CO LIM A LU TR DI TU A AB ES AJ A DE A CH Universidad de Colima MAESTRÍA EN CIENCIAS FISIOLÓGICAS CON ESPECIALIDAD EN FISIOLOGÍA Efectos Deletéreos de la Diabetes Mellitus Tipo 2 en el Hipocampo TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS FISIOLÓGICAS CON LA ESPECIALIDAD EN FISIOLOGÍA PRESENTA Antonio Félix Calderón ASESOR Dr. Carlos Guillermo Onetti Percello Colima, Col, Julio 2005 Índice 1. Diabetes Mellitus…………………………………….. ………………………....... 1 1.1. Epidemiología…………………………….. …………………………... 3 1.2. Clasificación……………………………….. …………………………... 3 1.2.1. Diabetes Mellitus tipo 1…………. …………………………… 3 1.2.2. Diabetes Mellitus tipo 2…………. …………………………… 3 1.2.3. Diabetes Gestacional……………. …………………………… 4 1.2.4. Otros tipos de diabetes…………..…………………………... 4 1.3. Deterioro de la glucosa en ayuno…………………………………...… 5 1.4. Intolerancia a la glucosa…………………... ………………………...… 5 1.5. Insulina……………………………………… …………………...……… 5 2. Historia Natural de la Diabetes Tipo 2…………….. …………………………… 7 2.1. Obesidad……………………………………. …………………………... 8 2.1.1. Epidemiología……………………. ………………………...… 8 2.1.2. Impacto sobre la salud………….. ……………….………….. 8 2.1.3. Complicaciones de la obesidad…………………………...… 10 3. Resistencia a la Insulina……………………………. ………………………...… 13 3.1. Impacto sobre la salud…………………….. …………………………… 14 4. Fisiopatología de la Diabetes Mellitus tipo 2……... …………………………… 18 4.1. Mecanismos de daño tisular inducidos por hiperglucemia………………………………. …………………………… 23 4.1.1. Aldosa reductasa (vía de los polialcoholes)………………………… …………………………… 23 4.1.2. Productos finales de la glucación avanzada (AGEs)……………….. …………………………… 24 4.1.3. Especies reactivas de oxigeno (ROS)…………………………….. …………………………… 24 4.1.4. Proteína cinasa-C (PKC)………..…………………………… 25 4.1.5. Interrelación entre las distintas vías……………………………….. …………………………… 26 5. Neuroglia…………………………………………….. …………………………… 27 6. Barrera hemato-encefálica (BHE)………………… …………………………… 28 7. Consideraciones anatómicas de la circulación cerebral normal……………………………………… …………………………… 29 8. Transporte de glucosa al cerebro………………….…………………………… 31 9. Regulación cerebral del metabolismo energético..…………………………… 32 10. Regulación de la actividad cerebral basado en la concentración de ATP…………………………….. …………………………… 34 11. Neuropatía Diabética 11. 1. Neuropatía Periférica……………………. …………………………… 38 11.2. Encefalopatía Diabética…………………..…………………………… 38 11.2.1. Daño cognoscitivo…………….…………………………… 40 11.2.2. Cambios en la plasticidad sináptica del hipocampo………. …………………………… 41 12. Perspectivas………………………………………… …………………………… 41 13. Bibliografía…………………………………………... …………………………… 43 Índice de Tablas y Figuras Tabla 1. Proteínas secretadas por el tejido adiposo…………………………………… ……………………………. 11 Tabla 2. Criterios utilizados en el diagnóstico de la resistencia a la insulina…………….... ……………………………. 14 Figura 1. Metabolismo hepático de la fructosa: Una vía altamente lipogénica………….. ……………………………. 17 Figura 2. Mecanismo probable de disfunción mitocondrial causado por la proteína desacopladora-2 (UCP-2).……………... ……………………………. 21 Figura 3. Efectos de la obesidad, la hiperglucemia, y los lípidos en la UCP-2…… ……………………………. 22 Figura 4. Topología propuesta de un canal KATP.. ……………………………. 36 Resumen La diabetes mellitus tipo 2 es la enfermedad metabólica mas común en el mundo, y se deriva de la falla del organismo para responder normalmente a la insulina, llamada “resistencia a la insulina”, asociada con la incapacidad de las células-β pancreáticas de producir suficiente insulina para superar ese estado de resistencia. Esta forma común de diabetes se asocia frecuentemente con obesidad, y las epidemias actuales de estas dos enfermedades están aparentemente relacionadas. Esto es dramáticamente evidente en los niños, en los que se ha detectado un aumento en la incidencia de obesidad y en los cuales la prevalencia de diabetes tipo 2 (denominada “de inicio en el adulto o del adulto”) se acerca a la de la diabetes tipo 1 (denominada “de inicio en la niñez o juvenil”). La hiperglucemia crónica que se presenta en la diabetes mellitus tipo 2, la cual es generada por una resistencia periférica aumentada a los efectos de la insulina, altera la homeostasis celular y la fisiología normal del organismo, produce complicaciones a mediano y largo plazo como son: insuficiencia renal, enfermedad arterial coronaria, retinopatía, neuropatía periférica y eventos vasculares cerebrales que pueden comprometer la calidad de vida o la vida misma. Las pruebas cognoscitivas en humanos con diabetes tipo 2 han demostrado déficits en la memoria. Estos déficits no parecen ser el resultado de una patología cerebral difusa, sino que representan una anormalidad específica en la capacidad de realizar tareas de memoria declarativa dependientes de hipocampo. Otras áreas del cerebro parecen contribuir a los déficits cognoscitivos asociados a la diabetes mellitus, sin embargo las tareas dependientes de hipocampo parecen ser particularmente sensibles a la hiperglucemia. Hasta ahora, los efectos deletéreos de la diabetes tipo 2 en el SNC han sido observados y estudiados principalmente en pacientes de edad avanzada y en modelos experimentales de animales diabéticos. Considerando el aumento significativo y alarmante en la incidencia y prevalencia de la diabetes tipo 2 asociada a la obesidad en pacientes pediátricos, es altamente probable que se observe un aumento paralelo a mediano plazo en la incidencia de encefalopatía diabética en edades más tempranas, con la consecuente disminución en la calidad y duración de vida. Abstract Diabetes Mellitus Type 2 is the most common metabolic disease in the world. It derives from an inability within the organism to normally respond to insulin, also known as “insulin resistance”, and is associated with the inability of the β pancreatic cells to produce insulin in sufficient amounts to overcome that state of resistance. This form of diabetes is associated frequently with obesity, and the actual epidemiology of these two diseases is apparently related. Dramatically evident in children, there has been a rise detected in the incidence of obesity. The prevalence of Diabetes Mellitus Type 2 (also called “adult-onset or maturityonset diabetes”) in children is also nearing that of Diabetes Mellitus Type 1 (called “juvenileonset diabetes”). The chronic hyperglycemia present in Diabetes Mellitus Type 2, caused by an increased peripheral resistance to the effects of insulin, alters cellular homeostasis and the normal physiology of the organism. Diabetes Mellitus Type 2 produces complications at short and long term such as: renal failure, coronary arterial disease, retinopathy, peripheral neuropathy and cerebrovascular events. All these complications can compromise quality of life and/or life itself. The cognitive tests in humans with Diabetes Mellitus Type 2 have revealed deficits in memory. These deficits do not appear to be the result of diffuse cerebral pathology, but represent a specific abnormality in the capacity to perform declarative memory tests, which are dependent on the hippocampus. Other areas of the brain seem to contribute to the cognitive deficits associated with Diabetes Mellitus, but all tasks dependent on the hippocampus seem to be particularly sensitive to hyperglycemia. Until now, the deleterious effects of Diabetes Mellitus Type 2 in the CNS have been observed and studied principally in patients of advanced age and in experimental models of diabetic animals. Considering the increased and alarming incidence and prevalence of Diabetes Mellitus Type 2 associated with obesity in pediatric patients, it is probable to observe a parallel rise at midterm in the incidence of diabetic encephalopathy in earlier age groups. These factors bring forth a decrease in the quality and/or life expectancy. 1. Diabetes Mellitus La diabetes mellitus es un grupo de enfermedades metabólicas que se caracteriza por la presencia de hiperglucemia como resultado de un deterioro en la secreción de insulina, en la acción de la insulina, o ambos (American Diabetes Association, 2005). Actualmente se considera que el súbito aumento en la incidencia de diabetes se debe al aumento de la obesidad más que a factores genéticos (Lazar, 2005; Permutt y cols., 2005). La hiperglucemia crónica que se presenta en la diabetes mellitus se relaciona con daño a largo plazo, disfunción, y falla de varios órganos, especialmente los ojos, riñones, nervios, corazón y vasos sanguíneos (American Diabetes Association, 2005). Varios procesos patogénicos están involucrados en el desarrollo de la diabetes. Se incluyen procesos que van desde la destrucción autoinmune de las células-β pancreáticas con la consecuente deficiencia en la producción de insulina hasta anormalidades que conllevan a una resistencia a los efectos de la insulina. La base de la alteración en el metabolismo de los carbohidratos, lípidos, y proteínas, es una deficiencia en la acción de la insulina sobre los órganos o tejidos blanco. Dicha deficiencia es producto de una secreción inadecuada de insulina y/o una respuesta disminuida de los tejidos a la insulina en uno o más puntos de las complejas vías de acción hormonal. El deterioro en la secreción de insulina y los defectos en su mecanismo de acción coexisten frecuentemente en el mismo paciente, y en la mayoría de los casos no se logra determinar cual anormalidad es la causa primaria de la hiperglucemia, si es que hubiese iniciado una sola. Los síntomas de la hiperglucemia incluyen poliuria, polidipsia, pérdida de peso, algunas veces polifagia, y visión borrosa. También se puede presentar retraso del crecimiento y susceptibilidad a ciertas infecciones. Las complicaciones agudas que ponen en riesgo la vida del paciente son hiperglucemia con ceto-acidosis y síndrome hiperosmolar no cetónico. Las complicaciones a largo plazo incluyen: retinopatía con potencial pérdida de la visión; nefropatía que lleva a insuficiencia renal; neuropatía periférica con riesgo de producir úlceras en miembros inferiores, amputaciones, artropatías, neuropatía autonómica que ocasiona síntomas gastrointestinales, genitourinarios, cardiovasculares y disfunción sexual. Los pacientes diabéticos presentan una mayor incidencia de enfermedad ateroesclerótica en el aparato cardiovascular, arterial periférico y cerebrovascular. Otras anormalidades 1 frecuentemente encontradas en pacientes diabéticos son hipertensión arterial y alteración del metabolismo de las lipoproteínas. La gran mayoría de los casos de diabetes caen en dos grandes categorías. En una categoría, la diabetes tipo 1, la causa es una deficiencia absoluta en la secreción de insulina. Los individuos con riesgo elevado de desarrollar este tipo de diabetes pueden ser detectados en la mayoría de los casos por pruebas serológicas de procesos patológicos autoinmunes que se presentan en los islotes pancreáticos, y por marcadores genéticos. En la otra categoría, la de tipo 2, con mucha mayor prevalencia, la causa es una combinación de resistencia a la acción de la insulina y una respuesta compensatoria inadecuada de secreción de insulina. En este tipo de diabetes, se puede presentar cierto grado de hiperglucemia por largo tiempo antes de que la diabetes misma sea diagnosticada, sin embargo, dicha hipoglucemia es suficiente para causar cambios funcionales y patológicos en varios órganos o tejidos blanco, pero sin síntomas clínicos. Durante este periodo asintomático, es posible demostrar una anormalidad en el metabolismo de los carbohidratos determinando los niveles de glucosa plasmática en ayuno o con la prueba de tolerancia a la glucosa. El grado de hiperglucemia puede modificarse con el transcurso del tiempo, dependiendo de la severidad del proceso patológico subyacente. La severidad de la alteración metabólica puede progresar, sufrir regresión, o permanecer igual. Por la tanto, el grado de hiperglucemia refleja la severidad del proceso patológico de fondo y determina el tratamiento adecuado, mas no refleja la naturaleza específica de dicho proceso (American Diabetes Association, 2005; Permutt y cols., 2005). 1.1. Epidemiología La prevalencia mundial de diabetes en el año 2000 para todos los grupos de edad fue de 2.8%, y para el 2030 se calcula en un 4.4%. El número total de personas con diabetes en el año 2002 fué de 173 millones y se calcula que para el 2030 serán 350 millones. Alrededor de dos tercios de estos pacientes viven en países en vías de desarrollo. La prevalencia de diabetes en hombres es mayor que en las mujeres, pero hay más mujeres con diabetes que hombres (Who, 2003 b). 2 En los niños Anglosajones la diabetes tipo 2 representa el 45% de los casos nuevos de diabetes, y este porcentaje es aún mayor en otros grupos étnicos y raciales (Nativos Americanos, Negros, y México-Americanos) (Dietz y Robinson, 2005). 1.2. Clasificación La Organización Mundial de la Salud a clasificado la diabetes mellitus de la siguiente manera: 1.2.1. Diabetes Mellitus tipo 1, Anteriormente llamada diabetes juvenil o diabetes dependiente de insulina. La diabetes mellitus tipo 1 es provocada por una destrucción autoinmune de las células-β productoras de insulina del páncreas. De 5 a 10% de los pacientes con diabetes quedan clasificados en esta categoría (Who, 2003 b). 1.2.2. Diabetes Mellitus tipo 2, Previamente llamada diabetes del adulto o diabetes no dependiente de la insulina. La diabetes mellitus tipo 2 es la forma mas frecuente de diabetes y se presenta como resultado de una resistencia a la acción de la insulina acompañada de una secreción insuficiente de la misma por el páncreas. Del 90 al 95% de los pacientes diabéticos pertenecen a esta categoría. Los pacientes con diabetes tipo 2 pueden permanecer sin ser diagnosticados entre 5 a 10 años como consecuencia de que los síntomas que presentan son leves. En otras palabras, presentan ligera elevación de la glucosa en sangre y por ello no manifiestan los signos y síntomas de la enfermedad arriba señalados. El riesgo de presentar diabetes se incrementa con la obesidad, la edad, la falta de ejercicio físico, hipertensión arterial, dislipidemia (elevación de grasas en la sangre, como son el colesterol y los triglicéridos). Está fuertemente asociada con una predisposición genética y 3 además ocurre con mayor frecuencia en mujeres que presentan diabetes gestacional (Who, 2003 b). 1.2.3. Diabetes Gestacional, Se define como cualquier grado de intolerancia a la glucosa que se presenta durante el embarazo. Seis semanas después del parto, la paciente debe ser nuevamente evaluada, ya que en la mayoría de los casos las pacientes con diabetes gestacional retornan a valores normales de glucosa en sangre, pero en otras ocasiones pueden persistir con diabetes o intolerancia a la glucosa (Who, 2003 b). 1.2.4. Otros tipos de diabetes son: Defectos genéticos en la función de células del páncreas, Defectos genéticos de la acción de la insulina, Enfermedades del páncreas, Enfermedades endocrinas, Inducida por fármacos o productos químicos, Infecciones, Formas infrecuentes de diabetes autoinmune, Otros síndromes genéticos que se asocian a veces con diabetes. De acuerdo a la clasificación vigente arriba señalada, contamos con cuatro tipos de diabetes mellitus, pero existen otras dos alteraciones de la glucosa, que pueden poner en alerta al médico para poder realizar un diagnóstico temprano (Who, 2003 b). Estas alteraciones se encuentran entre el equilibrio normal de glucosa y diabetes, ahora referido como prediabetes, y estas alteraciones son las siguientes: 4 1.3. Deterioro de la glucosa en ayuno Se refiere a una elevación de la glucosa en ayuno igual o mayor a 110 mg/dl y menor a 126 mg/dl; en este caso los pacientes no presentan signos o síntomas (Who, 2003 b). 1.4. Intolerancia a la glucosa Muchos pacientes con este deterioro tienen valores normales de glucemia en su vida diaria, pero presentan elevación de la glucosa dos horas después de haber ingerido una carga de glucosa (75 a 100 g) empleada en la prueba de tolerancia a la glucosa, los resultados de la glucemia a las 2 horas son iguales o mayores a 140 mg/dl, y menores a 200 mg/dl. Los valores normales de glucosa en sangre, en ayuno, debe ser menor a 110 mg/dl., y dos horas después de una carga oral de glucosa, menor a 140 mg/dl (Who, 2003 b). 1.5. Insulina La insulina fue descubierta por Banting y Best en 1922 como el factor causante de una enfermedad metabólica (Diabetes Mellitus), y este hallazgo se convirtió en una piedra angular de la medicina clínica, además de contribuir de manera significativa al avance de la endocrinología molecular y comparativa (Chan y Steiner, 2000; Meyts, 2004). Para mediados de la década de los 70s del siglo pasado, ya se había aislado y secuenciado la insulina de toda clase de vertebrados (Chan y Steiner, 2000; Meyts, 2004). Recientemente se ha determinado que en el genoma humano, la familia de péptidos insulina-similares comprende diez miembros: la insulina, dos factores de crecimiento similares a la a la insulina, IGF-1 y IGF-2, y siete péptidos relacionados con la relaxina (un activador de la síntesis del oxido nítrico en músculo liso) (Meyts, 2004). Mientras que la insulina y los IGFs se unen a receptores con actividad tirosina quinasa (RTKs), los péptidos similares a la relaxina se unen a receptores acoplados proteína G con segmentos ricos en leucina (LGRs), involucrados en el desarrollo y fisiología del aparato reproductivo (Meyts, 2004). Se han identificado genes de péptidos similares a la insulina en invertebrados, incluyendo insectos, moluscos y nematodos. 5 Estos hallazgos establecen claramente que la insulina es una hormona evolutivamente ancestral y que esta presente en todos los metazoos (Chan y Steiner, 2000; Leevers, 2001; Tatar y cols., 2003). Se considera particularmente importante para las ciencias relacionadas, el descubrimiento de la diversidad de funciones del sistema de señalización de la insulina (Meyts, 2004). Trabajos recientes sobre la genética del sistema insulina/IGF en invertebrados, roedores y humanos sugieren que juega un papel importante no solo en el metabolismo, crecimiento y desarrollo, sino también en la reproducción, supervivencia, longevidad y funciones del SNC, incluyendo regulación del apetito y memoria (Brogiolo y cols., 2001; Finch y Ruvkun, 2001; Tatar y cols., 2003). El ciclo impredecible de alimentación y periodos variables de ayuno entre comidas al que se enfrentan los animales, representa un estrés metabólico importante. Los humanos resuelven este problema almacenando nutrientes de tal forma que pueden ser utilizados como fuentes de energía durante periodos de ayuno (Lizcano y Alessi, 2002). Este proceso es regulado por medio de la insulina, hormona liberada por las células-β de los islotes pancreáticos en respuesta a niveles elevados de nutrientes (Thams y Capito, 2001; Rutter, 2003), como la glucosa aportada por la dieta (Henquin, 2004). La insulina se une a sus receptores membranales en tejidos periféricos, siendo los más sensibles: músculo esquelético, hígado y tejido adiposo (Kanzaki y Pessin, 2003). Este fenómeno activa una vía de señalización cuya función primaria es estimular el transporte de nutrientes, como la glucosa, aminoácidos y ácidos grasos, de la sangre a los tejidos; secundariamente promueve la conversión de dichos nutrientes en macromoléculas de depósito, tales como glucógeno, proteínas y lípidos (Lizcano y Alessi, 2002; Obici y Rossetti, 2003). La forma circulante y biológicamente activa de la insulina es un monómero (figura 3) formado por 2 cadenas, una denominada A de 21 amino-ácidos y otra denominada B de 30 amino-ácidos (en humanos), ligadas por 2 puentes disulfuro, A7-B7 y A20-B19. La cadena A contiene un puente disulfuro intracatenario entre A7 y A11. La insulina dimeriza a concentraciones micromolares y, en presencia de iones de zinc, se une formando hexameros en una estructura altamente simétrica (figura 4) (Meyts, 2004). El receptor de insulina (IR) pertenece a la superfamilia de receptores transmembrales tirosina cinasas (RTK). A diferencia de otros miembros de esta familia que son monómericos en su estructura, el IR y su homologo el receptor-1 del factor de crecimiento similar a la 6 insulina (IGF-1R), son dímeros unidos por puentes disulfuro de proteínas heterodiméricas unidas por puentes disulfuro de la forma (αβ)2. La subunidad-α de 135 Kda del IR es extracelular, mientras que la subunidad–β de 95 Kda contiene una fracción extracelular, una secuencia transmembranal, y un dominio RTK intracelular. La unión del ligando a las subunidades-α activa el RTK, iniciando una cascada de señalización que induce numerosas respuestas celulares (Yip y Ottensmeyer, 2003). 2. Historia Natural de la Diabetes Tipo 2 La historia natural de la diabetes tipo 2 inicia generalmente con la obesidad, la cual conlleva al desarrollo de la resistencia a la insulina (Bougnères, 2002; Mehta y Reilly, 2004; Weiss y cols., 2004; Lazar, 2005). Al inicio, se logra mantener la normoglucemia debido a un aumento compensador de la secreción de insulina por las células-β pancreáticas (Weir y cols., 2001; Donath y Halban, 2004; Weir y Bonner-Weir, 2004; Lazar, 2005). Esta compensación de las células-β, eventualmente fracasa en individuos susceptibles y se presenta una deficiencia relativa de insulina que conlleva a un aumento en la producción hepática de glucosa, y se presenta la diabetes (Weyer y cols., 1999; Meigs y cols., 2003; Donath y Halban, 2004; Lazar, 2005). La función de las células-β continúa declinando en presencia de la resistencia a insulina. La transición de tolerancia normal a intolerancia a la glucosa se asocia a una disminución en la utilización tisular de glucosa dependiente de insulina y a un decremento en la respuesta secretora aguda de insulina. Este disminución en la primera fase de la respuesta a la insulina es responsable de la hiperglucemia post-pandrial. La progresión de intolerancia a la glucosa a diabetes se acompaña de decrementos cada vez mas marcados en la disponibilidad tisular de glucosa dependiente de insulina, y un aumento en la producción de glucosa endógena basal por el hígado (Weyer y cols., 1999; Meigs y cols., 2003; Panunti y cols., 2004). 7 2.1. Obesidad La obesidad se considera una enfermedad metabólica crónica, multifactorial, poligénica, y se caracteriza por una acumulación excesiva de grasa corporal distribuida en tejidos periféricos como son, tejido adiposo blanco, músculo e hígado (Bougnères, 2002; Meyre y cols., 2004; Horvarth, 2005). Clínicamente se define según la organización mundial de la salud (OMS) como un índice de masa corporal (IMC) mayor a 30 kg/m2. El IMC de un individuo se obtiene dividiendo su peso en kilogramos sobre la altura en metros elevada al cuadrado (kg/m2). En América Latina, el IMC promedio es de 25-27 kg/m2 (Who, 2003 a). 2.1.1. Epidemiología Existen más de 1 billón de individuos con sobrepeso (IMC>25 kg/m2), y de ellos, 300 millones son obesos. Se calcula que hay 22 millones de niños menores de 5 años con sobrepeso en todo el mundo, y más de 17 millones de ellos se encuentran en países en vías de desarrollo (Who, 2003 a). En los Estados Unidos, las tasas de obesidad en edades pediátricas son más altas en los Nativos Americanos, Negros, y México-Americanos que en los Angloamericanos (Dietz y Robinson, 2005). En México la Encuesta Nacional de Salud 2000 reporta un 59.5% de personas con sobrepeso y obesidad (sobrepeso 40.9% y obesidad 18.6%) (Barquera, 2000). 2.1.2. Impacto sobre la salud El sobrepeso y la obesidad producen efectos metabólicos adversos sobre la presión sanguínea, el colesterol, los triglicéridos y la acción de la insulina (Antic y cols., 2003; Mehta y Reilly, 2004). La obesidad genera problemas de salud incapacitantes como son: dificultades respiratorias, problemas músculo-esqueléticos crónicos, infertilidad y problemas de la piel (Jubber, 2004; Weiss y Shore, 2004). Las patologías derivadas de la obesidad y que ponen en peligro la vida se clasifican en cuatro grupos principales: problemas cardiovasculares, condiciones asociadas con la resistencia a la insulina como la diabetes tipo 2; ciertos tipos de 8 cáncer, especialmente los relacionados con hormonas y el cáncer de colon; y patologías de la vesícula biliar (Calle, 2003; WHO, 2003 a). El aumento en la prevalencia de la obesidad y la diabetes mellitus tipo 2 en países desarrollados y en vías de desarrollo se relaciona fuertemente con la excesiva ingesta de calorías y la disminución de la actividad física (Friedman, 2003; WHO, 2003). Se considera que la resistencia a la insulina es el signo cardinal de los defectos metabólicos asociados al aumento de peso, y se postula que su desarrollo es una adaptación al incremento en la disponibilidad de nutrientes (Perdomo y cols., 2004; Weiss y cols., 2004). El equilibrio energético y la homeostasis metabólica se mantienen por sistemas reguladores complejos en los cuales se ven involucrados el sistema nervioso central y tejidos periféricos (Levin y cols., 2004; Peters y cols., 2004; Pocai y cols., 2005 a; Pocai y cols., 2005 b). En este aspecto, los cambios en la disponibilidad de los nutrientes y el peso corporal inducen respuestas reguladoras en los hábitos alimenticios y en los procesos metabólicos que se encargan de mantener el balance particular de cada individuo (Peters y cols., 2004). Consecuentemente, y debido a un balance energético positivo, el aumento en la ingesta de alimentos tiende a promover ganancia de peso y resistencia a la insulina (Mehta y Reilly, 2004). No obstante, el organismo normalmente detecta los cambios en el balance energético y activa respuestas adecuadas, las cuales incluyen una disminución en la ingesta de alimentos, aumento del gasto energético, y regulación de la oxidación de sustratos y el metabolismo intermedio (Kahn y cols., 2005). Estas respuestas biológicas son efectivas para mantener un peso corporal relativamente estable durante la vida adulta de la mayoría de los individuos (Obici y Rossetti, 2003). En tiempos modernos se observa en algunos individuos un incremento mucho mayor en su IMC en relación a otros con estilos de vida similares, esto sugiere la posibilidad de que en la especie humana existe un subgrupo que es susceptible genéticamente a la obesidad y otro que es relativamente resistente (Friedman, 2003; Almind y Kahn, 2004). De acuerdo a la hipótesis de James Neel en 1962 del “genotipo economizador”, en algunas sociedades ancestrales sujetas a periodos de inanición, la facultad de almacenar energía eficientemente durante periodos esporádicos de alimentación representó una ventaja para la sobrevivencia (Obici y Rossetti, 2003; Friedman, 2003). Esta hipótesis postula la existencia de múltiples mecanismos celulares que detectan el incremento en la disponibilidad de nutrientes energéticos y activan una respuesta biológica diseñada para aumentar la eficiencia del 9 almacenamiento de energía, promoviendo la obesidad (Clément y Ferré, 2003; Kahn y cols., 2005). Esas hipotéticas vías bioquímicas “economizadoras” podrían actuar en parte a través de una regulación negativa de las respuestas de adaptación al exceso de nutrientes en individuos susceptibles (Almind y Kahn, 2004; Kahn y cols., 2005). Probablemente el mejor candidato de los genes ahorradores es el que codifica leptina, una hormona producida por el tejido adiposo y cuya carencia conlleva a la obesidad y resistencia a la insulina en roedores y humanos (El-Haschimi y cols., 2000; Lazar, 2005). La leptina funciona fisiológicamente como una señal de los almacenes de energía, inhibiendo la ingesta de alimentos y acelerando el metabolismo energético. En periodos de ayuno, la disminución en los niveles de leptina aumenta el apetito y disminuye la tasa metabólica (Wynne y cols., 2005). En la sociedad moderna, los genes ahorradores se han vuelto inadecuados debido al hecho de que la industrialización ha logrado que el suministro de alimentos sea más abundante y ha reducido la necesidad de estar físicamente activos (Who, 2003 a; Basciano y cols., 2005). Por lo tanto, continúa el ascenso en la prevalencia de obesidad y sus patologías asociadas (incluyendo diabetes tipo 2, hipertensión arterial, enfermedad cardiovascular, y síndrome metabólico) tanto en niños como en adultos (Who, 2003 a; Permutt y cols., 2005). Es esencial la comprensión de la biología fundamental del balance energético para desarrollar nuevos tratamientos que avancen paralelamente a dichas enfermedades metabólicas (Kahn y cols., 2005). 2.1.3. Complicaciones de la obesidad El tejido adiposo es considerado como un tejido endocrino que se comunica con el SNC (e.g. el hipocampo) y tejidos periféricos a través de la secreción de varias hormonas que contribuyen a la regulación del apetito y metabolismo (Wynne y cols., 2005). Dichas funciones parecen estar reguladas por la localización del tejido adiposo (visceral vs. subcutáneo), tamaño promedio de los adipocitos (Clément y Ferré, 2003), metabolismo de la glucosa (Pocai et al. 2005 a, 2005 b), acidos grasos (Lam y cols., 2005), y corticoesteroides (Masuzaki y cols., 2001). Los niveles de leptina se encuentran generalmente elevados en individuos obesos, debido a una resistencia a la acción de la leptina a nivel celular, la cual parece estar 10 relacionada fenomenologicamente con la resistencia a la insulina (El-Haschimi y cols., 2000). Se ha demostrado que otras sustancias derivadas de los adipocitos contribuyen con la resistencia sistémica a la insulina, un ejemplo es la elevación de niveles circulantes de ácidos grasos libres que se observan en la obesidad y que contribuyen con el desarrollo de resistencia a la insulina en hígado y músculo (El-Haschimi y cols., 2000; Lam y cols., 2005). El tejido adiposo segrega también una gran cantidad de proteínas, aparte de la leptina, que intervienen en la regulación del metabolismo de la glucosa y acción de la insulina (ver Tabla 1) (Kershaw y Flier, 2004). Proteínas secretadas por los adipocitos Efecto en la sensibilidad a la insulina Otros tejidos que las producen Leptina Aumenta Ninguno Adinopectina Aumenta Ninguno Adipsina/ASP Disminuye Ninguno Resistina Disminuye Macrófagos TNF-α Disminuye Macrófagos IL-6 Disminuye Macrófagos MCP-1 Disminuye Macrófagos Visfatina (PBEF) Aumenta Hígado, linfocitos PAL-1 Disminuye Hígado Angiotensinógeno Disminuye Hígado Amiloide sérico A Se desconoce Hígado Glucoproteína ácida-α1 Se desconoce Hígado Tabla 1. Proteínas secretadas por el tejido adiposo que se considera están involucradas en la resistencia a la insulina asociada a obesidad y diabetes. ASP, proteína estimuladora de la acilación; TNF-α, factor de necrosis tumoral-α; IL-6, interleucina-6; MCP-1, proteína-1 quimiotáxica de monocitos y macrófagos; PBEF, factor estimulante de colonias de células pre-B; PAI-1, inhibidor-1 del activador del plasminógeno. Modificada de Lazar, 2005. El papel causal de estas proteínas en la resistencia a la insulina y la diabetes se ha determinado por medio de estudios en modelos experimentales de ratones alterados genéticamente (El-Haschimi y cols., 2000; Kershaw y Flier, 2004; Wellen y Hotamisligil, 2005). Los estudios en humanos generalmente muestran que los niveles circulantes de estas proteínas están elevados en individuos diabéticos (Sheetz y King, 2002; Festa, D’Agostino, Tracy y Haffner, 2002; Wynne y cols. 2005). Una excepción es la adinopectina, que potencia 11 los efectos de la insulina y de la cual se observan niveles reducidos circulantes en pacientes obesos (Haluzík y cols., 2004). De las sustancias que producen los adipositos, varias son específicas de ellos (e.g. leptina y adinopectina) y otras son igualmente sintetizadas por otras células (e.g. resistina e interleucina-6), algunas de estas últimas actúan sobre los adipocitos, y además juegan un papel importante en la inmunidad innata, un mecanismo de defensa anti-infeccioso relativamente primitivo (Martí y cols., 2001). Las citoquinas como el factor de necrosis tumoral-α y la interleucina-6 son producidas por macrófagos y adipocitos, actúan directamente sobre las células inflamatorias y contribuyen indirectamente con la inflamación estimulando el hígado a producir proteínas de fase aguda (Mehta y Really, 2004). Estas citoquinas también activan una molécula de señalización intracelular que daña las vías de señalización de la leptina y la insulina, el represor de señalización de citoquinas-3 (SOCS-3) (Shi y cols., 2004). En la obesidad los niveles de SOCS-3 se encuentran elevados (Münzberg y Myers, 2005), lo cual puede representar que es una vía final común de la obesidad asociada a resistencia a la acción tanto de leptina como de insulina (Shi y cols., 2004). Las semejanzas entre los macrófagos y los adipocitos van más allá de la producción de citoquinas, ambos tipos celulares expresan el factor de transcripción llamado receptor gamma activado por la proliferación de peroxisomas (PPAR-γ), blanco de tratamientos encaminados a sensibilizar los tejidos a la acción de la insulina (Rangwala y Lazar, 2004) y se considera uno de los principales genes “economizadores” por su papel en la acumulación de lípidos (Auwerx, 1999; Chinetti y cols., 2000). Se ha demostrado que en la obesidad se presenta una infiltración de macrófagos en el tejido adiposo (Weisberg y cols., 2003; Xu y cols., 2003), sin que se conozcan las consecuencias patofisiológicas. Como se mencionó anteriormente, tanto los macrófagos como los adipocitos expresan el polipéptido hormonal resistina, cuyos niveles se ven incrementados en humanos y ratones resistentes a la insulina (Rajala y cols., 2004). Algunos investigadores consideran que las similitudes funcionales entre el adipocito y el macrófago son remanentes de una adaptación evolutiva ancestral; de hecho, los invertebrados concentran funciones endocrinas e inmunitarias en una célula única similar al macrófago (Ottaviani y Franceschi, 1998; Hotamisligil, 2003). La relación cercana entre la inflamación y la diabetes se infiere por el hecho de que la estimulación de la respuesta inmune innata [e.g. por endotoxinas bacterianas durante la sepsis (Agwunobi y cols., 2000)] produce resistencia a la insulina que contribuye con la alta 12 mortalidad en las enfermedades críticas (Van Den Berghe, 2004). Otro hecho que respalda la hipótesis de la interacción entre la inflamación y la diabetes, es que la aspirina mejora la resistencia a la insulina, previniendo en parte los efectos antagónicos de los ácidos grasos y las citoquinas (Yuan y cols., 2001). Se han formulado varias consideraciones desde el punto de vista evolutivo para tratar de explicar el por que la obesidad es un estado inflamatorio y por que esta inflamación puede causar diabetes. Probablemente la respuesta del organismo ante una infección es más efectiva cuando la glucosa es desviada del músculo hacia las células inflamatorias involucradas en la respuesta inmune y la reparación de tejidos (Fernández-Real y Ricart, 1999). Un punto de vista potencialmente unificador es, que la habilidad del organismo para sobrevivir a un estrés severo, incluyendo infecciones e inanición, se incrementa por el hecho de que la resistencia periférica a la insulina asegura el aporte de glucosa al cerebro (Black, 2003). Esta hipótesis explicaría porque el cortisol, que es la principal hormona liberada durante el estrés, produce resistencia a la insulina y estimula la respuesta inmune innata; aún considerando que la liberación crónica del cortisol produce una respuesta antiinflamatoria por inhibición de la respuesta inmune adquirida (Gabay y Kushner, 1999). Recientemente se ha demostrado que la obesidad produce un estado de estrés metabólico crónico, probablemente a través de sustancias producidas por los adipocitos, y puede afectar otras células (e.g. hepatocitos), induciendo resistencia a la acción de la insulina (Ozcan y cols., 2004). Además, el estrés metabólico crónico daña la capacidad de las células-β pancreáticas de secretar insulina en cantidad suficiente para compensar la resistencia a sus efectos, la cual es una característica distintiva de la diabetes tipo 2 (Rhodes, 2005). 3. Resistencia a la Insulina Es una alteración metabólica que se caracteriza por una disminución en los efectos de la insulina en tejidos periféricos como músculo esquelético, hígado, y tejido adiposo. En la historia natural de la diabetes tipo 2 se le considera como un estadio intermedio entra la obesidad y la diabetes. Las consecuencias de la resistencia a la insulina y del sobrepeso u obesidad en varios tejidos pueden ser valoradas clínicamente, y en conjunto se les conoce como Síndrome de Resistencia a la Insulina, Síndrome X (primer nombre con el que se le 13 conoce y que fue acuñado por el Dr. Gerald Reaven en 1988), Síndrome Metabólico o Síndrome Dismetabólico (Reaven, 1993; Mehta y Reilly, 2004). Según la OMS, este síndrome metabólico se diagnostica y se define clínicamente por medio de varios parámetros que incluye: intolerancia a la glucosa, niveles anormales de glucemia en ayuno, diabetes tipo 2, o cualquier evidencia de resistencia a la insulina debe estar presente para el diagnóstico de esta patología. Además, deben estar presentes dos de los cuatro siguientes factores de riesgo: un IMC>30 kg/m2, dislipidemia, presión arterial igual o mayor a 140/90 mmHg, y microalbuminuria (Tabla 2) (WHO, 2003 b). La resistencia a la insulina se diagnostica por una de las siguientes condiciones: • Diabetes mellitus tipo 2 • Glucemia anormal en ayuno (101-125 mg/dL) • Intolerancia a la glucosa (glucemia 140-199 mg/dL 2h después de una carga oral de 75 g de glucosa) Mas dos de las siguientes condiciones: • Tratamiento antihipertensivo y/o presión sanguínea ≥140 mmHg-sistólica o ≥ 90 mmHg-diastólica • Triglicéridos ≥ 150 mg/dL • HDL < 35 mg/dL en hombres o < 39 mg/dL en mujeres • IMC > 30 kg/m2 y/o una proporción de cintura/cadera > 0.9 en hombres y > 0.85 en mujeres • Excreción urinaria de albúmina ≥ 20 mcg/min o una proporción de albúmina/creatinina ≥ 30 mg/g Tabla 2. Criterios utilizados en el diagnóstico de la resistencia a la insulina. Modificada de WHO, 2003 b. 3.1. Impacto sobre la salud La resistencia a la insulina es una de los principales factores que se observan en la historia natural de la diabetes mellitus tipo 2. Además, cada vez surge mas evidencia que sugiere que esta involucrada en la etiología de la enfermedad cardiovascular y cerebrovascular. Estudios epidemiológicos han demostrado claramente la asociación entre la resistencia a la insulina, la hiperinsulinemia y la hipertensión arterial (Festa y cols., 2000; Takamiya y cols., 2004). 14 Se considera que la resistencia a la insulina esta relacionada con el contenido de macronutrientes en la dieta. Se ha demostrado en humanos y animales que las dietas con alto contenido de grasas saturadas producen ganancia de peso, resistencia a la insulina, e hiperlipidemia (Picard y cols., 2002; Kim y cols., 2003; Who, 2003 a; Riccardi y cols., 2004; Lam y cols., 2005). Estudios recientes sugieren que la alta ingesta de carbohidratos refinados incrementa el riesgo de desarrollar resistencia a la insulina (Liu y Manson, 2001; Hofmann y cols., 2002; Muse y cols., 2004). Un estudio en humanos no diabéticos, sugiere que una dieta con alto contenido de grasas totales y saturadas, baja en fibra y almidón, produce altas concentraciones de insulina durante periodos de ayuno y puede llegar a inducir o aumentar la resistencia a la insulina (Marshall y cols., 1997). En sociedades occidentales el aumento alarmante en el consumo de fructosa puede ser un factor importante que contribuye a la epidemia de obesidad y diabetes resistente a la insulina tanto en poblaciones pediátricas como adultas (Elliott y cols., 2002; Bray y cols., 2004). En las últimas décadas, se ha dado un cambio importante en la dieta humana al aumentar sustancialmente el consumo de fructosa en la dieta, que proviene de la alta ingesta tanto de sacarosa como de la alta-fructosa del jarabe de maíz, un edulcorante comúnmente utilizado en la industria de los alimentos (Bray y cols., 2004). Un aporte elevado de fructosa al hígado, principal órgano capaz de metabolizar dicho monosacárido, altera el metabolismo hepático normal de los carbohidratos y conlleva a 2 consecuencias importantes: alteración en el metabolismo de la glucosa y vías de almacenamiento de glucosa, y una tasa significativamente aumentada de lipogénesis de novo con síntesis de triglicéridos (TG), causados por el elevado aporte de glicerol y fragmentos acil de moléculas de TG provenientes del catabolismo de la fructosa (ver figura 1) (Basciano y cols., 2005). Estas alteraciones metabólicas parecen ser la base del desarrollo de la resistencia a la insulina frecuentemente observada en humanos y en modelos animales con una ingesta elevada de fructosa (Elliott y cols., 2002). Estos estados de resistencia a la insulina inducidos por una alta ingesta de fructosa se caracterizan frecuentemente por presentar una intensa dislipidemia metabólica, la cual parece ser causada por una sobreproducción intestinal y hepática de partículas de lipoproteínas aterogénicas (Basciano y cols., 2005). Un estudio reciente en cobayos, ha demostrado que una dieta basada en fructosa induce resistencia a la insulina y afecta significativamente la vía de señalización de la insulina en el cerebro, y se sugiere que la resistencia cerebral a la acción de la insulina puede 15 contribuir al desarrollo de daño cognoscitivo (Mielke y cols., 2005). Tomando en consideración que una dieta occidental típica no solo contiene altos nivelas de fructosa sino también en grasa y colesterol, las alteraciones sinérgicas entre estos nutrientes pueden incrementar el grado de resistencia a la insulina y la dislipidemia (Marshall y cols., 1997; Mehta y Reilly, 2004; Basciano y cols., 2005). En conclusión, la evidencia obtenida de estudios recientes epidemiológicos y bioquímicos, sugiere que la alta ingesta de fructosa en la dieta se ha convertido rápidamente en una de las principales causas del síndrome metabólico y sus consecuencias (Basciano y cols., 2005). 16 Leptina Fructosa Fructocinasa Insulina Sin control Fructosa 1-P Resistencia hepática a la insulina Gliceraldehído Dihidroxiacetona fosfato Glicerol 3-P Gliceraldehído 3-P Piruvato Lactato Lipogénesis Triglicéridos Acil-CoA Citrato de acetil-CoA Ensamblaje de VLDL H ito c to a ep Figura 1. Metabolismo hepático de la fructosa: una vía altamente lipogénica. La fructosa es fácilmente absorbida de la dieta y metabolizada principalmente en el hígado y el tejido adiposo. La fructosa puede ser degradada a glicerol y a fragmentos acil de triglicéridos, por lo que se considera como un eficiente inductor de la lipogénesis de novo. Altas concentraciones de fructosa pueden servir como una fuente de acetil-CoA pobremente regulada. A diferencia de la glucosa, se considera que la fructosa de la dieta no estimula la secreción de insulina o leptina. Se propone que la estimulación de la síntesis de triglicéridos produce acumulación hepática de triglicéridos, lo cual se ha demostrado produce una disminución de la sensibilidad hepática a la insulina, además se aumenta la síntesis de partículas de VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad) por la alta disponibilidad de sustratos, se produce una mayor estabilidad por la apoB, y una mayor concentración de la MTP (proteína de transferencia de triglicéridos microsomales), el factor critico en el ensamblaje de las VLDL. Modificada de Basciano y cols., 2005. 17 4. Fisiopatología de la Diabetes Mellitus La diabetes tipo 2 se presenta cuando el páncreas endocrino falla en la secreción suficiente de insulina para satisfacer la demanda metabólica debido a una disfunción secretora adquirida de las células-β y/o a una cantidad disminuida de células β (Donath y Halban, 2004; Permutt y cols., 2005). A pesar de que no se ha determinado si la disfunción en la secreción de insulina es causa o consecuencia de esta enfermedad, otros estudios sugieren que puede ser un signo de los cambios en el número de células β (Donath y Halban, 2004; Weir y Bonner-Weir, 2004). El número de células β en el adulto sano es variable, y los ajustes en el aumento y sobrevivencia de células β mantienen un balance entre la producción de insulina y la demanda metabólica. Por otra parte, se ha observado que un número importante de individuos obesos con resistencia severa a la insulina, no desarrollan diabetes. En estos individuos, las células-β se adaptan para compensar la elevada demanda de insulina. Esta adaptación involucra un aumento en el número de células-β, y una respuesta normal conservada de las células-β a las concentraciones de glucosa, que parece compensar el aumento en la demanda metabólica y la resistencia a la insulina asociada a obesidad. Sin embargo, en individuos susceptibles, esta adaptación del número de células β eventualmente fracasa y se desarrolla la diabetes tipo 2 asociada a obesidad (Lingohr y cols., 2002). La mayoría de los individuos con diabetes tipo 2, ya sean obesos o delgados, muestran una disminución neta del número de células-β (Weir y cols., 2001; Lingohr y cols., 2002; Butler y cols., 2003). De acuerdo a lo anterior, se puede considerar a la diabetes tipo 2 como una enfermedad de deficiencia relativa de insulina (Rhodes, 2005). La cantidad de células-β es regulada por varios factores relacionados con las células-β incluyendo el tamaño de las células, la tasa de replicación y/o diferenciación, y la tasa de muerte celular apoptótica (Butler y cols., 2003). Aunque se desconoce la causa de la disminución relativa en la cantidad de células-β, se han encontrado varios factores que contribuyen a la destrucción de las células-β (Butler y cols., 2003; Donath y Halban, 2004; Lowell y Shulman, 2005), y probablemente de otros tipos celulares, como veremos mas adelante. Algunas de estas condiciones son: el aumento sostenido de los niveles de nutrientes celulares circulantes, el estrés del retículo endoplásmico, factores de secreción adipocitaria (mencionados anteriormente), mecanismos iatrogénicos (Donath y Halban, 2004), y falla mitocondrial (Lowell y Shulman, 2005). 18 Se propone que el aumento en la tasa de apoptosis juega un papel importante (Butler y cols., 2003; Deng y cols., 2004). Las señales provenientes de y hacia la mitocondria que regulan la apoptosis en las células-β y la repercusión del melieu prediabético sobre dichas señales no han sido esclarecidas todavía (Gerich, 2003; Dickson y Rhodes, 2004; Hui y cols., 2004). En individuos con diabetes tipo 2, se ha determinado que sus células-β no detectan adecuadamente los niveles de glucosa, y en consecuencia no secretan cantidades apropiadas de insulina (Gerich, 2003). La detección de los niveles de glucemia requiere del metabolismo mitocondrial oxidativo para poder generar ATP (Maechler y Wollheim, 2001). Esto incrementa la proporción ATP/ADP en las células-β, produciéndose la siguiente cadena de eventos: inhibición de los canales de potasio regulados por ATP/ADP (KATP) de las células-β, despolarización de la membrana plasmática, apertura de canales de calcio activados por voltaje, entrada de calcio, y secreción de insulina inducida por glucosa (ver figura 2). La secreción de insulina es regulada por otros estímulos que no están relacionados con esta vía, pero es evidente que el metabolismo mitocondrial oxidativo es un factor central o determinante en la secreción de insulina activada por glucosa (Maechler y Wollheim, 2001; Wang y cols., 2004). El papel determinante de la mitocondria es evidente de acuerdo al estudio de enfermedades hereditarias raras en las que se presenta diabetes con falla de células-β, y se han caracterizado las mutaciones específicas o puntuales en el genoma mitocondrial (Wang y cols., 2004). De acuerdo al papel central de la mitocondria en el metabolismo de la glucosa, se considera probable que los individuos que presentan un funcionamiento disminuido de las mitocondrias estén predispuestos a desarrollar falla de las células-β y en consecuencia diabetes tipo 2 (Maechler y Wollheim, 2001; Wang y cols., 2004). Sin embargo, y debido a las dificultades en la obtención de muestras humanas de células-β para su análisis, esta hipótesis no ha sido comprobada directamente (Lowell y Shulman, 2005). Se piensa que la falla de las células-β en la diabetes tipo 2 es secundaria al incremento en la en la exposición de las células-β a la glucosa (glucotoxicidad) y o los lípidos (lipotoxicidad), asociada frecuentemente con el estado obeso-resistente a la insulina (Poitout y Robertson, 2002; Donath y Halban, 2004). Una de las hipótesis propuestas para explicar como es que estos factores inducen la falla de las células-β, se enfoca en los cambios en la expresión y función de una proteína de la membrana interna mitocondrial, llamada proteína desacopladora o interruptora-2 (UCP-2) (Chan y cols., 2001; Joseph y cols., 2002; Krauss y 19 cols., 2003). Para entender el papel de la UCP-2, es necesario primero revisar los aspectos relevantes del metabolismo mitocondrial oxidativo. El metabolismo oxidativo de la glucosa involucra la transferencia de energía almacenada en los puentes de carbono de la glucosa al tercer puente del ATP. Esta reacción compleja inicia cuando los electrones son transportados a los dinucleótidos acarreadores, dinucleótido de nicotinamida-adenina (NADH) y dinucleótido de flavina-adenina (FADH2). A su vez, estos dinucleótidos transfieren electrones a la cadena transportadora de electrones mitocondrial, una unidad multiprotéica agrupada en cuatro complejos (I al IV), los cuales se encuentran insertados en la membrana mitocondrial. Finalmente los electrones son dirigidos hacia su destino final, la reducción de oxígeno a agua. Los complejos proteicos I, III, y IV son bombas de protones impulsadas por oxidación y reducción que usan la energía transferida por los electrones para sacar o bombear de la matriz mitocondrial y creando un gradiente electroquímico de protones atreves de la membrana interna mitocondrial. El siguiente evento es el reingreso de protones hacia la matriz mitocondrial, vía la ATPsintetasa, utilizando la energía potencial del gradiente electroquímico para llevar acabo la síntesis de ATP a partir de ADP (Lowell y Shulman, 2005). La UCP2 es una proteína integral de membrana que al ser activada, produce una fuga de electrones a través de la membrana interna mitocondrial, produciendo un desacoplamiento o interrupción del metabolismo oxidativo de la glucosa de la producción de ATP (Krauss y cols., 2002). Debido a que disminuye la generación de ATP a partir de la glucosa, se puede inferir que la UCP2 inhibe la secreción de insulina activada por glucosa, como lo ha demostrado la evidencia experimental (Chan y cols., 2001). La sobre-expresión forzada de la proteína desacopladora en las célulasβ en cultivos celulares disminuye la secreción de insulina activada por glucosa (Chan y cols., 2001), mientras que la inactivación específica del gen de la UCP2 en ratones producen el efecto contrario (ver figura 2) (Zhang y cols., 2001). 20 Insulina Glucosa GLUT2 Apertura de 2+ canales de Ca Ca2+ Cierre de canales K ATP 2+ Ca Despolarización de la membrana Glucosa Insulina ATPasas Glucocinasa Incremento en el gradiente del potencial electroquímico Glucólisis Incremento en la proporción ATP/ADP ATP sintetasa Mitocondria Proteína desacopladora-2 Membrana interna NADH Célula-ß pancreática FADH2 Ciclo del ácido cítrico O2 Figura 2. Mecanismo probable por el cual la disfunción mitocondrial causada por la proteína desacopladora-2 (UCP2) daña la secreción de insulina en las células-β beta pancreáticas. La secreción de insulina en las células-β pancreáticas esta acoplada al metabolismo de la glucosa, la oxidación de la glucosa aumenta la proporción de ATP/ADP, lo cual cierra los canales KATP. Esto despolariza la membrana celular, se abren los canales de Ca2+ sensibles al voltaje, entra calcio a la célula, y se estimula la secreción de insulina. La UCP2 aumenta la fuga de protones a través de la membrana mitocondrial interna, desviando la energía potencial almacenada en el gradiente electroquímico lejos de la ATP-sintetasa, lo cual disminuye tanto la producción de ATP como la secreción de insulina a partir de la degradación de la glucosa. Por otra parte, el superóxido generado por la cadena transportadora de electrones estimula la actividad de la UCP2, con el consecuente aumento en la fuga de electrones y una disminución en la secreción de insulina inducida por glucosa. Modificada de Lowell y Shulman, 2005. 21 Se considera que el aumento en la expresión de la UCP2 tiene un papel causal en la diabetes tipo 2. Esta hipótesis es respaldada por varios hallazgos experimentales in vitro e in vivo, aumento en la expresión de UCP2 por hiperglucemia (glucotoxicidad) y sustratos lipídicos (lipotoxicidad), y en modelos de animales con diabetes tipo 2 (Chan y cols., 2001; Zhang y cols., 2001; Joseph y cols., 2002; Krauss y cols., 2002; Krauss y cols., 2003). Además se ha encontrado que la deficiencia genética de UCP2 mejora notablemente la función de las células-β en modelos de obesidad/diabetes en roedores. En conjunto, los datos obtenidos de modelos experimentales sugieren que la UCP2 juega un papel patogénico importante en la diabetes. En los humanos parece jugar un papel similar en la diabetes tipo 2, ya que se ha encontrado que se expresa en las células-β y la hiperglucemia produce un aumento en su expresión (Brown y cols., 2002). Considerando la evidencia antes comentada, se propone que las alteraciones mitocondriales tienen un rol importante en dos de las principales características fisiopatológicas de la diabetes tipo 2: la resistencia a la insulina y la falla de las células-β pancreáticas (ver figura 3) (Lowell y Shulman, 2005). UCP2 Obesidad en la actividad de la UCP2 Hiperglucemia Superóxido Lípidos Resistencia a la insulina Disfunción de las células-ß Figura 3. Efectos de la obesidad, la hiperglucemia, y los lípidos en la UCP2. La obesidad, la hiperglucemia, y la hiperlipidemia inducen la expresión de la UCP2 en las células-β pancreáticas. Además, este estímulo incrementa la producción de superóxido por la cadena transportadora de electrones. El superóxido activa la UCP2 y se aumenta considerablemente la fuga de protones. Dicha fuga de protones deteriora la secreción de insulina inducida por la glucosa, llevando a una disfunción de las células-β. La disfunción de las células-β y la resistencia a la insulina en músculo esquelético, hígado, y tejido adiposo son las características distintivas de la diabetes tipo 2. Modificada de Lowell y Shulman, 2005. 22 4.1. Mecanismos de daño tisular inducidos por hiperglucemia La hiperglucemia que se presenta en la diabetes es uno de los factores que produce daño a diversos tejidos (e.g. endotelial, neuronal) (Evans y cols., 2002; Sheetz y King, 2002; Sima y cols., 2004). A continuación se describen brevemente las principales teorías sobre los mecanismos bioquímicos de daño a órganos blanco causados por la hiperglucemia diabética. 4.1.1. Aldosa reductasa (vía de los poli-alcoholes) La elevación de la concentración intracelular de glucosa puede causar un aumento en la actividad de la enzima aldosa reductasa, la cual se activa únicamente cuando se presenta una hiperglucemia intracelular. Esta enzima utiliza NADPH para reducir la glucosa a sorbitol, el cual es oxidado a fructosa vía la enzima sorbitol deshidrogenasa (la cual utiliza NAD+ como cofactor) (Evans y cols., 2002). Debido a que el cristalino presenta altos niveles de expresión de la aldosa reductasa comparada con otros tejidos, se considera que el nivel incrementado de sorbitol contribuye al desarrollo de cataratas. A pesar de que el sorbitol intracelular ha sido postulado como una causa de daño vascular osmótico (Gabbay, 1975), no se acepta completamente esta idea ya que los niveles intracelulares del sorbitol en las células vasculares están en el rango nanomolar, comparado con el rango micromolar y hasta milimolar en el que se encuentran otros metabolitos de la glucosa (Van Den Enden y cols., 1995; Chung y cols., 2003). La disminución del NADPH celular causada por el aumento en la actividad de la aldosa reductasa puede disminuir la síntesis de oxido nitrico en células endoteliales y alterar el balance redox celular. A su vez el aumento en la actividad de la enzima sorbitol deshidrogenasa ocasiona un aumento en la producción de NADH/NAD+ que puede alterar la actividad de otras enzimas, y contribuir también con el desarrollo de las complicaciones (Wautier y Guillauseau, 2001). 23 4.1.2. Productos finales de la glucación avanzada (AGEs) Durante el curso normal del envejecimiento, algunas proteínas son modificadas irreversiblemente por sacáridos en un proceso conocido como la reacción de Maillard, que conlleva a una coloración café o marrón de los tejidos (Wautier y Guillauseau, 2001). La teoría de AGE se inicio como un intento de explicación de las complicaciones diabéticas visto como una forma de envejecimiento acelerado y cuya base son las modificaciones covalentes y polimerización de proteínas por la glucosa (Sheetz y King, 2002). Los productos de la glucación no enzimática de las proteínas son variados en estructura en estructura química y, como grupo, se les denomina AGEs. La formación de AGEs puede dañar las células alterando la función de una gran cantidad de proteínas, incluyendo proteínas estructurales extracelulares como el colágeno y proteínas intracelulares (Wautier y Guillauseau, 2001). Los AGEs también pueden alterar la función celular uniéndose a receptores, como el receptor de AGEs (RAGE) transmembranal, que pertenece a la superfamilia proteica de inmunoglobulinas. La unión de proteínas modificadas AGEs al RAGE produce una cascada de eventos de señalización intracelular, siendo uno de ellos la activación de la proteína cinasa activada por mitogenos (MAP cinasa) o PKC, que pueden llevar a una disfunción celular. Otros receptores a los que se pueden unir los AGEs son: el receptor de macrófagos “scavenger”, P60, P90, y galectina-3 (Jakuss y Rietbrock, 2004). 4.1.3. Especies reactivas de oxigeno (ROS) Una de las teorías más antiguas de las complicaciones diabéticas, propone que la hiperglucemia puede incrementar el estrés oxidativo por medio de procesos enzimáticos y no enzimáticos (Sheetz y King, 2002). El metabolismo de la glucosa a través de la vía glucolitica y del ácido tricarboxilico produce equivalentes reducidos que son usados para llevar a cabo la síntesis de ATP por medio de la fosforilación oxidativa en la mitocondria. Dentro de los productos secundarios de la fosforilación oxidativa mitocondrial se incluyen los radicales libres como el anión superóxido y su producción se incrementa por altos niveles de glucosa. La auto-oxidación de la glucosa a su vez produce radicales libres que pueden dañar proteínas celulares y el ADN mitocondrial (Spitaler y Graier, 2002). El aumento de estrés oxidativo 24 disminuye los niveles de oxido nítrico, induce la adhesión leucocitaria al endotelio e inhibe su función protectora (Evans y cols., 2002). 4.1.4. Proteína cinasa-C (PKC) El diacilglicerol (DAG) y la PKC son sustancias de señalización intracelular criticas que pueden regular varias funciones vasculares incluyendo permeabilidad, liberación de vasodilatadores, activacion endotelial y de factores de crecimiento. La activación fisiológica de PKC mediada por un receptor ocurre a través de la activación de la fosfolipasa-c, la cual aumenta los niveles de Ca+2 y DAG, y este ultimo activa la PKC (Sheetz y King, 2002). La activación patológica de la PKC puede presentarse en la hiperglucemia diabética debido a un incremento en la actividad de la vía glucolítica que conlleva a una elevación en los niveles intracelulares de gliceraldehido-3-fosfato. La elevación en los niveles de este metabolito intermedio puede aumentar la síntesis de novo del DAG a través del glicerol-3fosfato. Esta elevación crónica del DAG puede, a su vez, activar PKC. Además, DAG-PKC pueden ser activados indirectamente por ROI y AGE (Spitaler y Graier, 2002). La activación de la PKC puede producir deterioro en los vasos sanguíneos de la retina, riñón, y nervios puede producir daño vascular con aumento de la permeabilidad, aumento en la adhesión leucocitaria, y alteraciones en el flujo sanguíneo (Wautier y Guillauseau, 2001). Por otra parte la activación de PKC puede estar involucrada en la inducción de la expresión de factores de crecimiento (VEGF, TGF-β) y de señalización (VEGF, ET-1). Además, la activación de PKC puede alterar otras vías de señalización como las que utilizan MAP-cinasa o el factor de trascripción nuclear (Spitaler y Graier, 2002). La proteína cinasa-c es una familia de enzimas compuesta por al menos 12 miembros. Las isoenzimas PKC-β activadas patológicamente en la aorta y el corazón de ratas diabéticas, así como las isoformas PKC-α, PKC-e en la retina (Sheetz y King, 2002). 25 4.1.5. Interrelación entre las distintas vías Se considera que las vías metabólicas alteradas por la hiperglucemia pueden afectarse entre si. Esto no es sorprendente dado que los metabolitos de la glucosa son sustratos o cofactores para varias vías metabólicas. En general, los efectos adversos de la hiperglucemia pueden causar funcionamiento anormal ya sea generando metabolitos tóxicos y reactivos o alterando las vías de señalización intracelular. El ejemplo mas claro de estas alteraciones es la formación de oxidantes. En el estado diabético, la producción mitocondrial elevada de superóxido puede contribuir a la elevación de las sustancias oxidantes (Sheetz y King, 2002). Algunos AGEs son oxidantes y contribuyen a la glucoxidacion y peroxidacion lipidica. La unión de AGE a sus receptores celulares puede aumentar la producción de oxidantes estimulando la NADP (H) oxidasa. El incremento del flujo de glucosa a través de la vía AR puede disminuir los niveles de NADPH. El NADPH es necesario para la reducción del glutatión oxidado. Por lo tanto, el aumento del flujo o actividad de la vía de la AR en el estado diabético puede producir daño oxidativo al inhibir la reducción del glutatión oxidado (Spitaler y Graier, 2002). La producción de oxidantes por el sistema mielo-peroxidasa de los fagocitos y por el mecanismo mitocondrial, puede activar la producción intracelular de AGEs, la activación de la PKC puede afectar la producción de oxidantes y AGE por medio de la activación de oxidasas como la NADP (Н) oxidasa. Estos mecanismos pueden interactuar y potenciarse unos a otros a través de las distintas vías de señalización activadas por glucotoxinas. Por ejemplo, los AGEs extracelulares pueden unirse a receptores celulares RAGE, activando enzimas de señalización como PKC y MAP-cinasa, y de este modo alterar la función y sobrevivencia de las células vasculares. El estrés oxidativo puede también activar la PKC aumentando la síntesis de DAG. Otras moléculas de señalización como la p38 o la MAP-cinasa Jun-N-terminal, se ha determinado son activadas por oxidantes y que producen cambios transcripcionales y enzimáticos, así como alteraciones en la supervivencia celular (Spitaler y Graier, 2002). Una comprensión clara de las interacciones entre estas teorías es fundamental para el diseño de planes terapéuticos. La gran cantidad de vías por las que la hiperglucemia puede generar metabolitos tóxicos explica claramente el porque de la poca eficacia de los tratamientos dirigidos a una glucotoxina específica (Sheetz y King, 2002). 26 5. Neuroglia Las neuronas del sistema nervioso central se encuentran rodeadas por células satélite denominadas células de la neuroglia, células gliales o simplemente glia. Estas células fueron descritas por primera vez por Rodolfo Virchow en 1858, quien las describió como un “pegamento neuronal” y las llamo neuroglia (Virchow, 1858; Nicholls y cols., 2001). Las células de la neuroglia ocupan aproximadamente la mitad del volumen cerebral total y superan el número de neuronas en una proporción aproximada de 10 a 1 (Vesce y cols., 1999). Las principales clases de células gliales son oligodendrocitos, astrocitos, y células gliales radiales. Las células de la microglia constituyen una población separada de células fagocíticas que patrullan el sistema nervioso central por medio de movimientos ameboides (Kreutzberg, 1998; Nimmerjahn y cols., 2005). Las neuronas y las células gliales se encuentran densamente empaquetadas; sus membranas están separadas por espacios extracelulares de 20 nm de ancho. Las membranas de las células gliales contienen canales iónicos, receptores para transmisores, bombas transportadoras de iones, y transportadores de aminoácidos entre otros (Vesce y cols., 1999). Además, las células gliales están unidas entre si por uniones estrechas de baja resistencia que permiten el paso directo de iones y otras moléculas pequeñas (Dejana, 2004), tienen un potencial de reposo más negativo que el de las neuronas y no generan potenciales de acción (Nicholls y cols., 2001). Una función esencial de los oligodendrocitos es la formación de mielina alrededor de los axones para incrementar la velocidad de conducción de los impulsos nerviosos. Las células gliales guían a su destino a los axones en crecimiento por medio de sustancias tróficas (Shearer y Fawcett, 2001). Las células microgliales invaden regiones cerebrales dañadas o inflamadas y fagocitan restos celulares (Nimmerjahn y cols., 2005). Debido a la cercanía entre la glia y las neuronas, existe una interacción dinámica entre ellas. Por ejemplo, la liberación de potasio al espacio extracelular durante la conducción de impulsos produce una despolarización de la membrana glial (Vesce y cols., 1999). Las células gliales alteran la composición de los líquidos que rodean a las neuronas capturando potasio, así como transmisores que se acumulan después de la actividad neuronal (Leybaert, 2005). Las células gliales también secretan transmisores, nutrientes, y sustancias tróficas al espacio extracelular. Aun no se ha determinado cuantitativamente la contribución de estos mecanismos al funcionamiento normal de las neuronas (Araque y Perea, 2004). 27 6. Barrera hemato-encefálica (BHE) Es un sistema homeostático que controla el medio ambiente interno del cerebro. Incluye mecanismos anatómicos, fisicoquímicos y bioquímicos que controlan el intercambio de sustancias entre la sangre y el intersticio cerebral, y entre la sangre y el líquido cefalorraquídeo (Nicholls y cols., 2001). Dentro del cerebro existe tres compartimiento de líquidos: 1) la sangre aportada al cerebro a través de una densa red de capilares, 2) el liquido cefalorraquídeo (LCR) que rodea la mayor parte del SNC y esta contenido en sus cavidades internas (ventrículos), y 3) el líquido intersticial (Saunders y cols., 1999). La BHE se divide en 2 sistemas, la barrera hemato-encefálica propiamente dicha, y la barrera entre la sangre y el liquido cefalorraquídeo (Dejana, 2004). La BHE tiene un área aproximada de 20 m2 de superficie y es aproximadamente 5000 veces mayor que la de los plexos coroideos formadores de líquido cefalorraquídeo (Pardridge, 2003). El principal componente de la BHE es la microvasculatura cerebral, específicamente las células endoteliales capilares y sus uniones estrechas. Esta característica las hace menos permeables a los componentes de la sangre que el resto de los capilares del organismo, los cuales presentan fenestraciones (Dejana, 2004). Además de uniones estrechas, los astrocitos emiten prolongaciones protoplasmáticas que rodean y envuelven los capilares cerebrales. Por otra parte, los astrocitos se comunican e intercambian sustancias con las neuronas adyacentes, es decir, son intermediarios fisiológicos entre las células endoteliales y las neuronas (GarciaSegura y Mccarthy, 2004). Las estructuras cerebrales localizadas en posiciones estratégicas en la línea media del sistema ventricular, y que carecen de BHE-endotelial, se les denomina órganos circunventriculares (OCVs) (Engelhardt, 2003). Se considera que la falta de barrera vascular se debe a sus funciones neurohemales o neurosecretoras, es decir sus neuronas monitorean estímulos hormonales y otras sustancias sanguíneas o secretan sustancias neuroendocrinas en la sangre. Los capilares de los OCVs son fenestrados y por lo tanto permiten la difusión de proteínas y solutos entre la sangre y los OCVs. Otra estructura en la cual las células endoteliales no forman una barrera son los plexos coroideos (Engelhardt y cols., 2001). El plexo coroideo es una estructura vellosa que consiste en una extensa red capilar encapsulada por una sola capa de células de epitelio cuboidal o columnar, se extiende desde la superficie 28 ventricular hasta el lumen ventricular, y su principal función es la secreción de líquido cefalorraquídeo. Los capilares de los plexos coroideos son fenestrados, como los que se encuentran en los OCVs, mientras que las regiones apicales del epitelio de los plexos coroideos se encuentran rodeadas de uniones estrechas, formando la barrera sangre-liquido cefalorraquídeo. De manera similar, una compleja red de uniones estrechas que conectan células ependimales especializadas (tanicitos), sellan el SNC a los OCVs (Engelhardt, 2003). 7. Consideraciones anatómicas de la circulación cerebral normal La vasculatura cerebral presenta características anatómicas y fisiológicas que sirven para proteger al cerebro de alguna alteración circulatoria. • La primer defensa del cerebro es el grado de traslape del aporte sanguíneo de varias regiones, es decir, una región cerebral específica puede ser irrigada por varias arterias. • El cerebro recibe sangre de dos fuentes: las arterias carótidas internas y las arterias vertebrales. • Las arterias vertebrales izquierda y derecha se unen a nivel del puente en la cara ventral o anterior del tallo cerebral para formar la arteria basilar media. La arteria basilar drena su sangre al anillo o polígono arterial de Willis que se encuentra en la base del cerebro y que también lleva sangre de las arterias carótidas internas. • Las carótidas internas a nivel del polígono de Willis se bifurcan en dos ramas principales, las arterias cerebrales anteriores y medias, las cuales irrigan el prosencéfalo (telencéfalo y diencéfalo). • Las arterias vertebrales, basilar y cerebrales posteriores, conforman la circulación posterior y suplen la corteza posterior, el mesencéfalo y el tallo cerebral. • El cerebro consume el 15% del gasto cardiaco total. Esta condición se debe mantener en límites estrechos debido a que el cerebro no tolera una caída en la presión de perfusión. Existen reflejos y otros mecanismos fisiológicos que mantienen la presión arterial en niveles adecuados. 29 • El flujo sanguíneo cerebral normal se encuentra alrededor de la presión arterial media, aproximadamente de 60 a 130 mmHg. El reflejo barorreceptor mantiene la presión sanguínea hacia la cabeza, haciendo que la frecuencia de descarga de los receptores cambie inversamente a la presión arterial. • Un aumento en la presión arterial causa una disminución en los impulsos de los barorreceptores, esto produce una inhibición refleja de las vías eferentes simpáticas del sistema cardiovascular y una estimulación de la rama cardiaca del nervio vago, produciendo así una disminución de la presión arterial. • Los barorreceptores cesan la descarga cuando la presión arterial cae por abajo de 50 o 60 mmHg. En estas condiciones de hipotensión, las neuronas del centro vasomotor del tallo cerebral son estimuladas y producen una estimulación simpática al sistema cardiovascular como último recurso para mantener la presión arterial en límites normales (Zingman y cols., 2002). Los vasos sanguíneos están ligados al funcionamiento neuronal a través de un proceso denominado acoplamiento neurovascular, lo cual significa que el diámetro de los vasos y su flujo sanguíneo se adaptan a los requerimientos neuronales de acuerdo a su nivel de actividad (Magistretti y Pellerin, 1999). La actividad neuronal esta determinada de acuerdo a su actividad eléctrica y sináptica, o sea, la tasa de disparo de potenciales de acción, la liberación de neurotransmisores en las neuronas presinápticas, y las subsecuentes respuestas post-sinápticas químicas y eléctricas. Bajo circunstancias normales, la glucosa es el principal sustrato energético utilizado por el cerebro vía la glucólisis, el ciclo del ácido tricarboxílico, y la fosforilación oxidativa. El acoplamiento neurovascular permite que el uso y consumo regional de glucosa en el cerebro este estrechamente relacionado con el flujo sanguíneo local, de tal modo que vincula la actividad neuronal, la tasa metabólica, y el flujo sanguíneo (Pellerin y Magistretti, 2004; Leybaert, 2005). 30 8. Transporte de glucosa al cerebro El cerebro depende de un aporte adecuado de glucosa para lograr un funcionamiento normal. (Lund-Andersen, 1979; Sokoloff, 2004). La glucosa debe atravesar los fosfolípidos de las membranas celulares endoteliales que conforman la barrera hemato-encefálica para llegar a las neuronas y células gliales (Clarke y Sokoloff, 1999). El principal mecanismo de transporte de la glucosa al cerebro es la difusión facilitada, proceso que no requiere gasto energético. La familia de proteínas transportadoras de glucosa (GLUTs), es la encargada de facilitar la entrada de glucosa a todas las células del organismo. La clasificación actual de la familia de GLUTs esta basada en las similitudes entre sus secuencias genéticas, y se subdividen en tres clases (I, II y III). Los GLUTs cerebrales estan representados en la Clase I por los GLUTs 1 al 4, en la clase II por el GLUT5, y en la clase III por el GLUT6, GLUT8 y el GLUT10 (Joost y cols., 2002). Los GLUT1 representan la principal vía de entrada de la glucosa al cerebro y regulan la disponibilidad de sustratos energéticos para las neuronas. Las 2 isoformas cerebrales de GLUT1 son: una de 55 KDa (GLUT1-55), que es la más glucosilada y se expresa en células endoteliales de la BHE, y otra de 45 KDa (GLUT1-45) localizada principalmente en los astrocitos (Mcewen y Reagan, 2004). Los GLUT2 se expresan en diversos tejidos periféricos, principalmente en páncreas e hígado, donde su función es detectar niveles plasmáticos de glucosa. Esta función de “sensor de glucosa” es más evidente en el páncreas, donde el transporte de glucosa mediado por el GLUT2 funciona como una señal para la liberación de insulina de las células-β. En el SNC se han identificado poblaciones neuronales que poseen características similares a las células-β, como neuronas especificas del hipotálamo (Levin y cols., 2001). Estas neuronas hipotalámicas tienen un fenotipo parecido al de las célula-β pancreáticas ya que expresan GLUT2, receptores a sulfonilureas, un tipo de subunidad que forma el poro de los KATP (Kir 6.2), y la glucocinasa. Debido a lo anterior, se especula que los GLUT2 tienen un rol de sensores de glucosa en dichas neuronas (Miki y cols., 2001). En un estudio reciente se encontraron GLUT2 en neuronas de la neocorteza, la region dorsal del hipocampo y haces de fibras mielinizadas (Arluison y cols., 2004). Los GLUT3 se expresan en los espermatozoides, testículos y estructuras cerebrales (Haber y cols., 1993). En el cerebro se ha determinado su expresión en cerebelo, corteza, y 31 especificamente en la neuropila de las fibras musgosas de la region CA3 del hipocampo, hasta la fecha se desconocen las implicaciones de esta especificidad. Los GLUT4 son un subtipo de transportadores de glucosa sensibles a insulina y se han encontrado en corteza cerebral, cerebelo, hipocampo, músculo, tejido adiposo y corazón (Birnbaum, 1989; Charron y cols., 1989). Además, en cerebelo, hipocampo, músculo, y tejido adiposo se ha encontrado expresión concomitante del receptor a la insulina; la unión de la insulina a este receptor aumenta el tráfico de GLUT4 del citoplasma a la membrana para aumentar el ingreso y la utilización de glucosa (Kar y cols., 1993; Saltiel y Pessin, 2002). Los GLUT5 se expresan en intestino, músculo esquelético, testículo y espermatozoides (Kayano y cols., 1990; Burant y cols., 1992). En el SNC se ha demostrado su expresión principalmente en células de la microglia (Payne y cols., 1997). Este transportador se caracteriza por tener una alta afinidad al transporte de fructosa y una baja afinidad al transporte de glucosa (Burant y cols., 1992). Se desconocen las implicaciones fisiológicas en el cerebro de este transportador de fructosa/glucosa. El GLUT8 (anteriormente llamado GLUTx1) es otro transportador sensible a la insulina y se ha encontrado en testículo, corteza cerebral, cerebelo, núcleo paraventricular hipotalámico, amígdala, núcleo supraóptico e hipocampo (Mcewen y Reagan, 2004). En las estructuras del SNC donde se le ha caracterizado, se localiza en el soma y dendritas neuronales, y se propone que contribuye a los requerimientos metabólicas de manera insulino-dependiente (Reagan y cols., 2001). 9. Regulación cerebral del metabolismo energético Existen 2 procesos fisiológicos fundamentales en el organismo humano que regulan el metabolismo energético: el aporte de energía (apetito, ingesta de alimentos) y la asignación (destino) de los sustratos energéticos. Por otra parte, se considera que el gasto energético está condicionado por diversos factores, como la carga genética y factores ambientales (Almind y Kahn, 2004; Speakman, 2004; Zhang y cols., 2004; Bienvenu y cols., 2005; Kahn y cols., 2005). Los distintos órganos deben competir por el aporte de un número limitado de sustratos energéticos. El cerebro ocupa un lugar especial entre todos los órganos en lo que 32 concierne al metabolismo energético. Es el órgano central en la regulación del suministro de sustancias energéticas, y recibe información de todos los órganos periféricos a través de receptores sensoriales periféricos (e.g. hepáticos) y sus respectivas vías aferentes neuronales (Wynne y cols., 2005; Pocai y cols., 2005 b). En cambio, puede controlar las funciones de muchos órganos periféricos, e.g. los músculos esqueléticos, el corazón, el tracto gastrointestinal, o los órganos reproductivos, a través de sus vías nerviosas eferentes (Nicholls y cols., 2001; Speakman, 2004; Pocai y cols., 2005 a). Es probable que dicho control no se limite a movimientos físicos de y la función de muchos órganos, sino que incluya la regulación del metabolismo energético (Peters y cols., 2002; Pocai y cols., 2005 a; Pocai y cols., 2005 b). La descarga neuronal y liberación de neurotransmisores y neuropeptidos requiere cantidades extraordinariamente elevadas de energía (Hertz y cols., 1999; Attwell y Laughlin, 2001; Sokoloff, 2004). El consumo de energía cerebral, comparado con la pequeña proporción que representa de la masa total del organismo, es mucho mayor que el consumo de energía de todos los demás órganos (e.g. músculo) (Attwell y Laughlin, 2001; Sokoloff, 2004). La proporción de energía consumida por el cerebro humano excede la proporción encontrada en todas las especies conocidas. Este hecho puede ser relevante para comprender el origen de las características y las alteraciones o trastornos del metabolismo observadas principalmente en humanos, e.g. obesidad (Peters y cols., 2004). El cerebro esta separado de la circulación general por la BHE (Nicholls y cols., 2001). Sustratos específicos (como glucosa y lactato) o señales hormonales (como insulina y leptina) ingresan al SNC por medio de mecanismos de transporte específicos a través de la barrera hemato-encefálica (Banks, 1997 a; 1997 b; 2004). Por lo tanto, se considera que el transporte de sustratos y hormonas hacia el cerebro es estrictamente controlado. La capacidad cerebral de almacenamiento de energía es extremadamente limitada, sin embargo el mantenimiento del aporte energético al cerebro es de primordial importancia para la supervivencia del organismo (Mccall, 2004). No sorprende entonces que el contenido energético disponible inmediatamente para el cerebro, i.e. en la forma de trifosfato de adenosina (ATP), sea regulado dentro de límites muy estrechos (Peters y cols., 2004). El cerebro depende casi exclusivamente del metabolismo de la glucosa (Pellerin y Magistretti, 2004; Sokoloff, 2004). De acuerdo a lo anterior, la selección de sustratos por el cerebro es altamente específica (Pellerin y Magistretti, 2004; Leybaert, 2005), mientras que los tejidos periféricos (músculo) pueden metabolizar glucosa, lípidos o proteínas (Neumann-Haefelin y cols., 2004). Por 33 último, el cerebro es capaz de memorizar tanto la información sobre sus mecanismos de control como los efectos producidos, y de aprender de los resultados. Además, puede aprovechar su plasticidad para optimizar sus funciones reguladoras (Peters y cols., 2004). En resumen, la situación especial del cerebro se caracteriza por: las características de su barrera física, su elevado consumo de energía, su poca capacidad de almacenar energía, su especificidad de sustratos, su plasticidad, y su capacidad de almacenar información de y para la regulación de órganos periféricos. Tomando en cuenta las evidencias encontradas sobre el metabolismo energético cerebral y sus consecuencias sobre el resto del organismo, se ha propuesto lo siguiente: El cerebro da prioridad a su concentración de ATP al realizar ajustes metabólicos. Por eso activa su sistema de estrés metabólico y al hacerlo compite por los sustratos energéticos con el resto del organismo (distribución). Además el cerebro altera el apetito para tratar de inactivar su sistema de estrés y regresarlo al estado de reposo. De acuerdo a estos dos postulados, el cerebro representa en el organismo la más alta autoridad reguladora y el consumidor con la más alta prioridad. Durante periodos de estrés y de escasez el cerebro garantiza su propio aporte aún a expensas de los demás órganos (Peters y cols., 2002; Peters y cols., 2004). 10. Regulación de la actividad cerebral basado en la concentración de ATP Se propone que el cerebro mantiene una concentración específica de ATP utilizando 2 tipos de canales de potasio sensibles a ATP (KATP), de alta y baja afinidad. Los canales KATP pertenecen a una clase especial de canales iónicos que acoplan el metabolismo bioenergético con la excitabilidad de la membrana (Aguilar-Bryan y Bryan, 1999). Como resultado del metabolismo cerebral de la glucosa, se incrementa la producción intracelular de ATP (aumento en la proporción citoplasmática de ATP/ADP), lo cual induce el cierre de los canales KATP, que produce una disminución en la salida de potasio, y consecuentemente una despolarización de la membrana; en cambio, la deficiencia de glucosa abre los canales KATP, 34 aumenta la salida de potasio y la membrana se hiperpolariza. Por esta razón se considera que la proporción intracelular de ATP/ADP es el principal regulador del estado funcional de los canales KATP.(Seino y Miki, 2003; Obregón-Herrera y cols., 2004). Los efectos opuestos del ATP y el ADP en la actividad de los canales KATP se atribuye a la presencia de dos proteínas distintas en un complejo octamérico que constituye el canal (Seino y Miki, 2003). El canal KATP está formado por cuatro subunidades de un rectificador entrante de K+, ya sea KIR6.1 o KIR6.2, y cuatro subunidades receptoras de sulfonilureas (SUR1, SUR2A o SUR2B, dependiendo del tejido), que regulan la apertura y cierre del canal (Campbell y cols., 2003). Estos canales se han encontrado en neuronas, células neuroendocrinas, músculo esquelético, músculo liso, páncreas y otros tejidos (Ashcroft, 1988; Lazdunski, 1994; Rosenblum, 2003). Los canales KATP de algunas poblaciones neuronales (región CA3 hipocampal), están formados por 2 subunidades: KIR6.2, y SUR1, un miembro de la familia de proteínas “ATPbinding casette” (ABC) que regula el canal (Inagaki y cols., 1995; Biessels y cols., 1996; Obregón-Herrera y cols., 2004). La topología de este canal en la membrana neuronal, consiste en dominios transmembranales doble hélice ligados por una asa-P que contiene la secuencia conservada GYG de canales selectivos de K+ (ver figura 4) (Obregón-Herrera y cols., 2004). Tomando en cuenta que los canales KATP traducen la información concerniente al estado metabólico celular en señales eléctricas, se postula que representan estructuras moleculares en la membrana plasmática que monitorean la actividad metabólica celular y se les considera “sensores energéticos” o sensores de ATP (Seino y Miki, 2003; Obregón-Herrera y cols., 2004; Peters y cols., 2004). Se ha determinado que si una neurona excitatoria tiene suficiente reserva energética, es decir, una elevada proporción ATP/ADP, los canales KATP se cierran. Como ya se ha mencionado, los canales KATP cerrados evitan la salida de potasio intracelular, lo cual favorece o promueve la despolarización. La despolarización produce apertura de canales de calcio sensibles al voltaje y permite la entrada de calcio a la célula. La neurona libera entonces un neurotransmisor (como el amino-ácido excitatorio Glutamato) o neuropéptidos (como el factor neurotrófico derivado del cerebro; BDNF) en sus terminaciones nerviosas. 35 Kir6.2 SUR1 N’ Extracelular 1 G Y G 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Intracelular N’ C’ C’ NBF1 NBF2 1 R1 SU R SU Kir6.2 Kir6.2 K Kir6.2 + Kir6.2 R1 SU R1 U S Figura 4. Topología propuesta de un canal KATP. Facilitada pro la Dra. Myrian Velasco. Se puede resumir que si el contenido energético de la neurona es adecuado, los canales KATP permiten la despolarización neuronal, pero si ocurre una caída en la concentración de ATP intracelular se produce la apertura de los canales KATP y la neurona se hiperpolariza (estabilidad eléctrica), promoviendo que la neurona no genere impulsos nerviosos. Esto significa que los canales KATP, sensores del metabolismo celular, controlan la excitabilidad neuronal y se les confiere un papel citoprotector. En otras palabras, cuando se presenta una deficiencia energética la célula se “apaga”, y la energía residual es conservada 36 y empleada en el mantenimiento estructural de la célula (Heurteaux y cols., 1993; Garcia y cols., 1999; Yamada y cols., 2001). Otro aspecto importante de mencionar es que existen dos tipos de canales KATP de acuerdo a su afinidad al ATP; de alta y baja afinidad. De acuerdo a esta propiedad de unión al ATP se clasifican en dos subtipos, SUR1 y SUR2 respectivamente (Babenko y cols., 1999; Matsuo y cols., 2000; Song y Ashcroft, 2001). Con una baja concentración intracelular de ATP, los sitios de unión al ATP de una gran proporción de los canales KATP de alta afinidad se encuentran ocupados, y por lo tanto, los canales se cierran. Estos canales de alta afinidad se han encontrado en neuronas excitatorias de la corteza y otras regiones del cerebro (Lee y cols., 1996; Karschin y cols., 1997). Como ya se mencionó, estas neuronas son capaces de permanecer activas eléctricamente a bajas concentraciones de ATP, sin embargo, si la concentración de ATP disminuye hasta niveles demasiado bajos y/o críticos para la supervivencia neuronal, estos canales se abren y la neurona se desactiva, es decir, permanece silente. Estos canales de alta afinidad de la neocorteza juegan un papel fundamental en la protección contra la epilepsia y daño neuronal (Hernandez-Sanchez y cols., 2001). Por otra parte, con una alta concentración intracelular de ATP, los sitios de unión de los canales KATP con baja afinidad también están ocupados, y los canales se cierran. Se han encontrado canales KATP en toda la corteza cerebral (Ohno-Shosaku y Yamamoto, 1992; Lee y cols., 1995; Dunn-Meynell y cols., 1998; Garcia y cols., 1999), y se localizan pre- y postsinápticamente (Luhmann y Heinemann, 1992). En algunas áreas cerebrales como el hipocampo y la sustancia nigra, los canales KATP producen la liberación de ácido γ-aminobutírico (GABA) (Ohno-Shosaku y cols., 1993; Watts y cols., 1995; Ye y cols., 1997). Si se considera que los canales KATP con alta afinidad están localizados en neuronas excitatorias, mientras que los KATP de baja afinidad se localizan en neuronas inhibitorias, este patrón de distribución conlleva al siguiente funcionamiento dinámico: cuando el ATP se encuentra críticamente reducido, ambos tipos de neuronas (excitatorias e inhibitorias) se encuentran funcionalmente inactivas. Este fenómeno ha sido descrito como un “silenciamiento global” de la corteza cerebral; su correlato clínico es el llamado coma hipoglucémico, o mas apropiadamente “coma neuroglucopénico”. Con bajas y no críticas concentraciones cerebrales de ATP en ambos tipos neuronales, el ATP se une casi exclusivamente a los KATP de alta afinidad, es decir, aquellas neuronas excitatorias que liberan glutamato. En contraste, con una alta concentración citoplasmática de ATP las neuronas 37 inhibitorias también son activadas, o sea en aquellas que ejercen un efecto inhibitorio sobre la población neuronal excitatoria. Los cambios en el balance de la actividad entre las poblaciones neuronales excitatorias e inhibitorias dependen de la concentración cerebral de ATP. A bajas concentraciones de ATP predomina la actividad de la población neuronal glutamatérgica, mientras que a altas concentraciones de ATP predomina la actividad de la población neuronal GABAérgica (Peters y cols., 2004). 11. Neuropatía Diabética 11. 1. Neuropatía Periférica La neuropatía periférica es una complicación frecuente de la diabetes mellitus. Se han observado varios patrones de neuropatía, de las cuales la mas común es la polineuropatía simétrica distal (Vinik y cols., 1992; Dyck y cols., 1993). Los pacientes refieren adormecimiento, parestesias y una sensación de hormigueo o picazón, que afecta principalmente las extremidades inferiores. Durante el examen neurológico en pacientes diabéticos sintomáticos y asintomáticos, se detectó perdida de sensación distal y disminución o perdida del reflejo del tobillo (Vinik y cols., 1992; Dyck y cols., 1993). Los exámenes electrofisiológicos generalmente muestran disminución de la velocidad de conducción en nervios motores y sensoriales (Arezzo, 1997). Estudios morfológicos de biopsias de nervios muestran pérdida de fibras mielinizadas, asociada a un aumento en el número de fibras mielinizadas en regeneración y desmielinización segmentaria (Yagihashi, 1995). 11.2. Encefalopatía Diabética A pesar de que desde principios del siglo XX (Miles y Root, 1922) se relacionó a la diabetes con daño cognoscitivo, hasta años recientes se ha encontrado evidencia en humanos y modelos experimentales de animales diabéticos, que vincula la hiperglucemia y la hipoglucemia con alteraciones del sistema nervioso central (Stewart y Liolitsa, 1999; Izumi y 38 cols., 2003; Sima y cols., 2004; Li y cols., 2005). Tradicionalmente se consideró a la neuropatía periférica diabética como la única complicación primaria del sistema nervioso, mientras que el S.N.C. se pensaba estar exento de complicaciones relacionadas con la diabetes. Actualmente se considera que la diabetes causa complicaciones primarias y secundarias del S.N.C. con daño a su integridad funcional y estructural (Sima y cols., 2004; Li y cols., 2005). La encefalopatía diabética primaria es causada directamente por la hiperglucemia y/o alteración en la acción de la insulina; mientras que la encefalopatía diabética secundaria es causada por eventos cerebrovasculares derivados de la enfermedad vascular diabética, o por tratamiento hipoglucemiante intenso, que potencialmente puede producir daño cerebral por hipoglucemia (Li y Sima, 2004; Sima y cols., 2004). En estudios de pacientes diabéticos tipo 2, durante episodios agudos de hiperglucemia (glucemia ≥ 300 mg/dl o 6.5 mmol/l) se observó función cognoscitiva alterada y deterioro en el estado de ánimo. Se considera que estos hallazgos son de importancia práctica debido a que la hiperglucemia crónica o intermitente es común en individuos con diabetes tipo 2, y puede interferir con sus actividades diarias a través de los efectos adversos en la función cognoscitiva y el ánimo (Sommerfield y cols., 2004). En los pacientes diabéticos, la hiperglucemia crónica se asocia a una elevada incidencia de demencia progresiva, y se considera que su principal causa es el daño vascular cerebral inespecífico (Stewart y Liolitsa, 1999). La actividad de las vías metabólicas antes mencionadas no depende de la actividad neuronal y por lo tanto, dicho conjunto de vías constituye una respuesta neurológica “pasiva” a la hiperglucemia. Aún cuando los efectos de la sobrecarga de glucosa y la patogénesis que rodea las vías metabólicas pasivas es la principal responsable de la patología asociada con la diabetes; investigaciones recientes sugieren que una segunda vía “activa” contribuye con la patología de órganos blanco (Aragno y cols., 2002; Evans y cols., 2002; Klein y cols., 2002). Estos estudios indican que el estado diabético induce cambios en la trascripción genética neuronal en algunas regiones del SNC, como el hipocampo e hipotálamo (Aragno y cols., 2002; Klein y cols., 2002; Klein y Waxman, 2003). Algunos de estos cambios (e.g., producción incrementada de hormona antidiurética en el núcleo supraóptico diabético) tienen efectos sobre la función neuronal, los cuales son benéficos en la respuesta aguda. Sin embargo, los cambios a largo plazo en la transcripción genética neuronal, en el cerebro de pacientes diabéticos, pueden llegar a convertirse en una adaptación nociva o inadecuada y 39 ser el mecanismo de fondo que produzca a su vez, una respuesta neuronal activa que potencia la patogénesis y el daño a órganos blanco (e.g. riñón) (Klein y cols., 2002; Klein y Waxman, 2003). 11.2.1. Daño cognoscitivo Las pruebas cognoscitivas en humanos con diabetes tipo 2 han demostrado déficits en la memoria. Estos déficits no parecen ser el resultado de una patología cerebral difusa, sino que representan una anormalidad específica en la capacidad de realizar tareas de memoria declarativa dependientes de hipocampo (Asimakopoulou y Hampson, 2002; Greenwood y cols., 2003). Otras áreas del cerebro parecen contribuir a los déficits cognoscitivos asociados a la diabetes mellitus (Heijer y cols., 2003), sin embargo las tareas dependientes de hipocampo parecen ser particularmente sensibles a la hiperglucemia (Li y cols., 2005). En un estudio con pacientes diabéticos donde se agruparon a individuos por la presencia o ausencia de retinopatía diabética moderada (un indicador de hiperglucemia crónica), los que presentaron retinopatía tuvieron déficits significativamente mayores en la solución de problemas complejos y razonamiento abstracto, I.Q. global, procesamiento de información, atención y concentración. No se encontraron diferencias en las pruebas de función frontal y de ejecución como la fluidez verbal, vocabulario, función motora, y función sensorial básica (Klein y Waxman, 2003). Las pruebas cognoscitivas en animales con diabetes inducida por estreptozotocina, han revelado resultados similares. Los animales diabéticos tuvieron déficits significativos en la retención de la memoria en tareas de evocación activa dependiente de hipocampo, la cual fue reversible con la administración de insulina (Flood y cols., 1990). También se observaron déficits de realización o rendimiento en tareas de memorización y aprendizaje espacial, y estos déficits se agudizaron conforme aumentó la complejidad de las tareas (Popovic y cols., 2001). 40 11.2.2. Cambios en la plasticidad sináptica del hipocampo Se ha relacionado al aprendizaje asociativo, la adquisición de memoria, y la evocación con cambios a largo plazo en la eficacia sináptica entre neuronas hipocampales, y estas alteraciones en la señalización han sido estudiadas en modelos animales de diabetes. Los defectos en la función de la memoria declarativa dependiente de hipocampo parecen ser el resultado de los efectos deletéreos de la hiperglucemia en neuronas hipocampales. Los registros electrofisiogicos in vitro en las regiones CA1 y CA3 del hipocampo de animales diabéticos, muestran un daño en la potenciación a largo plazo, el cual se relaciona con el grado de hiperglucemia y es reversible al controlar la glucemia (Biessels y cols., 1996). En cambio, la inhibición a largo plazo, un tipo de atenuación sináptica dependiente de actividad, se facilita en neuronas hipocampales de CA1 en la diabetes (Kamal y cols., 1999). 12. Perspectivas Como se ha descrito en párrafos anteriores, el deterioro en el metabolismo de la glucosa, en las funciones glucorreguladoras, y en la expresión y tráfico de transportadores de glucosa tienen un impacto negativo sobre las funciones dependientes del hipocampo. Más allá de los transportadores de glucosa y el metabolismo de la glucosa, es importante hacer notar que una gran variedad de factores pueden contribuir a los déficits cognoscitivos en humanos y en las alteraciones del comportamiento en animales inferiores. Otras alteraciones como cambios neuroendocrinos, cambios morfológicos reversibles e irreversibles, cambios neuroquímicos, producción y acumulación de especies reactivas de oxigeno, glucosilación de proteínas, entre otras, contribuyen indudablemente al desarrollo del daño cognoscitivo asociado con diabetes, edad y enfermedades neuro-degenerativas (Alzheimer). Mientras que estas alteraciones neuroquímicas y neuroanatómicas deletéreas pueden tener una etiología única e independiente, están íntimamente entrelazadas y pueden ser aditivas o sinérgicas. Por lo tanto, seria difícil jerarquizar la importancia relativa de dichos cambios en relación al desarrollo de los déficits cognoscitivos. Hasta ahora, los efectos deletéreos de la diabetes tipo 2 en el SNC han sido observados y estudiados principalmente en pacientes de edad avanzada y en modelos 41 experimentales de animales diabéticos. Considerando el aumento significativo y alarmante en la incidencia y prevalencia de la diabetes tipo 2 asociada a la obesidad en pacientes pediátricos, es altamente probable que se observe un aumento paralelo a mediano plazo en la incidencia de encefalopatía diabética en edades más tempranas, con la consecuente disminución en la calidad y duración de vida. Es importante intensificar las estrategias de prevención de las patologías mencionadas y sus complicaciones, como seria el promover cambios en el estilo de vida a cualquier edad. Pero es igualmente importante que se continúe con la investigación científica relacionada al área del balance energético del organismo en individuos sanos y enfermos, de tal forma que se genere información crítica que ayude a comprender tanto la fisiología normal como la fisiopatología de la obesidad, la diabetes tipo 2 y otras patologías relacionadas con alteración del metabolismo energético. Seria ideal generar agentes terapéuticos que aumenten la oxidación de los ácidos grasos y la entrada de glucosa a las células y disminuyan la gluconeogénesis, y que al mismo tiempo disminuyan la ingesta de alimentos y el peso corporal. Así mismo, la búsqueda de fármacos que eviten o retrasen el desarrollo de complicaciones englobadas en la encefalopatía diabética como el déficit cognoscitivo, la demencia vascular progresiva y el deterioro de la memoria, elevaría de manera importante la calidad de vida de los pacientes con diabetes mellitus tipo 2. La investigación y búsqueda de tales fármacos se puede realizar desde distintas perspectivas o abordajes, tales como, ingeniería genética, biología molecular, electrofisiología, y ensayos clínicos, tratando siempre de vincular la investigación básica con el animal íntegro y el paciente. 42 13. Bibliografía 1. Aguilar-Bryan, L. y Bryan, J. (1999). Molecular Biology of Adenosine TriphosphateSensitive Potassium Channels. 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