es co-secretado con la insulina y juega un rol clave en la regulación de la glucemia. En humanos, el hIAPP puede formar agregados de amiloide, los cuales   han sido relacionados con la muerte de células β y el desarrollo de DT2. Estudios recientes proporcionan evidencia que la autofagia  es importante para mejorar los efectos citotóxicos del hIAPP. En las células β, el bloqueo de la autofagia incrementa la toxicidad del hIAPP. Estos datos sugieren que la autofagia juega un rol importante en el aclaramiento de oligómeros de hIAPP, lo cual previene la citotoxicidad del hIAPP, la insuficiencia/muerte de células β y el desarrollo de diabetes.  

   El estrés de RE resulta de la acumulación de proteínas desdobladas y mal plegadas y puede iniciar la apoptosis si las condiciones de estrés no son mejoradas. La estimulación de la autofagia puede degradar las proteínas mal plegadas o las regiones disfuncionales del RE y restaurar la integridad estructural y funcional del RE. Estudios recientes sugieren que el estrés de RE por sí mismo estimula la autofagia, posiblemente como un mecanismo de retroalimentación  para proteger la célula.  En este contexto, el bloqueo del estrés de RE bloquea la autofagia y el bloqueo de la autofagia incrementa el estrés de RE. Más aún, la pérdida de autofagia en las células β compromete la respuesta a proteínas desdobladas, lo cual resulta de un incremento en la incidencia de diabetes.

   Las células β son altamente susceptibles al estrés oxidativo. Algunas de las proteínas involucradas en la respuesta al estrés de RE, como eIF2α, también juegan un rol en la respuesta al estrés oxidativo. Las especies reactivas de oxigeno (ROS) son generadas durante el metabolismo de la glucosa y constituyen una importante señal para disparar la secreción de insulina y la expansión de células β en respuesta a los elevados niveles de glucosa. Sin embargo, la exposición crónica a ROS bajo condiciones de hiperglucemia puede provocar daño celular, alteración de la secreción de insulina estimulada por glucosa y, eventualmente, muerte celular. Entonces, la hiperglucemia durante la patogenia de la diabetes  puede exacerbar la apoptosis  de células β a través del estrés oxidativo disparado por las ROS. El factor de transcripción NRF2 es juega un rol clave en la ruta antioxidante  y tiene una función citoprotectora  en la célula β, en parte a través de estimulación de la autofagia. La activación de NRF2 estimula la expresión de sus genes blancos antioxidantes en los islotes pancreáticos de humanos e incrementa la supervivencia  de los islotes después de la inducción del estrés oxidativo. La expresión de NRF2 aumenta tempranamente en la diabetes  y tiene como funciones reducir la apoptosis, preservar la masa de células β y mantener la homeostasis de la glucosa. La autofagia también puede promover la activación de NRF2 a través de la proteína p62, la cual bloquea la interacción entre el NRF2 y su inhibidor KEAP1, conduciendo al KEAP1 al autofagosoma para su degradación. Por lo tanto, la autofagia y la respuesta antioxidante  participan en un asa de retroalimentación  en la cual mutuamente se refuerzan para promover la homeostasis y supervivencia  celular. 

   La autofagia también combate el estrés oxidativo a través de la degradación de mitocondrias disfuncionales  vía mitofagia. La mitofagia mediada por PINK1-PARKIN es estimulada por las elevaciones moderadas de ROS que provocan una reducción del potencial de membrana mitocondrial. La quinasa PINK1  se acumula en la membrana externa de la mitocondria despolarizada, lo cual resulta en el reclutamiento de su blanco PARKIN, una ligasa de ubiquitina E3. La PARKIN ubiquitiniza múltiples proteínas en la membrana externa mitocondrial, provocando el reclutamiento de proteasomas y autofagosomas para la degradación  de mitocondrias.  La hiperglucemia y la glucolipotoxicidad  pueden afectar la mitofagia. La hiperglucemia puede estimular altos niveles de ROS que alteran la maquinaria de mitofagia, lo cual resulta en acumulación de mitocondrias disfuncionales. La glucolipotoxicidad puede causar acumulación citoplasmática de p53, lo cual bloquea la translocación  de PARKIN e inhibe la mitofagia. Los pacientes con DT2 exhiben disminución  de la expresión  de componentes de la ruta de mitofagia y las mutaciones en los genes cuyos productos funcionan en la mitofagia, incluyendo PINK1, PARKIN, CLEC16A y PDX1, han sido asociadas  con DT1 y DT2. Uno de estos componentes de la mitofagia, CLEC16A, juega un rol clave  en la degradación de PARKIN mediada por proteasoma. PDX1, un gen asociado con DT2, regula la expresión de CLEC16A y la pérdida de PDX1 provoca un bloqueo de la mitofagia en el cual los autofagosomas que contienen mitocondrias fallan en la fusión con los lisosomas.  Estos datos sugieren que la autofagia juega un rol importante  como mecanismo adaptativo endógeno para mantener la función de células β, prevenir el estrés oxidativo y proteger contra el desarrollo de diabetes.

   Múltiples factores estimulan la autofagia en la célula β, incluyendo componentes de la dieta, citoquinas y GLP-1. Estos factores pueden contribuir a la regulación de la autofagia  de células β durante la patogenia de DT1 y DT2. El ayuno y la privación de aminoácidos  son activadores de la autofagia en múltiples tipos de células. En las células β, los  períodos cortos de privación nutrientes pueden estimular la crinofagia, mientras el ayuno de larga duración  puede ser requerido para estimular la macroautofagia. La exposición excesiva y crónica  a glucosa y ácidos grasos  puede bloquear  el mecanismo adaptativo endógeno por el cual las células β podrían protegerse del estrés y la toxicidad, lo cual contribuye  al desarrollo de la diabetes. Por otra parte, tanto el exceso como la restricción calórica estimulan la autofagia en la célula β. Las células β responden al estrés provocado por los cambios drásticos en los niveles de nutrientes  activando la autofagia para promover la supervivencia celular y los efectos mediados  por el NRF2 juegan un rol clave  en este proceso. Varios estudios recientes  han identificado vitaminas específicas  y otros componentes de la dieta  que promueven la autofagia en las células β y juegan un rol protector en la respuesta al estrés. Por ejemplo, la vitamina D y los ácidos omega-3 tienen roles protectores en las células β a través de la  estimulación de la autofagia.

   Las citoquinas pro-inflamatorias como el factor de necrosis tumoral-α (TNF-α), la interleuquina (IL)-1β y el interferón (INF)-γ han sido asociadas con la patogenia de DT1 a través de mecanismos que involucran niveles elevados de ROS y la inducción de estrés de RE. La IL-1β y el INF-γ estimulan las fases iniciales de la autofagia a través de la activación dependiente de estrés de RE de la AMPK, pero también inhiben el flujo autofágico debido a alteración de la función lisosomal, lo cual contribuye a la apoptosis de células β. Otras citoquinas, como la IL-6,  estimulan la autofagia  bajo condiciones basales y protegen  a las células β de la apoptosis  inducida por TNF-α, IL-1β e INF-γ.

   Los reportes recientes en modelos de diabetes han demostrado que el rol protector del GLP-1 (Glucagon like peptide-1) en la célula β puede ser mediado en parte por la estimulación de la autofagia. Además de su rol crítico en la estimulación de la secreción de insulina, el GLP-1 juega un rol en el incremento de la proliferación de células β. El GLP-1 restaura la actividad lisosomal normal y la autofagia es requerida para su efecto protector en la célula β.

   En conclusión, la autofagia es un proceso catabólico que promueve la homeostasis y la supervivencia celular en condiciones de estrés. En las células β, la autofagia, a través de múltiples mecanismos,  retarda la apoptosis y promueve respuestas adaptativas para atenuar los efectos perjudiciales del estrés de RE y el daño del ADN relacionado con el estrés oxidativo.

Fuente: Marasco MR, Linnemann AK (2018). β-cell autophagy in diabetes pathogenesis. Endocrinology 159: 2127-2141.

Hipogonadismo y obesidad masculina

Los estudios observacionales recientes sugieren una interacción entre obesidad abdominal  y baja testosterona como predictores del incremento de riesgo de mortalidad. Por otra parte, los estudios preclínicos reportan que la obesidad paterna  predispone a la obesidad y la supresión del eje hipotálamo-hipófisis-testículo (HHT) preferencialmente en la descendencia masculina.

   Las reducciones en las concentraciones circulantes de testosterona en hombres obesos fueron reportadas por primera vez en la década de 1970. Estos estudios reportaron dos patrones principales de anormalidades en el eje HHT. Los hombres con obesidad clase 1 (índice de masa corporal (IMC) 30-35 kg/m²) y clase 2 (IMC 35-40 kg/m²) exhiben primariamente baja concentración de testosterona total (disminución hasta 50% en comparación con controles no obesos), pero sin disminución de la testosterona libre. Las concentraciones de gonadotropinas no expresaron elevación. La reducción de testosterona total fue interpretada como reflejo de la  disminución asociada con la obesidad de sus proteínas transportadoras (SHBG). En estos hombres no se evidenciaron deficiencia clínica de deficiencia de andrógenos o de espermatogénesis defectuosa. En los hombres con obesidad clase 3 (IMC>40 kg/m²), los estudios demostraron reducciones en las concentraciones de testosterona total y testosterona libre. Un estudio en hombres obesos de mediana edad reportó reducciones en la concentración diurna y la amplitud de los pulsos de hormona luteinizante (LH) en comparación con los controles no obesos. La disminución asociada con la obesidad en la amplitud de los pulsos de LH fue confirmada en un estudio controlado con hombres con IMC>40 kg/m². Estos hallazgos son consistentes con un genuino hipogonadismo bioquímico en hombre con obesidad masiva. Sin embargo, ninguno de los estudios encontró evidencia de deficiencia clínica de andrógenos o de reducida calidad del semen en los hombres con obesidad masiva.  

   La relación obesidad-hipogonadismo ha sido examinada en estudios con grandes poblaciones. Estos estudios incluyeron hombres de mediana edad y adultos mayores y han confirmado que la obesidad es el factor más importante asociado con baja testosterona. En un estudio de 1849 hombres de 45 o más años, 40% de los obesos no diabéticos y 50% de los obesos diabéticos tenían bajas concentraciones de testosterona libre. En el European Male Ageing Study (EMAS) que incluyó 3369 hombres entre 40 y 79 años (edad promedio 60 años), los hombres obesos tenían concentraciones de 5,1 nmol/L (30%) de testosterona total  y 53,7 pmol/L (19%) de testosterona libre más bajas que los hombres delgados (IMC<25 kg/m²). En general, las concentraciones de gonadotropinas no estaban elevadas en los hombres obesos. En muchos de los estudios epidemiológicos, la baja concentración de testosterona está asociada con síntomas de deficiencia de andrógenos  y marcadores clínicos de deficiencia de andrógenos como disfunción sexual, masa magra reducida, disminución del rendimiento físico, densidad ósea disminuida y anemia. En el EMAS, la obesidad está asociada con un aumento del riesgo de hipogonadismo de origen tardío (LOH) o no clásico definido como la coexistencia  de disfunción sexual y baja concentración de testosterona. En la investigación Boston Area Community Health (BACH), la obesidad central más que los efectos de la edad y el estatus de salud,  es el contribuyente más importante a la deficiencia de andrógenos sintomática. En resumen, los estudios poblacionales sugieren que en los hombres viejos, la obesidad está fuertemente asociada con el hipogonadismo no clásico. Las concentraciones de testosterona en el hipogonadismo no clásico varían entre 8 y 12 nmol/L. Las implicaciones clínicas de esta modesta disminución de la concentración de testosterona se mantienen aún inciertas.

   La relación entre baja testosterona y obesidad es bidireccional. Esto es apoyado por estudios observacionales. Por una parte, la obesidad está asociada con una disminución más rápida y relacionada con la edad en la testosterona circulante. Por otra parte, la testosterona baja predice una futura ganancia de peso, especialmente el desarrollo de adiposidad central con acumulación de grasa visceral. Sin embargo, la evidencia acumulada sugiere que los efectos de la obesidad sobre las concentraciones de testosterona pueden ser más sustanciales que los efectos de la testosterona sobre la adiposidad. En este contexto, la pérdida de peso está asociada con marcados incrementos en testosterona total en proporción con la magnitud de la disminución de peso corporal. La cirugía bariátrica está asociada con incrementos de testosterona entre 6,51 y 10,95 nmol/L acompañados con incrementos en gonadotropinas y testosterona libre, lo cual sugiere una genuina reactivación del eje HHT. Por el contrario, los cambios en la concentración de la testosterona circulante  inducidos por privación de –o tratamiento con- testosterona tienen efectos limitados sobre el peso corporal. Por ejemplo, en un estudio controlado de hombres con cáncer de próstata, la terapia de privación de andrógenos (TDA) por 12 meses redujo la testosterona circulante hasta casi cero, pero solo tuvo efectos menores sobre el peso corporal. En promedio, el IMC aumentó 0,65 kg/m2, la masa grasa aumentó 3,5 kg y la masa magra disminuyó 1,5 kg. Aunque estos cambios en la composición corporal son metabólicamente favorables, la TDA consistentemente incrementa la resistencia a la insulina. Sin embargo, la TDA causa concentraciones de testosterona mucho más bajas (<2 nmol/L) que las observadas en el hipogonadismo no clásico, donde las concentraciones de testosterona  varían entre 8 y 12  nmol/L. Esto sugiere que las modestas reducciones de testosterona del hipogonadismo no clásico no causan marcados cambios en el metabolismo de la glucosa. En concordancia con lo anterior, los estudios observacionales y experimentales  en hombres, reportan que la resistencia a la insulina aumenta solamente si la testosterona circulante disminuye por debajo de 8,0 nmol/L. En resumen, mientras la evidencia sugiere que la relación entre obesidad y baja testosterona es bidireccional, los cambios en la adiposidad pueden tener  efectos más dominantes sobre el eje HHT en comparación con los cambios en la  dirección contraria.

   La relación entre el estatus nutricional y la capacidad reproductiva  está bien documentada  y tanto el déficit de energía como el exceso de energía comprometen el potencial reproductivo. Los mecanismos exactos son desconocidos pero la reversión de la supresión del eje HHT con la pérdida de peso sugiere un rol patogénico  del exceso de tejido adiposo. Entre los factores postulados para mediar la supresión del eje HHT mediada por obesidad están el  estradiol, la leptina y las citoquinas pro-inflamatorias. Los estudios con hombres obesos sanos jóvenes y de mediana edad  reportan incrementos en las concentraciones circulantes de estradiol  en comparación con controles delgados. Por lo tanto, la retroalimentación negativa central mediada por estradiol ha sido postulada como contribuyente de la supresión del eje HHT. Sin embargo, los cambios en las concentraciones de estradiol debidos a la pérdida de peso  han sido variables, con algunos estudios que no demuestran disminución a pesar de la evidencia de la reactivación del eje HHT  asociada con la pérdida de peso. Un estudio reciente reporta baja expresión de la enzima aromatasa en el tejido adiposo de hombres obesos con baja testosterona en comparación con controles con testosterona circulante normal. En estudios preclínicos, la inflamación del tejido adiposo y la resistencia a la insulina están asociadas con reducción de la expresión de aromatasa y la sobre expresión de esta enzima específicamente en el tejido adiposo reduce la inflamación e incrementa la sensibilidad a la insulina. Esto está de acuerdo con los estudios experimentales en hombres que reportan que el estradiol, más que la testosterona, es importante en la prevención de la adiposidad y la resistencia a la insulina.

   La leptina promueve saciedad e incremento del gasto de energía. Los hombres obesos usualmente son resistentes a la leptina y las concentraciones circulantes de leptina se correlacionan positivamente con el peso corporal total y la adiposidad.  En estudios con hombres tanto con peso normal como con  obesidad severa, la leptina circulante  es el factor hormonal más íntimamente asociado  con baja testosterona y con  correlación inversa con la respuesta testicular a la estimulación con gonadotropina coriónica humana (hCG).  In vitro, la leptina inhibe la secreción basal y estimulada por hCG de testosterona en células de Leydig de roedores. Mientras la leptina fisiológicamente estimula la secreción de hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH), vía kisspeptina, la obesidad está asociada con resistencia a la leptina y  supresión de la expresión del gen kisspeptina en el hipotálamo. Por lo tanto es posible que la resistencia hipotalámica a la leptina  en combinación con sensibilidad testicular a la inhibición por leptina pueda contribuir a la supresión del eje HHT en la obesidad masculina. En concordancia con esta noción, un estudio reciente reporta que el tratamiento con testosterona reduce la concentración de leptina de una manera independiente de los cambios en la masa grasa, lo cual sugiere que los efectos de la testosterona sobre la leptina no son simplemente consecuencia de la reducción en la masa grasa. La inferencia que la testosterona inhibe directamente la producción de leptina es apoyada por observaciones in vitro que señalan que la testosterona suprime la secreción de leptina por tejido adiposo humano.

   Los estudios observacionales han demostrado  una relación inversa entre citoquinas pro-inflamatorias y concentraciones de testosterona en hombres viejos. En estudios preclínicos, las citoquinas pro-inflamatorias suprimen el eje HHT tanto a nivel de hipotálamo como de células de Leydig. Adicionalmente, en estudios experimentales, la Il-2, aun en dosis relativamente bajas,  inhibe la secreción de GnRH y LH en hombres viejos. La relevancia  de la obesidad en este contexto es sugerida en un estudio con conejos machos que demuestra que el hipogonadismo hipogonadotrópico está asociado con inflamación hipotalámica, incremento en la expresión de citoquinas pro-inflamatorias y reducción de la expresión del receptor de kisspeptina. Estos estudios apoyan el concepto que la obesidad provoca un hipogonadismo genuino. Sin embargo, en contraste con el hipogonadismo clásico, el hipogonadismo asociado con obesidad es funcional y por lo tanto potencialmente reversible.

   Aunque las neuronas GnRH juegan un rol central en el eje HHT a través de la secreción de GnRH, ellas no expresan receptores para leptina e insulina, tampoco expresan receptor de andrógenos (AR) ni receptor de estrógenos α (ERα). Esto sugiere que las señales metabólicas y la retroalimentación por esteroides sexuales regulan indirectamente a las neuronas GnRH. En efecto, es conocido actualmente que una red reguladora hipotalámica  integra las señales metabólicas periféricas  y los factores hormonales para regular el eje HHT e incluye, entre otros, a las neuronas KNDy (kisspeptina/neuroquinina B/dinorfina) en el núcleo arqueado del hipotálamo mediobasal.  En este contexto, varios estudios demuestran que la administración de kisspeptina puede incrementar la frecuencia de pulsos de secreción de LH en hombres obesos con baja testosterona. Por el contrario, la administración de antagonistas del receptor de neuroquinina B disminuye la secreción de gonadotropinas y testosterona en hombres sanos.

   En conclusión, la obesidad es la condición clínica más fuertemente asociada con la disminución de la concentración de testosterona en hombres. Mientras la concentración circulante de testosterona en la obesidad modesta refleja primariamente la reducción de la concentración  de la globulina ligadora de hormonas sexuales (SHBG), la obesidad severa puede provocar una genuina supresión del eje HHT. La supresión del eje HHT  es mediada por citoquinas pro-inflamatorias y la señal desrregulada de la leptina, y agravada por morbilidades asociadas. Aunque la relación obesidad-hipogonadismo es bidireccional, los efectos de la obesidad sobre la concentración de testosterona son más sustanciales que los efectos de la testosterona sobre la obesidad. En los hombres marcadamente obesos sometidos a cirugía bariátrica, la pérdida de peso sustancial es muy efectiva en la reactivación del eje HHT. En hombres jóvenes  sanos, solamente la obesidad severa provoca una genuina supresión del eje HHT.

Fuente: Grossmann M (2018). Hypogonadism and male obesity: focus on unresolved questions. Clinical Endocrinology 89: 11-21.

Cortistatina y calcificación vascular

La calcificación vascular es reconocida como una de las principales causas  de la rigidez arterial. La rigidez arterial es un factor de riesgo bien establecido  para la enfermedad cardiovascular. El significado clínico  de la calcificación aortica, con el incremento asociado en la rigidez  arterial, es de relevancia porque provoca una capacidad reducida del sistema vascular para responder a los cambios  en la presión sanguínea. Esto vuelve vulnerables de daño microvascular a los órganos, particularmente corazón, riñón y cerebro.

   La calcificación vascular puede ser clasificada como calcificación ateroesclerótica íntima o calcificación medial (arterioesclerosis). En la calcificación ateroesclerótica, las subpoblaciones de células de músculo liso  vascular son mineralizadas en respuesta  al daño vascular asociado con la inflamación, el estrés oxidativo y los depósitos de lípidos. La arterioesclerosis se caracteriza por calcificaciones a lo largo de las fibras de  elastina que rodean a las células de músculo liso vascular y se observa en la patología vascular asociada con la diabetes tipo 2, la enfermedad renal y el envejecimiento. La patogenia de la calcificación vascular en estas enfermedades es compleja, pero la clave del proceso está en un “switch” fenotípico de la célula de músculo liso vascular a célula similar a osteoblasto, asociado con un cambio en la expresión de marcadores del linaje vascular a osteogénico. Este “switch” es consistente con el hecho que las células de músculo liso vascular y los condrocitos derivan de una stem cell mesenquimal progenitora común y exhiben la capacidad para expresar marcadores osteo/condrogénicos. La ruta de señalización Wnt/β-catenina es conocida como regulador clave de la diferenciación osteo/condrogénica y juega un rol critico en el metabolismo óseo.

   La cortistatina es un neuropéptido con una alta similitud estructural y funcional con la somatostatina (SST) que se une no solamente a la familia de receptores SST acoplados  a proteína G  sino también al receptor GHSR1a de la ghrelina. La cortistatina fue identificada por primera vez en la rata  y recibe ese nombre debido su expresión predominante en la corteza cerebral y el hipocampo. La precortistatina es convertida en el péptido activo cortistatina-14 (rata) o cortistatina-17 (humano). El neuropéptido cortistatina no debe sr confundido con el alcaloide esteroidal cortistatina, identificado por primera vez en la esponja marina Corticium simplex. La cortistatina, como muchos neuropéptidos, además de su expresión y función en el sistema nervioso central también es expresada fuera del sistema nervioso central y tiene acciones periféricas. Estas acciones son de naturaleza anti-inflamatoria y han sido demostradas en varios tejidos incluyendo al sistema cardiovascular. Varias rutas de señalización intracelular han sido relacionadas con la cortistatina incluyendo la expresión de ciclinas, las rutas cAMP/proteína quinasa A y p38-MAPK, las actividades Akt y ERK y GTPasa Rac1.

   Cómo interactúa la cortistatina con las rutas de señalización Wnt bajo condiciones patológicas no ha sido dilucidado completamente. Sin embargo, en una serie de experimentos bien controlados, la cortistatina interactúa con la ruta Wnt  en dos puntos: (i) a través de la ruta canónica incrementando la actividad de la glucógeno sintetasa quinasa 3 beta (GSK3-β) para  reducir los niveles de β-catenina, la cual podría trasladarse al núcleo  y manejar la diferenciación osteogénica; (ii) a través de la ruta no canónica Wnt/Ca²⁺, incrementando la expresión de la proteína quinasa C activada (fosforilada, p-PKC), la cual suprime la diferenciación osteogénica y, como regulador intrínseco  de la resorción ósea, tiene marcadas acciones anti-calcificación.

   En modelos animales con calcificación aortica inducida por altas dosis de vitamina D, la cortistatina fue capaz  de promover un  incremento de actina, marcador de linaje de células de músculo liso, así como también la inhibición  de la expresión de fosfatasa alcalina y osteocalcina, marcadores del linaje osteogénico. La fosfatasa alcalina y la osteocalcina son mediadores activos de la calcificación vascular.   Por otra parte, la cortistatina reduce los niveles de la proteína β-catenina en modelos animales y cultivos de células porque previene el incremento de p-GSK3β, inclinando el balance hacia la GSK3β activa, la cual funciona como parte de un complejo con Axin y poliposis adenomatosa coli (APC) para fosforilar a la β-catenina, provocando su degradación. La cortitastina también es capaz de limitar los mecanismos de calcificación vascular  vía ruta Wnt no canónica incrementando los niveles de p-PKC. 

   La calcificación vascular no es la única patología cardiovascular que la cortistatina es capaz de limitar. En un estudio reciente, el tratamiento de ratones hiperlipidémicos deficientes en ApoE con cortistatina  tuvo un significativo efecto beneficioso en la prevención del desarrollo de placas ateroescleróticas en el corazón y las arterias carótida y aorta. La cortistatina regula a la baja la respuesta inflamatoria vascular mediada por células T, reduciendo la capacidad  de las células endoteliales para reclutar monocitos y células T aterogénicas  en la placa, y reduciendo la formación de células foam (a través del aumento de la salida  de colesterol en macrófagos).

   En conclusión, la cortistatina es capaz de inhibir la calcificación vascular a través de las rutas de señalización Wnt canónica y no canónica.

Fuente: Phillips JK (2018). Cortistatin-can it or can it not prevent vascular calcification by modulation of Wnt signalling? Acta Physiologica 223:1-2.

Adipocitos termogénicos

El tejido adiposo es un órgano dinámico que representa desde 4% a más de 40%  de la composición del cuerpo en humanos adultos. A menudo, el tejido adiposo es estudiado principalmente por su función de almacenamiento de energía como tejido adiposo blanco (TAB). Sin embargo, los mamíferos también poseen tejido adiposo marrón (TAM), el cual juega un rol crucial en la homeostasis de energía a través de la termogénesis sin escalofríos. La evidencia emergente sugiere que los mamíferos posen al menos dos tipos de adipocitos termogénicos: marrones y beige. En roedores y niños, los adipocitos marrones están localizados en la región interescapular y alrededor del riñón. Por el contrario, los adipocitos beige constituyen una forma inducible de adipocitos termogénicos que esporádicamente residen  en los depósitos de TAB. Los adipocitos beige, similar a los adipocitos marrones, también poseen abundantes mitocondrias que expresan proteína desacopladora 1 (UCP1) y gotas de lípidos multiloculares. Sin embargo, la biogénesis de adipocitos beige en el TAB es fuertemente inducida por algunas condiciones ambientales y factores externos, incluyendo la aclimatación crónica al frío, el ejercicio, la caquexia cancerosa, el daño tisular  y el tratamiento de larga duración con agonistas del receptor activado por proliferador de peroxisoma γ (PPARγ) o agonistas del receptor adrenérgico β3. El fenómeno es referido como “marronización” de TAB. Mientras la marronización de TAB que resulta de la aclimatación crónica al frío fue descrita hace más de 30 años, estudios recientes describen los reguladores moleculares y el desarrollo del proceso de marronización.

   El tejido adiposo beige ha captado la atención de los investigadores por dos razones. La primera razón es que su proceso de desarrollo sirve como modelo único  para entender como los factores ambientales controlan la especificación y el mantenimiento celular. La segunda razón está en la relevancia para los humanos adultos y su uso como blanco terapéutico en el tratamiento de la obesidad y otros desordenes metabólicos. Desde el descubrimiento del TAM en humanos adultos, la prevalencia de adipocitos beige en humanos adultos ha sido un tópico de mucho debate. El análisis transcripcional en TAM de humanos adultos demuestra que este tejido expresa marcadores moleculares selectivos de adipocitos beige en ratones, mientras las regiones cervicales profundas contienen grasa termogénica semejante a la clásica grasa marrón en ratones. El aislamiento y la caracterización de adipocitos similares a los beige derivados clonalmente de humanos adultos  constituyen la evidencia definitiva de la existencia de adipocitos beige en humanos. Más aún, la aclimatación crónica al frío  promueve el reclutamiento de nuevos adipocitos termogénicos en adultos que no poseen niveles detectables de grasa marrón antes de la aclimatación. En paralelo con el reclutamiento  de nuevo tejido adiposo termogénico inducido por el frío, estos estudios observaron un incremento significativo en la termogénesis sin escalofríos y/o mejoramiento en la sensibilidad a la insulina. Estos resultados sugieren que los humanos adultos también poseen adipocitos termogénicos inducibles que contribuyen significativamente  a la regulación de la homeostasis energética sistémica.

   Los adipocitos marones y beige  exhiben muchas características morfológicas y bioquímicas. El desarrollo embrionario del TAM precede a la formación de TAB  durante la embriogénesis. Desde el punto de vista de la termogénesis, esto es compatible con el entendimiento de una función primaria del TAM en la termogénesis sin escalofríos en el nacimiento, pues el recién nacido necesita mantener su temperatura corporal mediante la termogénesis sin escalofríos. En este contexto, los estudios demuestran que los adipocitos marrones clásicos en un depósito de TAM se originan a partir de una subpoblación de dermomiotomas marcados por la expresión de factores de transcripción específicos, incluyendo Pax7, En1 y Myf5. Por el contrario, los adipocitos beige  emergen en depósitos de TAB de adultos, aunque el desarrollo y la heterogeneidad celular  del TAB parecen ser más variables que los de los adipocitos marrones. Los estudios iniciales demostraron que la expresión de UCP1 en adipocitos marrones y adipocitos beige  es regulada de manera diferente y que los mecanismos de desarrollo para la biogénesis  de adipocitos beige son distintos a los de los adipocitos marrones. En ratones, los adipocitos beige derivan de progenitores que expresan Sma, Myh11, Pdgfra o Pdgfrb. Sin embargo, algunos adipocitos beige que residen en el TAB subcutáneo anterior, retroperitoneal y subcutáneo posterior derivan de progenitores que expresan Pax3 y/o Myf5. Más aún, la roscovitina, inhibidor farmacológico de CDK5, promueve el desarrollo de adipocito UCP1 positivos que exhiben características moleculares distintas a las de los adipocitos beige convencionales. Por lo tanto, es posible que los adipocitos beige sean heterogéneos en algunos depósitos de TAB y que emerjan múltiples subtipos de adipocitos beige dependiendo de la naturaleza del estímulo externo.

   Una característica notable de los adipocitos beige  es su capacidad termogénica inducible y reversible en respuesta a estímulos ambientales. Por ejemplo, en respuesta a la exposición crónica al frío, la diferenciación de adipocitos beige es estimulada primariamente  a partir de la diferenciación de novo de células precursoras. Por otra parte, varios estudios proponen la posibilidad de la transdiferenciación  de adipocitos blancos diferenciados en adipocitos beige. Los adipocitos beige inducidos por el frío gradualmente son reemplazados por adipocitos UCP1 negativos con gotas de lípido uniloculares (adipocitos blancos) cuando los ratones aclimatados al frío regresan a la temperatura ambiente o la termoneutralidad. Estudios recientes demuestran que los adipocitos beige UCP1 positivos inducidos por el frío revierten directamente a adipocitos blancos en aproximadamente dos semanas. Por el contrario, los adipocitos marrones clásicos retienen su morfología multilocular. Los adipocitos beige en ratones obesos  adquieren el estatus de adipocitos blancos mucho más rápidamente que en los ratones delgados, mientras los adipocitos marrones retienen la alta expresión de UCP1 en ratones obesos y delgados. Estos datos indican que el estado de adipocito beige es transitorio y que hay una diferencia intrínseca entre adipocitos beige  y adipocitos marrones en el mantenimiento de su morfología multilocular en ausencia de estímulo externo. Esta diferencia puede ser atribuida, en parte, al hecho que la biogénesis mitocondrial es activa constitutivamente en los adipocitos marrones mientras en los adipocitos beige  retorna rápidamente al nivel basal cuando se  alcanza el umbral del estímulo externo.

   La UCP1 disipa energía en la forma de calor  desacoplando el gradiente mitocondrial de protones a partir de la síntesis de ATP. El consenso prevaleciente señala a la UCP1 como la única proteína termogénica responsable  de la termogénesis sin escalofríos. La acción de la UCP1 media principalmente las acciones “anti-obesidad” y “anti-diabética” de los adipocitos marrones y beige. Sin embargo, los estudios genéticos en modelos de roedores indican la existencia de mecanismos independientes  de UCP1 que contribuyen a la regulación de la homeostasis energética. En efecto, un estudio reciente identifica un mecanismo termogénico en adipocitos beige que involucra a la Ca²⁺-ATPasa  del retículo sarcoplasmático 2b (SERCA2b) y al receptor de rianodina 2 (RyR2). Este mecanismo aparentemente es selectivo de adipocitos beige, lo cual se atribuye a su alta capacidad para generar ATP  a través del incremento de la glucolisis y el ciclo de ácidos tricarboxílicos en ausencia de UCP1. Por el contrario, los adipocitos marrones poseen muy baja expresión de la ATP sintetasa  y por lo tanto no pueden compensar la pérdida de UCP1  in vivo.  El mecanismo independiente de UCP1 en los adipocitos beige contribuye grandemente al metabolismo de energía y a la homeostasis de la glucosa en el organismo. Por otra parte, el descubrimiento de mecanismos termogénicos independientes de UCP1 ofrece nuevas oportunidades  para mejorar la salud metabólica, particularmente en las personas que no poseen adipocitos UCP1 positivos.

   En conclusión, a pesar de las semejanzas morfológicas y bioquímicas  entre adipocitos marrones y adipocitos beige, estudios recientes  han identificado características distintas  en la regulación del desarrollo y la función  de los dos tipos de células. Es importante hacer notar que la UCP1 aún es un regulador central  de la termogénesis en el TAM como ha sido demostrado por varios estudios en el pasado. No obstante, la evidencia emergente sugiere que rutas termogénicas alternas están presente en los adipocitos beige, las cuales contribuyen a la regulación del gasto de energía y la homeostasis de la glucosa. Sin embargo, se desconoce cómo los múltiples mecanismos termogénicos son coordinados para regular la homeostasis energética in vivo. La activación selectiva de la termogénesis independiente de UCP1 (aumentando la función de la SERCA2b) abre un nuevo potencial terapéutico para mejorar la salud metabólica de personas que carecen de adipocitos UCP1 positivos.

Fuente: Ikeda K et al (2018). The common and distinct features of brown and beige adipocytes. Trends in Endocrinology and Metabolism 29: 191-203.

Glucocorticoides y corazón fetal

Durante la mayor parte de la gestación, el feto se mantiene en un ambiente con bajos niveles de glucocorticoides (5 a 10 veces más bajos que los niveles maternos). En el momento del nacimiento, la concentración plasmática fetal de glucocorticoides aumenta dramáticamente. Esto es esencial para la supervivencia del neonato. Sin la acción glucocorticoide, los pulmones, el corazón y otros órganos y tejidos son inmaduros en el nacimiento, resultando en muerte neonatal. El nacimiento pretérmino (antes de la semana 37 de gestación) ocurre antes del aumento fisiológico de glucocorticoides endógenos. La terapia antenatal con corticorticoides (TAC), en la cual es administrado un potente glucocorticoide sintético (betametasona o dexametasona)  es ampliamente usada para la maduración de los pulmones. Esto ayuda a reducir la mortalidad neonatal y mejora la supervivencia de los niños con nacimiento pre-término.

   La glándula adrenal es el sitio  de síntesis  y liberación de las  hormonas corticoesteroides: mineralocorticoides y glucocorticoides. En embriones humanos, la corteza adrenal  es distinguible a partir de la octava semana de gestación, aunque la morfología difiere de la del adulto. Antes del nacimiento, la zona fetal  es el principal sitio de esteroidogénesis. La zona definitiva comienza  a producir mineralocorticoides en la gestación tardía, mientras la zona transicional produce cortisol y se  transforma  en  la zona fasciculada, el sitio de producción de glucocorticoides a partir de la gestación tardía. En la glándula adrenal fetal, la síntesis de novo de cortisol a partir de colesterol  se inicia alrededor de la semana 28  de gestación, pero la concentración plasmática de glucocorticoides permanece baja hasta una semana antes del nacimiento. Durante la gestación, el ambiente con baja concentración de glucocorticoides es mantenido al menos por dos mecanismos placentarios: (1) la 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (11β-HSD)-2 convierte el cortisol activo en su ceto-metabolito, cortisona, intrínsecamente inerte y (2) el transporte retrogrado de glucocorticoides, mediado por la p-glucoproteína, del feto a la madre, manteniendo el gradiente feto-maternal de glucocorticoides. La 11β-HSD2 es ampliamente expresada en el feto durante la gestación temprana y media. En la gestación tardía, la actividad de la 11β-HSD2 placentaria disminuye marcadamente y la concentración materna de glucocorticoides aumenta coincidiendo con el incremento en la producción fetal de glucocorticoides. En conjunto, estos cambios generan el dramático aumento en la concentración plasmática fetal de glucocorticoides hacia el final del embarazo. El incremento en la concentración endógena de glucocorticoides actúa vía receptor glucocorticoide (GR) para madurar los pulmones y otros órganos fetales en preparación para la supervivencia en el ambiente extra-uterino después del parto.

   El uso de corticoesteroides antenatales es ampliamente aceptado como la terapia más efectiva  para reducir la morbilidad y mortalidad en niños nacidos entre 24-34 semanas  de gestación. La TAC reduce la incidencia de muerte neonatal y la severidad del síndrome de distrés respiratorio, la hemorragia cerebral y la enterocolitis necrotizante. Sin embargo, hay potenciales efectos adversos a corto y largo plazo asociados con tratamientos innecesarios o inapropiados  con corticoesteroides. En este contexto,  el parto después de 7 días de una TAC está asociado con un mayor riesgo  de muerte perinatal  e infección materna. Algunos estudios han demostrado efectos adversos en el neurodesarrollo en niños con nacimiento pre-término  o expuestos  a múltiples TAC. Si la TAC aumenta el riesgo de enfermedad cardiovascular en humanos aún no está claro. No obstante, hay estudios que demuestran que la excesiva exposición in útero a los glucocorticoides incrementa el riesgo de enfermedades cardiovasculares y/o metabólicas en animales, incluyendo primates no humanos.

   En el corto tiempo antes -e inmediatamente después- del nacimiento, el corazón desarrolla un marcado crecimiento y una notable remodelación debidos a hiperplasia de los cardiomiocitos  y asociados con maduración estructural, funcional y bioquímica. Estos cambios son manejados por factores mecánicos y hormonales que son cruciales para la supervivencia después del nacimiento. Asimismo, son importante para la vida posterior e influyen en el riesgo de desarrollar enfermedad cardíaca en la adultez. El aumento de la carga cardíaca estimula la proliferación de los miocitos. Por otra parte, el corazón fetal necesita bombear en contra de la resistencia vascular placentaria y las fuerzas hemodinámicas resultantes son importantes para la maduración cardiaca. La complejidad de la parte fetal  de los vasos placentarios aumenta a través de la ramificación. La hipertensión fetal promueve la proliferación de los cardiomiocitos antes de la diferenciación terminal. Por el contrario, la reducción de la carga sistólica disminuye la proliferación de miocitos y por consiguiente el peso del corazón fetal. Sin embargo, la insuficiencia placentaria con alta impedancia contra el flujo pulsátil, también afecta la maduración miocárdica, pero el mecanismo aún está completamente dilucidado.

   Los cambios estructurales que ocurren en la maduración de los cardiomiocitos durante el periodo neonatal incluyen: incremento de la densidad y organización de  miofibrillas, maduración del acoplamiento mecánico y eléctrico entre los cardiomiocitos y el aparecimiento de células binucleadas.  En ratones, esto último está asociado con una onda de síntesis de ADN  que ocurre en los cardiomiocitos entre el cuarto y el séptimo día postnatal. Adicionalmente, algunos núcleos se vuelven poliploides. La mayoría de los núcleos de los cardiomiocitos murinos son diploides y solamente el 10% son poliploides. En humanos, la mayor parte de los núcleos de los cardiomiocitos son diploides.

   Los glucocorticoides juegan un rol vital en los cambios maduracionales normales que ocurren en los cardiomiocitos antes del nacimiento.  Los glucocorticoides, a través de receptores GR, promueven la remodelación estructural, funcional y metabólica en los cardiomiocitos fetales. No todas las acciones de los glucocorticoides endógenos  sobre el corazón fetal son directas. Los glucocorticoides ejercen poderosos efectos vasopresores y la insuficiencia adrenal es un factor de la inestabilidad hemodinámica que es muy común en los infantes pre-término. Los sitios no cardíacos para estos efectos hemodinámicos, incluyen a los vasos sanguíneos fetales y placentarios.  La excesiva concentración de glucocorticoides también puede impactar los vasos sanguíneos feto-placentarios en humanos. Por ejemplo, el uso de glucocorticoides en mujeres embarazadas con asma está asociado con reducción de longitud y volumen de los capilares fetales. Entonces, dado el rol crucial de los vasos sanguíneos placentarios en el desarrollo cardiaco, los glucocorticoides contribuyen a la maduración cardiaca fetal  a través de sus efectos sobre los vasos sanguíneos feto-placentarios.

   El mecanismo por el cual los glucocorticoides intervienen en la maduración de los cardiomiocitos fetales ha sido investigado   en experimentos in vitro. El tratamiento  de cardiomiocitos fetales de ratón con dexametasona o corticosterona por 24 horas promueve su maduración estructural, funcional y bioquímica e involucra una cascada de efectos mediados por GR que incluye numeroso factores de transcripción. La dexametasona induce al PGC-1α, un regulador crítico de la capacidad mitocondrial cardíaca y vital para la maduración funcional y metabólica  del corazón fetal. Los glucocorticoides, vía PGC-1α, pueden incrementar la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) en los cardiomiocitos en maduración. Otros blancos primarios del GR en cardiomiocitos fetales incluyen a Ppara, Klf15 y Lipina 1, lo que indica que el GR promueve la capacidad de los cardiomiocitos para oxidar ácidos grasos  como sustratos preferidos para la generación de ATP. El GR también induce a Dio2, el gen que codifica a la desyodasa 2 que convierte tiroxina (T4) en T3, la hormona tiroidea más activa biológicamente. Algunas de las acciones de los glucocorticoides y las hormonas tiroideas se sobreponen durante la maduración del corazón fetal y neonatal. Por ejemplo, ambas hormonas aceleran el paso de MHC-β a MHC-α e incrementan la producción de péptido natriurético atrial (ANP). Por otra parte, la T3 y los glucocorticoides sintéticos tienen una acción  anti-proliferativa en los cardiomiocitos, promoviendo el crecimiento hipertrófico e incrementando la población  de miocitos binucleados terminalmente diferenciados. Asimismo, T3 y dexametasona son requeridas para el desarrollo de los túbulos T en los cardiomiocitos humanos. Es interesante que mientras la dexametasona sola es inefectiva para inducir cardiomiocitos derivados de células pluripotenciales, en conjunto con la T3 mejora la electrofisiología, la bionergética y la generación de fuerza contráctil de  los cardiomiocitos. 

   La transición a la vida extra-uterina es acompañada por la pérdida de la placenta, una red vascular  de baja resistencia. En el nacimiento a término, los cambios circulatorios asociados  rápidamente incrementa la resistencia en la circulación sistémica con mayor carga cardiaca y presión arterial. Asimismo, aumentan la sangre y la oxigenación de los tejidos y también  las concentraciones plasmáticas de glucosa y ácidos grasos libres como combustibles para satisfacer las demandas energéticas. Los glucocorticoides endógenos tienen un rol crítico facilitando estas adaptaciones. Varios estudios sugieren que durante la transición de la vida fetal  a la vida neonatal, los glucocorticoides suprimen transitoriamente las respuestas inmunes y sirven como soporte para los cambios metabólicos.

   En conclusión, los glucocorticoides son esenciales para la maduración de los órganos y tejidos fetales y para la supervivencia después del nacimiento.  Los experimentos en roedores han demostrado que la acción de los glucocorticoides endógenos es requerida para la maduración del corazón fetal. Por otra parte, el tratamiento prenatal con glucocorticoides es usado comúnmente  en mujeres con riesgo de parto prematuro. Sin embargo, no está muy claro actualmente que los potentes glucocorticoides sintéticos utilizados en la terapia antenatal con corticoesteroides tengan efectos similares  sobre el corazón fetal. Más aún, la terapia antenatal con corticoesteroides puede incrementar el riesgo de enfermedad cardiovascular en el adulto.

Fuente: Agnew EJ et al (2018). Glucocorticoids, antenatal corticosteroid therapy and fetal heart maturation. Journal of Molecular  Endocrinology 61: R61-R73.

Glucagón, aminoácidos y células alfa

El glucagón es una sustancia hiperglucemiante descubierta en 1923. Las técnicas de clonaje molecular aplicadas casi 60 años después hicieron posible la identificación del proglucagón y sus péptidos derivados, incluyendo al péptido similar a glucagón-1 (GLP-1). El glucagón es producido principalmente en las células α de los islotes pancreáticos  mediante el clivaje proteolítico del proglucagón por la convertasa de prohormona 2 (Pcsk2) mientras el GLP-1 es producido principalmente en las células L intestinales por la Pcsk1. Aunque tanto el Glucagón como el  GLP-1 están involucrados en la regulación del nivel de glucosa, aparentemente trabajan en direcciones opuestas. El glucagón estimula la glucogenolisis y la gluconeogénesis en el hígado para incrementar el nivel de glucosa sanguínea. Por el contrario, el GLP-1, es una hormona incretina que estimula la secreción de insulina y la proliferación de células β para reducir el nivel de glucosa sanguínea. Dado que ambos péptidos derivan del proglucagón, es difícil producir deficiencia de glucagón  sin afectar la producción de GLP-1.

   La proliferación de células en varios órganos y/o tejidos endocrinos como la tiroides, la corteza adrenal y las gónadas, está estrictamente regulado por las correspondientes hormonas tróficas secretas por el eje hipotálamo-hipófisis.  Por el contrario, los mecanismos que regulan la proliferación de células de los islotes pancreáticos son menos entendidos. Los modelos animales, en los cuales la acción del glucagón es específicamente alterada, desarrollan hiperplasia de células α. En este contexto, las señales que estimulan la proliferación de células α son consideradas derivadas del hígado. Por otra parte, los resultados de los estudios sobre trasplante  de islotes o células similares a las células α en la cápsula subrenal de animales deficientes de glucagón sugieren que las señales son humorales más que neurales. Por lo tanto, la expresión de los genes que codifican estimuladores de la proliferación de células α en el hígado debe ser regulada al alza en modelos de animales con deficiencia de glucagón, mientras la expresión  de los genes que codifican supresores debe ser regulada a la baja. Sin embargo, esos estudios no han identificado los factores humorales específicos que controlan la proliferación de células α. Por el contrario, en ratones, varios genes involucrados en el catabolismo de aminoácidos  son regulados  a la baja. Estos cambios en la expresión de genes son acompañados por incrementos en las concentraciones de aminoácidos en plasma y extractos de hígado. Entonces, la ausencia de la acción del glucagón resulta en la alteración del metabolismo de aminoácidos en el hígado e incremento en los niveles plasmáticos de aminoácidos.

   En los años 80 se reportó que los niveles plasmáticos de aminoácidos aumentan en pacientes pancreatectomizados con deficiencia de glucagón. Asimismo, se reportó que el glucagón reduce los niveles plasmáticos de aminoácidos. Por otra parte, los pacientes con mutaciones en el gen que codifica al receptor de glucagón presentan hiperglucagonemia  e hiperplasia de células α. Estos reportes  demuestran que el glucagón  es requerido para regular a la baja  los niveles plasmáticos de aminoácidos en humanos. El glucagón incrementa la expresión de los genes  que codifican enzimas que convierten los aminoácidos en sustratos para la gluconeogénesis. Por el contrario, la insulina actúa como factor de crecimiento y promueve la utilización de aminoácidos como sustratos para la síntesis de proteínas. Glucagón e insulina regulan los niveles sanguíneos de glucosa en direcciones opuestas. La cantidad de insulina requerida para el control de la glucosa sanguínea disminuye en condiciones de deficiencia de glucagón. En modelos animales con deficiencia de glucagón, la utilización de aminoácidos para síntesis de proteínas y el consumo de aminoácidos para gluconeogénesis disminuyen, por lo que esos animales  desarrollan hiperaminoacidemia.

   El bloqueo de la acción del glucagón ha sido considerado como herramienta terapéutica para reducir el nivel de glucosa sanguínea. La administración de REGN1193, un anticuerpo monoclonal humano que inhibe la señal del receptor de glucagón, resulta en un incremento de tres veces el nivel total de aminoácidos en monos diabéticos. El incremento en los niveles plasmáticos de aminoácidos  combinado con la expresión alterada de genes que codifican el catabolismo de aminoácidos  ha sido reportado en ratones tratados con mAb7, un antagonista monoclonal del receptor de glucagón. Estos datos demuestran claramente que el bloqueo transitorio  de la acción del glucagón es suficiente  para remodelar el metabolismo de aminoácidos en el hígado.

   La resistencia al glucagón, como resultado  de defectos genéticos o intervención farmacéutica para inhibir la señal glucagón, causa hiperaminoacidemia  e hiperplasia de células α. En este contexto, estudios recientes reportan un mecanismo regulador de retroalimentación entre el hígado y las células α, el cual es mediado por glucagón y aminoácidos. El glucagón incrementa el catabolismo de aminoácidos en el hígado y también controla los niveles plasmáticos de aminoácidos. El bloqueo de la acción del glucagón resulta en un incremento  de los niveles plasmáticos de aminoácidos, lo cual a su vez activa el complejo mTORc1 en las células α y promueve su proliferación. Entre los diversos transportadores de aminoácidos, el SLC38A5 es regulado por el mTORC1 y juega un rol mayor en la regulación de la proliferación de células α. Por el contrario, el GLP-1 y los niveles bajos de glucosa no son prerrequisitos para la proliferación de células α inducida por la deficiencia de glucagón.  Aunque el SLC38A5 juega un rol importante en la proliferación de células α en respuesta al bloqueo de glucagón, la masa de células α en ratones con deficiencia del gen slc38a5 es comparable con la de ratones controles. Por tanto, el SLC38A5 no es requerido para la formación y mantenimiento de la masa de células α. Cómo la masa de células α es controlada  bajo condiciones de desarrollo normal y/o condiciones fisiológicas  permanece elusivo.

   El incremento en los niveles circulantes de aminoácidos tiene varios efectos sobre órganos con numerosos tipos de células. La respuesta  de las células a la alteración de la concentración  de aminoácidos  está determinada por el repertorio de transportadores de aminoácidos expresado en cada célula y los sensores intracelulares de aminoácidos, incluyendo al mTORC1. Los mecanismos involucrados en la proliferación selectiva  de células α en respuesta a la aminoacidemia como resultado del bloqueo de la acción del glucagón no ha sido dilucidado completamente. Las células α de los islotes pancreáticos y las células L del intestino expresan el gen glucagón. Sin embargo, aunque las células α muestran hiperplasia, el número de células L no aumenta en los modelos de animales con deficiencia de glucagón. Entre los aminoácidos, leucina y arginina juegan roles mayores en la activación de mTORC1 bajo condiciones de ayuno de aminoácidos. En un estudio reciente usando ratones con pérdida de la señal mTORC1 específicamente en células α, la masa de células α era normal en el nacimiento pero disminuyó gradualmente después del destete. Este resultado sugiere que la señal mTORC1 no es indispensable para el desarrollo de las células α, pero sí para su maduración durante la transición de la dieta a  base de leche a una dieta basada en comida. Estos hallazgos sugieren que los mecanismos involucrados en el desarrollo  de células α y aquellos involucrados  en la regulación  de la masa de células α en respuesta a alteraciones  de aminoácidos son distintos.

   El bloqueo de la acción del glucagón afecta muchas rutas metabólicas, incluyendo  las de aminoácidos, carbohidratos, ácidos grasos y nicotinamidas. La expresión de FGF21 es regulada por el glucagón y algunos investigadores postulan que la acción fisiológica del glucagón  es parcialmente mediada  a través de un incremento en el nivel de FGF21. Sin embargo, la proliferación de células α en respuesta al bloqueo de la acción del glucagón no es atenuada en ratones sin FGF21. Entonces, el FGF21 no es requerido para la regulación. Por el contrario, el FGF21 sirve como señal endocrina para la restricción de proteínas. Una dieta rica en proteínas incrementa la secreción de glucagón y suprime los niveles de FGF21, desacoplando la regulación al alza del FGF21 por el glucagón.

   En conclusión, la regulación del metabolismo de aminoácidos es la más importante función fisiológica del glucagón. La deficiencia de glucagón resulta en hiperaminoacidemia más que hipoglucemia. Aunque los efectos de la deficiencia de glucagón sobre el metabolismo de la glucosa son compensados por la supresión de la secreción de insulina, no ocurre lo mismo con los efectos del glucagón sobre el metabolismo de aminoácidos. Los datos recientes demuestran un mecanismo de regulación por retroalimentación entre el hígado y las células α de los islotes pancreáticos mediado por glucagón y aminoácidos. Entre los aminoácidos, la concentración plasmática de glutamina es la más alta y la glutamina puede servir como fuente de energía  a través de la glutaminolisis, especialmente en células con rápido recambio como las de la mucosa intestinal. Entonces, un incremento en la concentración plasmática de glutamina puede afectar el metabolismo de varios tipos de células.

Fuente: Hayashi Y, Seino Y (2018). Regulation of amino acid metabolism and α-cell proliferation by glucagon. Journal of Diabetes Investigation 9: 464-472.

Acciones fisiológicas del FGF23

El factor de crecimiento fibroblástico-23 (FGF23)  es un glucoproteína de 23 kDa producida principalmente en el hueso por osteoblastos y osteocitos bajo circunstancias fisiológicas. El FGF23 es inactivado por clivaje en el sitio ¹⁷⁶RXXR¹⁷⁹, el cual es mutado en los pacientes con raquitismo hipofosfatémico autosómico dominante (ADHR). El FGF23, junto FGF19 y FGF21, pertenece al grupo de FGF endocrinos. Todos los FGF endocrinos  requieren los co-receptores α y β kloto para unirse con alta afinidad a los receptores FGF (FGFR1-4) en sus células blanco. El co-receptor  necesario para la unión de FGF23 al FGFR es la proteína αkloto transmembrana o soluble. De los cuatro diferentes FGFR, el FGFR1c es probablemente el más importante para la señal FGF23, al menos bajo condiciones fisiológicas. La proteína αkloto aumenta la afinidad de unión del FGF23 al FGFR1c aproximadamente 20 veces. La “c” en el FGFR1 se refiere a la variante por “spilicing” alternativo que ocurre en los FGFR 1, 2 y 3.

   La principal acción del FGF23  sobre el metabolismo mineral  es el efecto supresor de la reabsorción de fosfato en el riñón. Adicionalmente, el FGF23 suprime la síntesis de 1,25 dihidroxivitamina D3 (1,25 (OH)₂D₃) en el riñón. Es bien conocido que las enfermedades que se caracterizan por excesiva concentración  sanguínea de FGF23  presentan niveles elevados de fosfato en orina  y bajos niveles circulantes de 1,25(OH)₂D₃ en pacientes con riñones normales. Ejemplos de desórdenes asociados con niveles elevados de FGF23 en humanos son el ADHR con defecto en el sito de clivaje del FGF23, el raquitismo hipofosfatémico  ligado al cromosoma X (XLH) y el raquitismo hipofosfatémico autosómico recesivo 1 (ARHR1) causados por la  sobre producción  de FGF23  en el hueso, y la osteomalacia inducida por tumor causada por tumores que producen FGF23. Los niveles circulantes de FGF23 también están elevados en los pacientes con enfermedad renal crónica (ERC) y pueden alcanzar valores hasta 1000 veces el rango normal. Aunque los niveles elevados de FGF23 pueden ayudar a mantener la normofosfatemia en los estadios tempranos  de la ERC, los niveles circulantes de fosfato aumentan en los estadios finales de la enfermedad a pesar de los altos niveles de FGF23. Por lo tanto, cuando la función renal está alterada, la acción fosfatúrica del FGF23 no es capaz  de corregir la hiperfosfatemia de los estadios más avanzados de la ERC.

   ¿Cuál es el rol del FGF23 en la fisiología normal? Los experimentos en ratones “knockout” han revelado que la principal acción fisiológica del FGF23 no es su función fosfatúrica, sino su rol supresor  en el control de la transcripción renal de la 1α-hidroxilasa (CYP27B1), la enzima clave para la síntesis de 1,25(OH)₂D₃. La principal función de la 1,25(OH)₂D₃ en el metabolismo mineral es la estimulación de la absorción intestinal de calcio y fósforo. En ausencia de FGF23 o αkloto, falla el control endocrino de la transcripción de 1α-hidroxilasa, provocando alta expresión y actividad de esta enzima. Las consecuencias de la sobre expresión de 1α-hidroxilasa son: niveles elevados de 1,25(OH)₂D₃, hipercalcemia, hiperfosfatemia, calcificaciones ectópicas y mineralización ósea alterada.

   A pesar de la importancia fisiológica de la supresión de la transcripción  de la 1α-hidroxilasa mediada por el FGF23, el conocimiento de la ruta de señalización intracelular involucrada en esta regulación es solo parcialmente conocida. La expresión de la 1α-hidroxilasa está localizada principalmente en los túbulos proximales del riñón. Los túbulos proximal y distal expresan el co-receptor αkloto y los receptores FGFR1, 3 y 4 y poco FGFR2. Todos los FGFR son receptores tirosina quinasa que inician cascadas de fosforilación intracelulares después de la dimerización inducida por el ligando. El FGFR1c  es el FGFR predominante en el efecto supresor del FGF23 sobre la síntesis de 1,25(OH)2D3 y, en menor extensión, FGFR3 y 4 también están involucrados. La supresión de la transcripción dela 1α-hidroxilasa mediada por el FGF23 involucra la activación de las quinasas reguladas por señal extracelular 1 y 2 (ERK1/2).

   La hormona paratiroidea (PTH) y el FGF23 regulan la expresión de 1α y 24 hidroxilasa (CYP24A1) recíprocamente. El FGF23 suprime la 1α-hidroxilasa, pero induce la expresión de la 24-hidroxilasa, mientras la PTH tiene el efecto opuesto. La 1α-hidroxilación  representa la conversión metabólica del precursor 25-hidroxivitamina D en la hormona biológicamente activa, mientras la 24-hidroxilación es una ruta de inactivación. La 1,25(OH)₂D₃  es un fuerte inductor  de la 24 hidroxilasa, estimulando su propia degradación. La regulación de la expresión de la 24-hidroxilasa mediada por el FGF23 y la PTH ocurre de manera indirecta  a través de la alteración de la síntesis de 1,25(OH)2D3  y los subsiguientes cambio en la actividad del promotor  de 24-hidroxilasa regulada por el receptor de vitamina D (VDR).

   El FGF23 promueve la excreción renal de fosfato  inhibiendo su captación en el túbulo proximal renal. A través de una cascada de señalización que involucra al complejo αkloto/FGFR1c, las proteínas ERK1/2 y la quinasa regulada por glucocorticoides-1 (SGK1), el FGF23 induce la fosforilación del cofactor regulador del intercambiador Na+/H+ (NHERF)-1, el cual a su vez provoca la internalización  y degradación de los cotransportadores de sodio-fosfato NaPi-2a y Na-Pi-2c.  El efecto fosfatúrico del FGF23  es fisiológicamente menos esencial que el efecto supresor sobre la 1α-hidroxilasa, al menos en ratones. Tanto el efecto fosfatúrico como la disminución de 1,25(OH)₂D₃ protegen contra la hiperfosfatemia, el primer efecto directamente  a través del incremento en la eliminación de fosfato y el segundo efecto indirectamente a través de la reducción de la absorción intestinal de fosfato. Adicionalmente, dado que la 1,25(OH)₂D₃ y el fosfato estimulan la secreción de FGF23 en el hueso, los dos efectos del FGF23 forman un asa de retroalimentación negativa entre el hueso y el riñón. Por otra parte, en los últimos años ha quedado claro que el FGF23 no sólo es un regulador del metabolismo de vitamina D y fosfato, sino que también influye en el manejo de calcio y sodio en el nefrón distal del riñón. En el epitelio del túbulo distal, el FGF23 regula la expresión del canal potencial receptor transitorio vanilloid-5 (TRPV5) y el cotransportador sodio-cloruro (NCC) a través de una cascada de señalización que involucra a ERK1/2 y SGK1. Las funciones del FGF23 en el túbulo distal para la conservación de calcio y sodio son de relevancia fisiológica. La conservación renal de calcio puede ayudar a mantener la calcemia a pesar de la supresión de la síntesis de 1,25(OH)₂D₃ inducida por la secreción de FGF23.

   La PTH y el FGF23 tienen funciones en los túbulos renales que se superponen parcialmente. Las dos hormonas inhiben la reabsorción de fosfato en los túbulos proximales y distales a través de la fosforilación de NHERF-1 e incrementan la reabsorción de calcio en los túbulos distales estimulando la expresión de TRPV5. El FGF23 y la PTH interactúan y una importante función del FGF23  puede ser permitir una respuesta normal a la señal PTH en el riñón y también en el hueso.

   El FGF23 también tiene funciones fisiológicas relevantes en la mineralización ósea y la hematopoyesis. Trabajos recientes reportan que el FGF23 es un poderoso supresor  de la transcripción de la fosfatasa alcalina no específica de tejido (TNAP) en las células óseas de una manera independiente de kloto. La TNAP  es esencial para la regulación de la mineralización ósea a través del clivaje de la pirofosfatasa inhibidora de la mineralización secretada por los osteoblatos para prevenir la mineralización prematura del osteoide. La expresión de kloto en el hueso es muy baja y no es suficiente para aumentar la unión de FGF23 al FGFR en osteoblastos y osteocitos. Sin embargo, debido a la producción local de FGF23 en los osteocitos, la concentración de FGF23 en el sistema canalicular es alta para la señal auto/paracrina independiente de kloto en el hueso. Por otra parte, el FGF23 puede ser un regulador fisiológico del linaje eritroide en el microambiente óseo. Los mecanismos de señalización que subyacen a este efecto no son conocidos.

   La primera descripción del FGF23 fue en núcleos talámicos de cerebro murino. Sin embargo, los datos acerca de las posibles funciones  del FGF23 en el cerebro son escasos. Algunos estudios sugieren que altas concentraciones de FGF23  pueden interferir con la ramificación neuronal e incrementar la densidad sináptica en cultivos de neuronas de hipocampo, pero muy poco  se conoce acerca de las potenciales funciones fisiológicas. Las glándulas paratiroides expresan abundantemente la proteína αkloto, lo que las convierte en un potencial blanco  para el FGF23. Sin embargo, ratones con una lesión específica de αkloto en las glándulas paratiroides muestran niveles normales de la PTH circulante. Por lo tanto, aunque las altas concentraciones sanguíneas de FGF23 pueden suprimir la secreción de PTH de una manera independiente de αkloto, es posible que la señal FGF23 no tenga un rol importante en la regulación fisiológica  de la secreción de PTH. Por otra parte, aunque el corazón  puede ser un blanco importante del FGF23 en concentraciones suprafisiológicas, promoviendo hipertrofia de cardiomiocitos por una ruta  de señalización independiente  de αkloto, el FGF23  no es expresado  en el corazón normal y la función cardiaca es normal en  ratones con mutaciones Fgf23/VDR. Estos hallazgos sugieren que el FGF23 no tiene un rol funcional  bajo circunstancias fisiológicas.

   En conclusión, los niveles excesivos de FGF23 circulante resultan en la excreción renal de fosfato en un riñón con función normal. Sin embargo, modelos  de ratón knockout han demostrado  que el efecto fosfatúrico no es la función fisiológica más importante del FGF23, sino el efecto supresor de la expresión renal  de 1α-hidroxilasa y la producción de 1,25 (OH)₂D₃, lo cual no puede ser compensado por otros sistemas endocrinos. El FGF23 tiene varias funciones fisiológicas adicionales, incluyendo la inhibición de la reabsorción renal de fosfato, el incremento de la conservación de calcio y sodio en el riñón, apoyar la respuesta normal del riñón a la PTH y la regulación de la mineralización ósea. Actualmente, hay poca evidencia de un rol del FGF23 en la fisiología normal de órganos distintos al riñón y el hueso.

Fuente: Erben RG (2018). Physiological actions of fibroblast growth factor-23. Frontiers in Endocrinology 9:267.