Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología

Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología - Dr. Daniel P. Cardinali
Actualización
Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología
Biological rhythm in neuroendocrinology
Dr. Daniel P. Cardinali1 y Dr. Pablo A. Scacchi Bernasconi
Departamento de Docencia e Investigación, Facultad de Ciencias Médicas,
Pontificia Universidad Católica Argentina
Director, Departamento de Docencia e Investigación, Facultad de Ciencias Médicas,
Pontificia Universidad Católica Argentina,
Av. Alicia Moreau de Justo 1500, 4o piso (1107) Buenos Aires, Argentina.
Tel.: 4349-0200, ext. 2310 [email protected], [email protected]
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Resumen
Al rotar sobre su eje, la Tierra, presenta dos entornos bien definidos, el día y la noche, que existieron desde el
desarrollo de la vida. Como consecuencia, los seres vivos
han desarrollado mecanismos predictivos para adaptarse
satisfactoriamente. El ritmo biológico más conspicuo es el
del ciclo sueño/vigilia. La secuencia de transiciones entre
los tres estados fisiológicos principales de nuestra vida,
la vigilia, el sueño lento o no-REM (NREM) y el sueño
de movimientos oculares rápidos (REM), está organizado
siguiendo un estricto orden temporal bajo el control de
un marcapasos central, los núcleos supraquiasmáticos hipotalámicos (NSQ). Los NSQ preparan para anticipar el
período de vigilia al controlar los dos sistemas principales
de comunicación en el organismo, el sistema endocrino
y el nervioso autónomo. En los humanos tanto el sueño
como la secreción de hormonas son controlados por un
sistema de doble comando representado por procesos homeostáticos predictivos y reactivos. Los mecanismos de
la homeostasis reactiva relaciona la profundidad del sueño con la duración de la vigilia precedente mientras que
los mecanismos circadianos juegan un papel fundamental
para determinar el comienzo del sueño y la duración relativa de las fases de sueño REM y NREM. Para la mayoría
de las hormonas adenohipofisarias, su ritmicidad de 24 h
es producto de la interacción del reloj circadiano con el
homeostato de sueño e incluye a los componentes pulsátiles, ultradianos de alrededor de 90 min, tiempo semejante
al transcurrido entre cada sueño NREM y REM. Estos
ritmos hormonales dependen principalmente del homeostato del sueño (p.ej.; GH, prolactina), del reloj circadiano
(p.ej., cortisol, melatonina) o de ambos (p.ej., TSH). Esta
revisión discute de las bases moleculares y fisiológicas
del sistema circadiano haciendo énfasis en la regulación
neuroendocrina.
Palabras claves:
Abstract
As the Earth rotates on its axis, it presents two
well-defined environments, the day and the night. As
an evolutionary consequence, living creatures have responded to the geophysical environment by developing
predictive mechanisms to adapt themselves successfully. The most conspicuous biological rhythm is the
sleep-wake cycle. The sequence of transitions between
the main three physiological states of our life: wakefulness, slow, non REM (NREM) sleep and rapid eye
movement (REM) sleep is organized following a strict
temporal order under the command a central pacemaker,
the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN).This
biologic clock prepares us for the anticipated period of
wakefulness by controlling the two major communication systems in the body, the endocrine and the autonomic nervous system. In humans both sleep and hormone
secretion is controlled by a double command system
given by predictive and reactive homeostatic processes.
Reactive homeostatic mechanisms link the depth of
sleep with duration of preceding wakefulness while the
circadian mechanisms play a fundamental role to determine initiation of sleep and relative duration of REM
and NREM sleep phases. For most adenohypophysial
hormones their 24 h rhythmicity result from the interaction of the circadian clock with the sleep homeostat and
include pulsatile, ultradian components of about 90 min,
which is the time elapsed between every NREM and
REM. These hormonal rhythms depend mostly on the
sleep homeostat (e.g. GH, prolactin), on the circadian
clock (e.g. cortisol, melatonin), or on both (e.g. TSH).
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Revista SAEGRE - Volumen XVI - Nº 3 - noviembre de 2009
This review article discusses the molecular and physiological bases of the circadian system, with emphasis in
neuroendocrine regulation.
Key words:
El espectro temporal de la vida
Como la Tierra rota sobre su eje, ella presenta dos ambientes bien definidos: la luz y la oscuridad.
Como el eje de rotación de la Tierra está inclinado, la
duración relativa de los períodos de luz y oscuridad
cambia sistemáticamente durante el año. Como consecuencia del proceso de la evolución, los seres vivientes
han respondido a estas dos situaciones geofísicas desarrollando mecanismos específicos de predicción con el
fin de adaptarse exitosamente. Este es el origen de los
ritmos biológicos que se repiten cada 24 horas (circadianos, del latín circa, ‘aproximadamente’, y dies, ‘día’) y
de los ritmos anuales, que oscilan sistemáticamente con
las estaciones del año. El nombre de circadiano fue dado
por la característica de estos ritmos de acercarse, pero no
ser exactamente iguales, a 24 horas, en condiciones de
ausencia de sincronizadores ambientales (por ejemplo,
en oscuridad permanente). En el hombre, este período
endógeno es de unas 25 horas1, 2.
Por lo tanto, cuando los animales cambian entre
modos diurnos, nocturnos o estacionales de conducta,
no están meramente respondiendo a cambios en las condiciones externas de luz; por el contrario, responden a
señales generadas por un marcapasos interno, sincronizado con los ciclos de rotación de la Tierra por acción
de factores ambientales, anticipa las transiciones entre
el día y la noche, y desencadena cambios fisiológicos y
conductuales acordes con ellas. De esta forma, el marcapasos cerebral crea un “día” y una “noche” dentro del
organismo, a modo de espejo del mundo exterior. Permite así optimizar nuestra adaptación a un mundo que
cambia previsiblemente.
El ritmo biológico más ostensible es el del ritmo sueño-vigilia. La secuencia de pasaje entre los 3
estados fisiológicos de vigilia, sueño lento y sueño de
movimientos oculares rápidos (rapid eye movements,
REM) sigue un estricto orden temporal, comandado por
un marcapasos interno o “reloj biológico”. Durante el
sueño, este reloj biológico nos prepara para el período
de vigilia que sigue controlando los dos grandes sistemas
comunicadores del organismo, el endocrino y el sistema
nervioso autónomo3,4. Como la marca del tiempo está
incorporada en el genoma celular, los mismos mecanismos que gobiernan nuestro reloj central están presentes
en las células de los órganos periféricos.
Existe pues una periodicidad biológica que está
asociada con la periodicidad geofísica. Esta vinculación
6
de la periodicidad biológica con los ciclos geofísicos
regulares ofrece dos ventajas objetivas: la predictibilidad (nótese que, por ejemplo, el período promedio de
la rotación de la Tierra ha disminuido sólo unos veinte
segundos en el último millón de años, y así la longitud
del día y la noche es prácticamente la misma hoy como
entonces) y la posibilidad de detectar cambios de amplitud suficiente en el entorno.
En la práctica, puede afirmarse que todo organismo viviente funciona como si tuviera un reloj biológico endógeno. Las características especiales de este
reloj sugieren que implica algún mecanismo o propiedad
única de la materia viviente. Alternativamente, podrían
ser simples modificaciones pasivas ante señales periódicas ambientales; veremos enseguida las pruebas que
niegan esta segunda posibilidad.
Homeostasia reactiva y predictiva
El término “homeostasia” fue acuñado hace 65
años por el fisiólogo estadounidense Walter Cannon, para
denominar los factores fisiológicos que mantienen el estado de equilibrio del organismo y, por lo tanto, la vida5.
Siguiendo a Claude Bernard, Cannon perfeccionó la idea
de constancia del medio interno. Como él mismo lo explicó, el prefijo “homeo” (similar) fue elegido en lugar de
“homo” (el mismo) a fin de admitir de manera explícita
las oscilaciones normales de las variables fisiológicas.
La primera vez que se empleó el término “homeostasia” se hizo para ilustrar el mecanismo de regulación de la concentración de glucosa en sangre. Según
Cannon, la glucemia varía entre 70 y 130 mg/100 ml
(valores provistos por los métodos de la época); por
arriba o por debajo de estos valores “homeostáticos”, se
ponen en marcha diversos mecanismos de regulación.
Es decir, dichos mecanismos homeostáticos sólo inician
la corrección cuando hay una perturbación del sistema,
nunca los preceden. Son, pues, típicamente reactivos5.
Hay que tener en cuenta, sin embargo, que la
mayoría de estos mecanismos homeostáticos correctores
tienen una latencia más o menos prolongada, antes de
percibirse sus efectos. Por ejemplo, si se necesita la síntesis de una proteína nueva, se observará un retardo de
una a dos horas; si hay un efecto hormonal interpuesto,
este tiempo puede ser mucho mayor.
Un aporte significativo del sistema circadiano
es la predicción de la variable ambiental y la preparación
anticipada de la respuesta fisiológica, siempre que la variable tenga el carácter de periódica. En estas circunstancias, el sistema no tiene por qué recurrir a la respuesta
reactiva. Utiliza un nuevo tipo de homeostasia, la “homeostasia predictiva”5,2,1. Veamos algunos ejemplos:
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Supongamos que un pequeño mamífero con actividad y conducta diurnas de búsqueda de comida halla
dichos alimentos a una distancia de dos horas del sitio
donde se refugia durante la noche para escapar de su depredador. Esta situación hace imprescindible para el animal el predecir la caída de la noche con unas dos horas
de adelanto. Podría hacerlo por la posición del sol o por
otras variables ambientales, como la temperatura. Pero,
sin embargo, la existencia de nubes o la gran variación
diaria de la temperatura ambiental hacen que el valor
de tales parámetros de referencia sea poco confiable y,
por lo tanto, relativo. Es entonces de extrema utilidad
para la supervivencia del animal poseer un sistema de
control de tiempo integrado en su propio organismo, que
le permita la predicción temporal, sin tener que depender de la lectura de señales externas. El reloj circadiano
es ideal para cumplir esta función: podríamos tener una
idea suficientemente precisa de la hora del día con sólo
analizar nuestra estructura biológica periódica y sin consultar nuestro reloj de pulsera. Es decir, se ha creado un
“día” y una “noche” dentro del organismo, lo que, como
mencionamos, permite optimizar nuestra adaptación.
En el hombre, esta conducta anticipatoria se
muestra en distintos ritmos diarios. La temperatura corporal y el ritmo de hormonas plasmáticas como el cortisol aumentan unas horas antes del despertar; nuestro
sistema digestivo se pone en marcha tiempo antes de la
hora habitual de las comidas; nuestro sistema cardiovascular se prepara de antemano para un cambio esperable
cada noche, la modificación postural. Lo que la evolución ha seleccionado es un “reloj biológico” preciso y
fiable pero, a la vez, flexible como para ser resincronizado ante una nueva situación experimental.
Por lo tanto, y debido a la influencia de Cannon
y de Moore-Ede, el término homeostasia se utiliza hoy
para definir, no sólo las estrategias que permiten al orga-
Figura 1. Esquema de la fluctuación de los valores normales
de una variable fisiológica a lo largo del día. Una perturbación
introducida en un momento determinado es contrarrestada
homeostáticamente para volver a los valores normales para
esa hora.
nismo una respuesta apropiada ante cambios en el medio
ambiente (homeostasia reactiva), sino también los mecanismos temporales que permiten al organismo predecir
el momento de probable aparición de los estímulos ambientales y así iniciar de antemano las respuestas correctoras adecuadas (homeostasia predictiva).
Una forma de visualizar gráficamente la interrelación entre estos conceptos se muestra en la FIGURA
1. Los valores normales de la variable analizada no son
fijos a lo largo del día, sino que sufren una fluctuación
periódica que es, en cierta forma, predictiva de los cambios ambientales. Si alguna perturbación externa hace
que la variable se escape hacia valores anormales, se
ponen en marcha una serie de mecanismos homeostáticos reactivos que dan como resultado la vuelta a valores
normales para ese momento del día.
Una hipótesis atractiva, por su potencial implicancia terapéutica, es que la mayoría (si no todas) de las
patologías específicas de órganos y sistemas conllevan
una alteración de la homeostasia predictiva (estructura
circadiana) del paciente, que agrava la situación. Por lo
tanto, la terapéutica debe comprender tanto las medidas específicas para el proceso patológico en cuestión
como el restablecimiento de la periodicidad perdida de
las funciones fisiológicas. Hemos revisado este tema en
relación con las enfermedades articulares crónicas y sus
secuelas cronobiológicas6.
A partir de la introducción del concepto de homeostasia, la enfermedad es entendida como la alteración del medio interno y de los procesos regulatorios
que lo mantienen. La descripción que hizo Hans Selye
de la respuesta de adaptación al estrés llevó a comprender que muchos de los procesos que se manifiestan en
un organismo ante un agente nocivo, no son producto de
la agresión, sino de la acción del propio organismo que
responde intentando retornar a su nivel homeostático7,6.
Este hecho ha sido conceptualizado por McEwen con la
introducción del concepto de alostasia8. La alostasia es
el precio que pagamos por la adaptación: la exposición
repetida a hormonas del estrés produce una carga alostática de consecuencias fisiopatológicas.
Debe notarse que aun un estímulo moderado
pero repetitivo es capaz de dejar esta huella llamada
alostasia. En estudios longitudinales sobre poblaciones
de individuos de mediana edad o mayores, se ha visto
que la carga alostática es directamente proporcional a 1)
la presión arterial sistólica; 2) la excreción nocturna de
cortisol y catecolaminas; 3) el cociente cintura/cadera;
4) la hemoglobina glicosilada; 5) el cociente HDL/colesterol total; 6) las alteraciones del sueño. A su vez, la
carga alostática es inversamente proporcional a la concentración plasmática de melatonina o de dehidroepiandrosterona8.
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Los programas de la reacción ante el estrés, y de
toda la gama de respuestas generalizadas autonómicas,
están contenidos en el hipotálamo, centro de complejas
conductas integradoras neuronales y endocrinas. No es
de extrañar, entonces, que una de las funciones del sistema nervioso autónomo sea la sincronización de la infinidad de osciladores diurnos celulares, con la actividad de
un sincronizador central ubicado en el hipotálamo: los
núcleos supraquiasmáticos (NSQ).
La historia del reloj biológico
La existencia de los ritmos biológicos es conocida desde la antigüedad. Los griegos ya sabían que las
hojas de ciertas plantas no guardaban la misma posición
durante las horas del día y de la noche. Sin embargo,
hechos como la floración de las plantas, la reproducción
estacional de los animales, la migración de las aves, la
hibernación de algunos mamíferos y reptiles, fenómenos
todos ellos cotidianos para el hombre, fueron considerados por mucho tiempo como simples consecuencias
de la acción de factores ambientales y astronómicos. De
acuerdo con esta opinión, que prevaleció durante siglos,
el medio ambiente imponía su rutina a los seres vivos.
La primera objeción a esta teoría, aceptada
como de sentido común, aparece en 1729 con las observaciones de Jean-Jacques d’Ortous de Mairan, astrónomo, médico, geólogo, matemático y botánico francés9.
De Mairan observó que los movimientos diarios de las
hojas del heliotropo (Mimosa pudica) persistían aun situando la planta en oscuridad en el interior de un armario. La conclusión de De Mairan fue que existía un “reloj
interior” que regulaba la conducta del heliotropo. Los
resultados de este experimento fueron dados a conocer
en la Real Academia de Ciencias de París9 y despertaron
escepticismo, lo que no es de extrañar dado que las ideas
de De Mairan chocaban con el paradigma aceptado en
aquella época, según el cual, los cambios periódicos del
medio ambiente eran los únicos agentes causales de los
ritmos biológicos.
Aumentando la controversia, 30 años más tarde,
otros dos botánicos, Du Monceau y Zinn, demostraron
que los movimientos espontáneos de las hojas de las
plantas, no sólo eran independientes de los ciclos luzoscuridad, sino también de los ciclos de temperatura
ambiental. En 1832, el botánico genovés De Candolle
modificó el método de registro de los movimientos de
las hojas y repitió los experimentos de De Mairan. De
Candolle descubrió que el ritmo de movimientos del heliotropo no poseía un período exacto de 24 horas, sino
de 22-23 horas. De Candolle realizó también el primer
experimento de inversión de un ritmo biológico: colocó a las plantas en oscuridad durante el día y las iluminó
8
durante la noche. Observó que tras un período de transición de unos pocos días, los heliotropos adaptaban el
movimiento de las hojas a la nueva situación, abriéndolas
durante la noche (ahora iluminada por lámparas) y cerrándolas durante el día (al ser mantenidos en oscuridad)2, 1.
Estas observaciones de botánicos sólo fueron
extendidas a los animales y al hombre un siglo más tarde. La fuerte influencia de las ideas del fisiólogo francés
Claude Bernard, con su famoso enunciado de la constancia del medio interno, formulado hacia mediados del
siglo XIX, pudo ser la razón por la cual los postulados
de la ritmicidad en los vegetales tardaron en ser aplicados a los animales. La idea de constancia, planteada por
Bernard, se contradecía con la de cambio rítmico. Sólo a
finales del siglo XIX aparecieron algunas descripciones
sobre los ritmos diarios de temperatura en trabajadores
a turnos o en soldados durante guardias nocturnas, así
como algunos experimentos en primates10. En el siglo
XX, y hacia la década de los 30, se funda la primera
sociedad científica dedicada al estudio de los ritmos biológicos (Society for Biological Rhythms). En 1960, en
Cold Spring Harbor (EE. UU.), tiene lugar un simposio
sobre ritmos biológicos considerado hoy como el nacimiento formal de la Cronobiología como una disciplina
independiente.
Ritmometría: características de los ritmos circadianos
Con carácter general, se denomina ritmo a una
secuencia de eventos que se repite de manera regular a
lo largo del tiempo, es decir, con el mismo orden y con
los mismos intervalos. Aplicamos el término ritmo biológico a toda oscilación, regular en el tiempo, de una
variable biológica, cualquiera que sea el nivel de organización considerado. Un ritmo está caracterizado por los
siguientes parámetros (FIGURA 2):
Período: definido como el intervalo de tiempo
entre dos acontecimientos idénticos, es decir, la duración de un ciclo completo.
Nivel medio (o mesor): valor medio de la variable
estudiada, calculado a lo largo de un período completo.
Amplitud: diferencia entre el mesor y el valor
máximo alcanzado por la variable durante el período.
Fase: describe la relación entre dos o más ritmos. Este término se utiliza también, en ocasiones, para
definir una parte del ciclo; así, por ejemplo, se habla de
fase ascendente o descendente o máxima, etc., de un fenómeno rítmico.
Algunas veces, en lugar del término período, se
utiliza el de frecuencia, definido como el número de ciclos que ocurren por unidad de tiempo. Por lo general,
la frecuencia se utiliza para caracterizar ritmos más bien
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rápidos (como los del electroencefalograma o del electrocardiograma). La unidad de frecuencia más habitual
es el hertzio (Hz), equivalente a un ciclo por segundo.
La fase describe en qué momento del curso
temporal está situado el ritmo biológico en estudio. En
general, la fase está referida a otra función periódica que
puede ser externa (hora del día, etc.) o bien interna (otro
ritmo biológico). Como ejemplo del primer caso, hablamos de a qué hora ocurre el pico diario de temperatura, o en qué estación del año se aparea una determinada
especie. Cuando decimos, por ejemplo, que el ritmo de
cortisol es casi inverso al de melatonina, estamos indicando la relación de fase entre dos ritmos biológicos.
Para caracterizar la fase, lo más usual es determinar el
momento (hora del día) en el que la variable estudiada
alcanza su valor máximo a lo largo del ciclo periódico; a
este tiempo se lo denomina “acrofase”.
El análisis matemático de los ritmos puede hacerse mediante numerosas técnicas. Un procedimiento
muy divulgado es el del cosinor, que consiste en determinar por el método de los cuadrados mínimos la función cosenoidal que mejor describe el ritmo. Este método
llamado “microscópico” posibilita la determinación, con
su intervalo de confianza, de los principales parámetros
del ritmo: período, amplitud, nivel medio y acrofase2,1.
La aplicación del cosinor sólo es correcta cuando se trata de un ritmo de forma sinusoidal y cuando los errores
de las medidas experimentales se distribuyen en forma
gaussiana. Lamentablemente, esto no ocurre frecuentemente en la situación real. Esta es la razón por la que
se ha hecho común la aplicación de técnicas de análisis
espectral de frecuencias (series de Fourier). Uno de los
principales inconvenientes del análisis espectral es que,
para ser efectivo, se requiere un gran número de observaciones, con independencia del tiempo en que se haya
completado la recolección de muestras.
Los ciclos biológicos que más atención han
Figura 2. Parámetros que definen un ritmo circadiano. La duración del ciclo completo (período) es de aproximadamente
24 h. La amplitud, una medida del grado de variación dentro
de un ciclo, es la diferencia entre el valor máximo y e1 valor
medio, o mesor.
recibido, debido a su creciente importancia biomédica,
son aquellos cuyo período fluctúa alrededor de 24 horas
(llamados “circadianos”). Se definen como circadianos
los ritmos que, en condiciones constantes, presentan un
período de 20-22 horas como límite inferior y de 26-28
horas como límite superior. Los ritmos de periodicidades más rápidas son llamados ultradianos, mientras que
los de menor frecuencia se denominan infradianos.
Actualmente, no se discute ya que la ritmicidad
es una propiedad inherente a la materia viva. Esta ritmicidad es transmitida genéticamente: se ha demostrado
que en generaciones sucesivas de animales, mantenidos
en oscuridad permanente durante toda su vida, se detecta
la presencia del ritmo circadiano de actividad motora,
aunque no hayan sido expuestos nunca al efecto sincronizador de la luz11,12.
Las plantas seleccionadas con distintos períodos endógenos dan origen a generaciones de plantas
de períodos cortos, largos o intermedios, siguiendo las
leyes de la genética clásica. Estos resultados avalan el
determinismo genético del período circadiano.
La característica más destacable de los ritmos
estudiados en condiciones de curso libre (free-running)
es que presentan una periodicidad algo diferente de la
del período astronómico de referencia. Al hablar de “ritmos circadianos” o “circanuales” se asume que tales ritmos fueron estudiados en condiciones constantes y se
demuestra su oscilación en free-running con valores de τ
de 24 horas o de 365 1/4 días. Se llama τ (tau) al período
del ritmo estudiado en estas condiciones de ausencia de
estímulos externos2,1.
En otras palabras, decir que un ritmo es circadiano o circanual implica asumir que se trata de un ritmo
endógeno. Las variaciones de τ revelan su variabilidad
genética. Varía entre especies, y entre individuos de una
especie, pero es siempre constante para los distintos ritmos del mismo individuo.
Otra propiedad importante de los ritmos circadianos es su relativa estabilidad ante cambios térmicos
(homeostasia térmica). Esta propiedad fue descubierta
al demostrarse que el período de los ritmos circadianos
en vegetales era estable cualquiera fuera la temperatura
ambiental a la que eran expuestas las plantas2,1. Es sabido que la velocidad de las reacciones químicas obedece
a la ley de Vant’hoff-Arrhenius (ley del Q10) que dice que
la velocidad aumenta o disminuye 2,5 a 3 veces cada 10
°C de aumento o disminución de la temperatura. Entre
numerosos parámetros fisiológicos, sólo el período de
los ritmos endógenos no sigue esta ley, y su Q10 es de
0,8 a 1,2. En realidad, si fuera sensible a la temperatura,
sería poco fiable como sistema endógeno de medición
del tiempo.
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Estos estudios no significan que la temperatura
ambiental no sea una señal de importancia para el sistema circadiano. Tampoco un Q10 estable significa que
la señal ambiental temperatura no tenga un efecto sobre
τ. En la lagartija, por ejemplo, el Q10 para la secreción
de melatonina pineal es de 1,12, pero el τ del ritmo de
secreción tiene valores de 28 h a 25 °C y de 23 h a 37 °C.
La temperatura afecta τ por una doble vía: directamente,
comportándose como un sincronizador, o indirectamente, a través de los cambios endocrinos, autonómicos y
conductuales que acompañan la respuesta térmica.
La última propiedad de los ritmos circadianos
es su plasticidad ante los sincronizadores externos (o
zeitgebers, del alemán ‘dador de tiempo’). Tau (τ), el
período en ausencia de sincronizador, se transforma en
T (período del oscilador) por la acción del zeitgeber. En
otras palabras, un ritmo circadiano de período τ que difiera de 24 horas, es constantemente sincronizado a un
T de 24 horas por la influencia del o de los zeitgebers
ambientales (la luz como factor preponderante).
El sincronizador ambiental más poderoso, tanto
para los animales como para las plantas, es el ciclo de
luz-oscuridad, al que se agregan, en los mamíferos superiores, factores sociales. Los zeitgebers secundarios,
como el ejercicio físico, la disponibilidad de alimentos
o la temperatura, afectan significativamente los ritmos
circadianos en muchas circunstancias.
Los efectos de la luz. La sincronización y sus
mecanismos
Ya hemos mencionado que fue Alphonse De
Candolle en el siglo XIX el primero en demostrar la
influencia del factor lumínico sobre los ritmos biológicos. Observó que un cambio de 180° en la alternancia
luz-oscuridad invertía en 180° el ritmo de apertura de
las hojas de la Mimosa pudica. Como podemos ver en
la FIGURA 3, obtenida de experimentos realizados con
el hámster dorado en nuestro laboratorio, una sola hora
de luz es suficiente para sincronizar la actividad motora en este roedor (ciclo de luz-oscuridad, L:O, 1:23, T=
24). La actividad comienza cada día a la misma hora,
coincidiendo con el inicio de la fase de oscuridad. Es
interesante destacar que, como veremos más adelante, el
pulso de luz aplicado como agente sincronizador, no es
efectivo en cualquier momento del ciclo diario, sino que
existen momentos definidos de sensibilidad.
Un efecto importante del zeitgeber tiene que ver
con su intensidad. Con relación a la luz, Aschoff enunció
una serie de principios o leyes que llevan su nombre13.
Las “Leyes de Aschoff” establecen que:
El aumento de la intensidad luminosa prolonga
el tiempo de actividad y acorta el tiempo de reposo en
las especies diurnas, mientras que disminuye el tiempo
10
de actividad y aumenta el tiempo de reposo en las especies nocturnas.
Al aumentar la intensidad luminosa, aumenta la
actividad de las especies diurnas y disminuye la de las
nocturnas.
El τ tiende a ser mayor de 24 h en las especies
diurnas, y menor de 24 h en las nocturnas. Esta regla
tiene numerosas excepciones; p. ej., la rata, un animal
nocturno, tiene un τ mayor de 24 h.
Hasta aquí nos hemos ocupado del zeitgeber
fundamental, la luz. El estudio de otros sincronizadores secundarios, como los factores sociales, la temperatura, la disponibilidad de nutrientes, etc., ha ofrecido,
en general, resultados semejantes a los de la luz, con la
diferencia de que los sincronizadores secundarios habitualmente se manifiestan se manifiestan sólo coadyuvantemente al zeitgeber principal (la luz) y excepcionalmente en situaciones de amortiguamiento o desaparición
de este zeitgeber principal.
Si tomamos en consideración las reglas de Aschoff, la relación de fase entre un zeitgeber y un ritmo
circadiano no depende solamente de los períodos T y τ
respectivos, sino también de la intensidad del zeitgeber.
Esta “intensidad de acoplamiento” varía con el tiempo
de aplicación, con la edad, etc. En nuestro laboratorio,
hemos desarrollado tiempo atrás un modelo matemático
de doble oscilador circadiano que ha permitido, por medio de análisis dinámico, examinar los cambios producidos en el oscilador por las modificaciones de intensidad
del zeitgeber.
Figura 3. Ritmo de temperatura corporal en el hámster mantenido bajo un fotoperíodo L:O 1:23 (A), L:O 0:24 (B), y nuevamente L:O 1:23 (C). Nótese que una sólo hora de luz es capaz
de sincronizar el ritmo circadiano.
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Queda pues establecido que la sincronización
de un ritmo por el zeitgeber consiste primariamente en
la modificación del período del ritmo (τ), lo que implica
efectuar una corrección igual a la diferencia entre los
dos períodos. Sin embargo, esta sincronización no puede
efectuarse en cualquier momento, ya que existen fases
de sensibilidad y refractariedad a la luz. A continuación
analizaremos las bases de estos distintos estados de fotosensibilidad.
El fenómeno de la diferente respuesta a un zeitgeber en función del momento del ciclo circadiano en
que se aplica fue observado por primera vez por Pittendrigh en algas unicelulares14. Posteriormente, estas observaciones fueron extendidas a todos los seres vivos,
invertebrados o vertebrados.
Un agente sincronizador puede “resetear” o
modificar la fase del reloj corporal. La variabilidad de
la respuesta, que, sin embargo, es siempre predecible, se
ilustra en la “curva de respuesta de fase”: dependiendo
de cuándo se aplica el estímulo resincronizador, los ritmos circadianos son adelantados, atrasados o no se modifican (FIGURA 4). Es decir, como elemento central
del efecto del agente sincronizador sobre la fase de los
ritmos existe una variación rítmica en la respuesta del
organismo ante él.
En los seres humanos, la exposición a la luz
durante la primera parte de la noche retrasa la fase del
ciclo, mientras que ese mismo estímulo, aplicado durante la segunda fase de la noche, la adelanta (FIGURA
4). En otros momentos del día, la exposición a la luz
no ejerce efectos apreciables de adelanto o retraso de la
Figura 4. Curva de respuesta de fase ante la luz y la melatonina en el hombre. Los cambios en la temperatura corporal
marcan la actividad del reloj. La temperatura corporal central
alcanza su nadir a las 04:00-05:00 h.
fase del ritmo circadiano. La melatonina, señal química circulante de la noche producida cada día de nuestra
vida por la glándula pineal (una verdadera “hormona de
la oscuridad”), presenta una curva de respuesta de fase
opuesta a la de la luz, con adelantos de fase cuando se la
administra en la primera parte de la noche y retrasos en
la segunda (FIGURA 4).
El estudio de las curvas de respuesta de fase en
distintas especies ha conducido a la formulación de las
siguientes leyes generales:
Las curvas de respuesta de fase son universales,
están presentes en todos los organismos vivos.
Son idénticas en un animal nocturno o diurno.
Las curvas de respuesta de fase difieren de un
individuo a otro, o de una especie a otra, en cuanto a la
magnitud de los avances o retardos de fase observados.
Las curvas de respuesta de fase no son simétricas, es decir, en ciertas especies los avances de fase
pueden predominar sobre los retardos, o viceversa.
Las curvas de respuesta de fase para la luz dependen de la intensidad del estímulo luminoso aplicado:
en un mismo individuo, un estímulo fuerte produce mayores adelantos o retrasos de fase que uno débil (1ª ley
de Aschoff).
Algunos de los efectos del zeitgeber sobre las
curvas de respuesta de fase son inmediatos (los retardos
de fase), mientras que otros sólo se ponen de manifiesto
al cabo de unos días (los adelantos de fase).
En todos los casos, las curvas de respuesta de
fase indican que durante gran parte del ciclo diario, el
estímulo luminoso es ineficaz para modificar el período
circadiano. Es también destacable que los períodos de
eficacia luminosa están en las transiciones luz-oscuridad
u oscuridad-luz. Este hecho llevó a Pittendrigh a pensar
que podía reproducir el efecto de una exposición diurna a
la luz mediante dos exposiciones cortas, en las transiciones que limitan el período de luz. A este tipo de fotoperíodos se los denomina “fotoperíodos esqueleto”14. Así,
un ciclo de L:O 8:16 (T= 24) puede ser reemplazado
por un fotoperíodo “esqueleto” de: 0,5 h de luz; 7,5 h de
oscuridad; 0,5 h de luz; 15,5 h de oscuridad. En distintas especies, los fotoperíodos “esqueleto” tienen efectos
semejantes a los del fotoperíodo normal, siempre que
las dos fases de oscuridad difieran suficientemente. Es
como si el organismo leyera las instrucciones del zeitgeber sólo en el alba y el crepúsculo.
La importancia del alba y el crepúsculo puede
apreciarse simplemente observando la actividad de aves
e insectos en un día de campo en dichos momentos de
transición. En general, vegetales y animales miden la
longitud de la noche como el tiempo transcurrido entre
11
Revista SAEGRE - Volumen XVI - Nº 3 - noviembre de 2009
el crepúsculo y el alba.
En conclusión, las curvas de respuesta de fase
describen fielmente el mecanismo circadiano. Desde
un punto de vista formal, su elaboración es un requisito
fundamental para aceptar el efecto de cualquier agente,
físico, químico o ambiental sobre el período de un ritmo
circadiano.
De la curva de respuesta de fase a la luz en el
hombre (FIGURA 4) puede deducirse qué señal sincroniza diariamente nuestro reloj haciéndolo pasar de τ ~
25 h a una T de 24 h. La exposición a la luz natural
de cada mañana “adelanta nuestro reloj” una hora en
promedio. Este hecho es de gran importancia porque no
siempre las poblaciones humanas están expuestas en la
vida contemporánea a esta situación. En los seres humanos, otros factores como el ejercicio físico o la dieta y
factores sociales también juegan un papel que puede o
no sumarse al de la luz natural.
La totalidad de las respuestas fisiológicas presentan ritmos de 24 horas; la diferencia entre estos ritmos es cuándo ocurre su máximo. Tal secuencia y espaciamiento de los valores máximos de los ritmos diarios
revela las ordenadas relaciones causa-efecto en los procesos corporales de toda índole, desde los genómicos a
los conductuales, y su normalidad constituye lo que podríamos definir como la quintaesencia de la salud.
Estos mapas de fase pueden experimentar transitorias disrupciones cuando el organismo es obligado a
hacer un rápido ajuste a un nuevo horario, como el que
acaece luego de un vuelo transmeridiano o por el cambio
de turno de trabajo. En tales circunstancias, las diferentes
funciones rítmicas no se adaptan con la misma velocidad
y se modifican las relaciones temporales entre ellas. La
resincronización requiere unos días (en promedio 1 día
por cada hora de desfase), y durante este período existen
alteraciones (por ejemplo, el jet-lag).
El oscilador circadiano
En la década de los 60 se hizo evidente que los
ritmos analizados no eran en sí el oscilador, sino la exteriorización de los efectos del oscilador. En la analogía
del reloj, el movimiento de la agujas no es el mecanismo del reloj, sino su manifestación. Así distinguimos los
ritmos efectores (overt rhythms) de aquél del oscilador
endógeno.
Las curvas de respuesta de fase han permitido
diferenciar entre el ritmo del oscilador maestro y los
ritmos efectores. En experimentos en algas, se demostró que en el caso de ritmos efectores (división celular,
fotosíntesis, luminiscencia, aclaramiento), su inhibición
individual no afecta la de los otros simultáneamente determinados, mientras que si se trata de la lesión del osci12
lador primario, todos los ritmos desaparecen14.
Reinberg introdujo el concepto de estructura
temporal o mapas de fases para definir el conjunto de
ritmos biológicos observados en un mismo individuo,
originados por un oscilador único15. Lo característico en
estos casos es la existencia de curvas de respuesta de
fase idénticas, con acrofases distintas. Es decir, el mismo mecanismo puede gobernar varios ritmos de un mismo organismo, con acrofases muy diferentes.
En un organismo unicelular es posible ya observar una verdadera organización circadiana con ritmos
de distintas acrofases, dependiente de un oscilador único. En el caso de los organismos pluricelulares, existen
al menos dos posibilidades teóricas: a) que las distintas
células sean elementos pasivos de un sistema de señales
rítmicas emitidas por un oscilador central; b) que cada
una de las células posea una organización circadiana autónoma, sincronizada por un oscilador central.
Distintos estudios llevados a cabo durante los
últimos 20 años han indicado que prácticamente todos
los tipos celulares de un organismo pluricelular expresan
ritmicidad circadiana11,16. En los organismos pluricelulares, el conjunto de células que muestran oscilación circadiana en órganos y tejidos son sincronizadas por un nivel jerárquicamente superior, el oscilador u osciladores
primarios, sobre los cuales el zeitgeber tiene un efecto
más o menos directo.
Un tema interesante es la existencia de más de
un oscilador primario en los vertebrados, lo que implica
la necesidad de su jerarquización. Una evidencia de la
jerarquía de osciladores es que en muchas oportunidades
se produce desincronización entre distintos ritmos en el
mismo individuo. Esta desincronización puede producirse por causas externas (ejemplos: vuelos transmeridianos
o el trabajo en turnos rotatorios), o internas, como ocurre
en individuos sometidos por largos períodos de tiempo a
una situación curso libre (free-running)17.
En el examen de los mecanismos moleculares de
la ritmicidad circadiana, se han seguido básicamente dos
tipos de estrategias: (a) Utilización de drogas de acción
conocida sobre determinadas etapas del metabolismo
celular y evaluación de sus consecuencias cronobiológicas. (b) Empleo de técnicas de la genética clásica, y más
recientemente de la biología molecular, para el estudio
de distintos genes que codifican el reloj circadiano.
En el primer caso (la estrategia farmacológica),
el problema mayor ha sido cómo diferenciar los posibles
efectos directos de las drogas sobre el oscilador, de los
efectos ejercidos sobre los ritmos efectores. Han sido
muchas las drogas utilizadas en el estudio del oscilador
circadiano. Entre ellas, los resultados obtenidos con los
inhibidores de la respiración celular fueron concluyentes
Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología - Dr. Daniel P. Cardinali
e indican que el funcionamiento del sistema circadiano
depende del aporte de energía2,1.
En animales de experimentación, tanto la inyección como la ingesta de óxido de deuterio (agua pesada)
o de sales de litio tienen la curiosa propiedad de alargar el período endógeno del ritmo circadiano (τ). Las
acciones de los inhibidores de la síntesis de proteínas
o de ARN sobre el sistema circadiano se han estudiado
principalmente en organismos unicelulares.
En el alga Acetabularia, en la que el núcleo
puede disecarse con facilidad, el ritmo circadiano de
fotosíntesis persiste durante semanas en ausencia de núcleo. Si se fabrica una Acetabularia quimérica, mediante
el trasplante del núcleo de un ejemplar a otro congéner
enucleado, el microorganismo adopta el ritmo del núcleo
trasplantado. La aplicación de actinomicina D (inhibidor
de la ARN polimerasa) suprime el ritmo circadiano en
la Acetabularia intacta, pero no en la enucleada. Estos
datos indican que los ARN sintetizados y que codifican
el ritmo persisten en el citoplasma por largo tiempo. La
continuidad de la transcripción (síntesis de ARNm) parece no ser necesaria para el funcionamiento del oscilador endógeno11.
Por el contrario, el fenómeno de traducción es
imprescindible para que existan los ritmos circadianos.
Esta conclusión se basa en experimentos en los que se
emplearon bloqueantes farmacológicos de la traducción
génica (antibióticos como la puromicina, la cicloheximida o el cloranfenicol). Dichas drogas bloquean la traducción génica a nivel de los ribosomas 80S (involucrados
en la síntesis de proteínas citoplasmáticas; es el caso de
la puromicina o de la cicloheximida) o 70S (que participan en la síntesis de proteínas con destino mitocondrial
y cloroplástico; corresponde al caso del cloranfenicol).
En las algas, los ritmos circadianos de fotosíntesis y de
luminiscencia son inhibidos por la puromicina y por la
cicloheximida, pero no por el cloranfenicol. Es decir,
las proteínas implicadas en la expresión de los ritmos
circadianos son de tipo citoplasmático. En roedores, la
administración de puromicina o cicloheximida produce
desfases de los ritmos circadianos, lo que genera las típicas curvas de respuesta de fase. Por el contrario, el
cloranfenicol no afecta al reloj circadiano.
Desde hace unos 20 años se han estudiado, en
organismos más complejos, como los de los mamíferos,
aspectos de la expresión génica temprana en relación con
la actividad del reloj circadiano. El primer gen estudiado
en los NSQ del hipotálamo fue un gen de expresión temprana, el oncogén c-fos, que presenta ritmo circadiano y
una curva de respuesta de fase que coincide con la curva
de respuesta de fase a la luz. A partir de estos resultados
se ha postulado que el producto de c-fos es parte de la
cadena de eventos que traduce el efecto del zeitgeber luminoso en respuesta circadiana. Posteriormente, se han
extendido los estudios de c-fos a numerosos genes de
expresión temprana en NSQ de mamíferos18-22.
Además de los efectos genómicos, distintos
fenómenos de membrana participan en la génesis de
los ritmos circadianos. Este hecho es especialmente relevante en el análisis de los ritmos ultradianos de actividad eléctrica en neuronas, cuya frecuencia puede ser
tan elevada como de 0,5 Khz. La producción rítmica de
potenciales de acción con distintos períodos es el resultado de procesos de membrana en los que intervienen
canales iónicos, la permeabilidad selectiva a diferentes
iones, la activación de segundos mensajeros y la cascada
enzimática desencadenada por la interacción de neurotransmisores con sus receptores correspondientes. Participan además las conexiones intercelulares, químicas o
eléctricas, necesarias para el acoplamiento de las células
del oscilador neuronal entre sí, y del reloj con los ritmos
efectores.
El modelo propuesto es el de una proteína “oscilatoria” que se fijaría periódicamente a la membrana para
desencadenar cambios cíclicos en la permeabilidad iónica del oscilador circadiano. Veremos más adelante que
este modelo se aproxima al deducido a partir de los resultados obtenidos por técnicas de biología molecular11.
Los estudios genéticos han sido de gran utilidad para obtener información sobre la naturaleza del
oscilador. Los estudios genéticos se han realizado principalmente en la mosca Drosophila melanogaster y en
el hongo Neurospora crassa, y más recientemente en
mamíferos. El objetivo perseguido en todos los casos ha
sido el aislamiento y la caracterización de mutantes de
períodos circadianos mayores o menores que el normal
para la especie12.
En la Drosophila se han aislado cepas mutantes
con período alterado para ritmos circadianos como el de
eclosión y el de actividad motora. En ciertos casos, las
mutaciones fueron arrítmicas; en otros, los τ eran mucho
menores o mayores de 24 h. La denominación que se
dio a los genes que producían la mutación en Drosophila
con períodos menores o mayores de 24 horas fue per
S (de short period) o per L (de long period), respectivamente. En concordancia con las leyes de la genética
clásica, estas mutaciones fueron dominantes, semidominantes o recesivas. Es interesante indicar que en estos
mutantes, los ritmos ultradianos rápidos, como los del
cortejo sexual, también están alterados.
El gen per responsable de estas mutaciones en
la Drosophila melanogaster fue ubicado en el cromosoma
X. El trasplante del cerebro de una mosca per S al espécimen normal produce el acortamiento esperado del ritmo
13
Revista SAEGRE - Volumen XVI - Nº 3 - noviembre de 2009
circadiano. En ciertos casos de mosaicos genéticos se observaron dos máximos de actividad locomotora, como si
partes del cerebro se alternaran para regir el ritmo12.
Mediante técnicas de biología molecular, fue
posible clonar y secuenciar el gen per. Este gen consiste
en un fragmento de ADN de 7,7 Kb. Ha podido transfectarse ARN mensajero proveniente de una mosca per L a
una mosca per estableciéndose la periodicidad correspondiente a per L.
En el hongo Neurospora crassa, el ritmo efector estudiado fue el de crecimiento de las conidias. En
estos hongos, como en la Drosophila, se aislaron mutantes con ritmos de períodos más cortos y más largos
de 24 h. Las mutaciones fueron denominadas frq (por
frequency), y también en este caso fueron dominantes,
semidominantes o recesivas. Las mutaciones en el gen
per de la Drosophila o en el gen frq de la Neurospora
comprenden una serie alélica semidominante, que induce tanto la codificación de fotoperíodos cortos como
largos y arritmicidad.
El gen frq, al ser donado, ha mostrado similitud
con per y, en ciertos casos, secuencias idénticas. Este
hecho significa que, por lo menos una parte del gen, ha
permanecido inalterada desde hace más de 1 millón de
años, el tiempo que se estima ha transcurrido desde que
animales, plantas y hongos se separaron12.
Los mecanismos regulatorios que vinculan a estos genes con la expresión de los fenómenos circadianos
han sido estudiados en detalle. La elucidación de la estructura de per hizo posible la síntesis de la proteína correspondiente a la secuencia de nucleótidos. La proteína
per es un proteoglicano de 1127 aminoácidos. La preparación de anticuerpos fluorescentes antiproteína per posibilitó el estudio de su distribución intracelular. El producto
del gen per es una proteína citoplasmática y de membrana
ampliamente distribuida en órganos y tejidos de la Drosophila. En otros estudios se verificó que la proteína per
está vinculada a la regulación de las uniones estrechas intercelulares (gap-junctions), el mecanismo más primitivo
y generalizado de comunicación intercelular11,12.
Los estudios del gen per indican que presenta
2 sitios de interacción de la proteína per. Es posible que
la proteína per ejerza un efecto de retroalimentación negativa sobre su propia síntesis. Esta capacidad de la proteína per de inhibir su propia síntesis a nivel del genoma
genera las bases para un mecanismo oscilatorio de síntesis, avalado fehacientemente por la biología molecular.
La proteína per y otras proteínas inmunológicamente relacionadas son detectables en vertebrados.
Está hoy establecido que los mecanismos del
reloj son genómicos y en los últimos años ha habido un
tremendo progreso en la elucidación de las bases mole14
culares del reloj circadiano. Existen ritmos circadianos
en la expresión de genes en todo el reino animal y vegetal y a cada nivel de organización. Se han identificado
genes que controlan ritmos circadianos (genes per, tim,
frq, clock) y están en estudio los productos de estos genes. Los genes del reloj son una propiedad universal de
los seres vivos, tan universal como el ciclo celular. Como
existe una homología notoria entre los genes involucrados desde la Drosophila hasta los seres humanos, puede
decirse que estos genes hablan un “idioma común”, tan
común como el del código genético.
El esquema aceptado actualmente es el siguiente
(FIGURA 5)11, 12,19,21-26. Dos tipos de proteínas regulatorias de la transcripción del tipo PAS inician el ciclo. Estas son (1) factores PAS1 (mBMAL1 en ratón, CLOCK
en Drosophila, WC-1 en Neurospora) y tienen actividad
periódica y transitoria, desencadenada en el ciclo precedente; (2) factores PAS2 (mCLOCK en ratón, CYCLE
en Drosophila, WC-2 en Neurospora) de actividad constitutiva. Existe dimerización transitoria con formación
de heterodímeros (p. ej., mCLOCK-mBMAL1) la que
desencadena la expresión de los genes centrales del reloj. Como resultado, se codifican proteínas funcionales
(p. ej., mCRY/mPER en ratón, PER/TIM en Drosophila,
FRQ en Neurospora), que tienen 3 funciones (a) entran
al núcleo e inhiben su expresión génica (feedback negativo); (b) estimulan la síntesis de PAS1 (feedforward
positivo); (c) aumentan los genes “río abajo” regulados
por el reloj (p. ej., síntesis de AVP) (FIGURA 5).
El reloj central
En los organismos pluricelulares, la expresión
genómica circadiana individual de cada célula requiere ser sincronizada por una estructura jerárquicamente
superior a fin de dar origen a los distintos ritmos circadianos. En los mamíferos, existe evidencia de que una
región del hipotálamo anterior, los NSQ, constituye el
marcapasos central para los ritmos circadianos (FIGURA 6)16. Estos núcleos, que contienen unos pocos miles
de neuronas en el hombre, tienen la propiedad de generar ritmos de 24 horas aun aislados del resto del cerebro.
La integridad de estos núcleos es necesaria para la generación y el mantenimiento de los ritmos de 24 horas, así
como para su sincronización por los ciclos de luz-oscuridad. Es decir, si bien las conductas complejas, como el
sueño, la vigilia o la alimentación involucran una gran
cantidad de áreas cerebrales funcionando en red, en el
caso de los ritmos circadianos, la región cerebral participante es única y de volumen insignificante16.
La luz ambiental de intensidad adecuada (por
ejemplo, la luz natural del amanecer) activa células en
la retina, las que a su vez producen, a través de proyec-
Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología - Dr. Daniel P. Cardinali
ciones neurales específicas (haz retino-hipotalámico),
la activación genómica de las neuronas de los NSQ. La
información generada en estos núcleos es transmitida a
áreas específicas del hipotálamo basal, que controlan los
dos grandes canales de comunicación corporal: los sistemas endocrino y nervioso autónomo (FIGURA 7).
Remedando a las oligarquías humanas, puede
decirse que las “oligarquías neuronales” de los NSQ
controlan las oscilaciones genómicas de trillones de células del organismo, monopolizando tanto la información relevante originada en el zeitgeber ambiental (la
recibida a través del haz retino-hipotalámico) como los
medios de comunicación (los sistemas endocrino y nervioso autónomo). El oscilador maestro es también sincronizado, aunque secundariamente, por estímulos no
fóticos, como la actividad física.
Como hemos visto, después de la primera demostración experimental sobre la presencia de un ritmo
endógeno en las plantas9, transcurrieron casi 200 años
antes de que un ritmo endógeno similar se demostrara
en los primates (temperatura corporal en monos)10. La
identificación de que los animales pueden mantener un
ciclo de actividad de aproximadamente 24 horas en condiciones ambientales constantes llevó a la búsqueda del
marcapasos maestro.
Figura 5. Hipótesis actual sobre el funcionamiento de los genes del reloj. Dos tipos de proteínas regulatorias de la transcripción PAS inician el ciclo. Los factores PAS1 tienen actividad
periódica y transitoria, desencadenada en el ciclo precedente
(p. ej., mCLOCK); los factores PAS2 son de actividad constitutiva (p. ej., mBMAL1). Existe dimerización transitoria con
formación de heterodímeros, lo que desencadena la expresión
de los genes del reloj (mCRY, mPER). Como resultado, se codifican proteínas funcionales cuyas funciones son entrar al núcleo e inhibir su expresión génica (retroalimentación negativa),
estimular la síntesis de factores de transcripción PAS1 (retroalimentación positiva) y estimular genes “río abajo” regulados
por el reloj (p. ej., AVP, DBP: diazepam binding protein, CCG:
genes controlados por el reloj).
Figura 6. El ritmo de melatonina es señal de sincronización
para los ritmos circadianos. RHT: haz retino-hipotalámico,
que proyecta en forma directa sobre los núcleos supraquiasmáticos (NSQ). Se muestra la vía por la que la luz inhibe la
síntesis de melatonina pineal, que incluye los núcleos paraventriculares (PVT), la columna intermediolateral medular (IL) y
los ganglios cervicales superiores (GCS). Estudios efectuados
hace una década mediante técnicas de HPLC27 o RIA28, que
indicaban que los niveles cerebrales de melatonina son unas
50 veces mayores que en plasma, han sido confirmados por
microdiálisis29.
Figura 7. Transmisión de la información circadiana desde el
oscilador a los sistemas hipotalámicos que controlan los ritmos circadianos, incluyendo el ritmo sueño-vigilia. Los pasos
clave señalados incluyen una transmisión multisináptica desde el NSQ hacia los sistemas de control hipotalámicos a través
de núcleos adyacentes del hipotálamo anterior, la transmisión
multisináptica hacia la glándula pineal que controla la secreción de melatonina, vías directas del SCN a regiones promotoras del sueño y del despertar, y la integración de homeostasia
reactiva y predictiva en relación con el ritmo sueño-vigilia en el
área preóptica medial.
15
Revista SAEGRE - Volumen XVI - Nº 3 - noviembre de 2009
Como pudo verificarse que varios tejidos endocrinos aislados (p. ej., la glándula suprarrenal) mantenían
una periodicidad de 24 h, se propuso que estos órganos
eran responsables de sincronizar los ritmos de otros tejidos. Sin embargo, la remoción de dichos órganos, o
lesiones amplias del SNC, no eliminaron los ritmos de
24 h en funciones conductuales o celulares. Sólo la destrucción de un pequeño conjunto de neuronas ubicadas
en el hipotálamo anterior, los NSQ, produjo la desaparición completa de todos los ritmos circadianos30-33. Las
evidencias fundamentales que indican la naturaleza de
reloj de los NSQ son:
Sus neuronas poseen una actividad eléctrica endógena rítmica, que se manifiesta en aislamiento, con
actividad alta durante el día y baja por la noche.
Estos cambios eléctricos se acompañan con
actividad metabólica alta y captación de glucosa mayor
durante el día subjetivo y se sincronizan por el estímulo
luminoso.
Los trasplantes de NSQ intactos a animales con
NSQ destruidos restablecen los ritmos perdidos.
Durante la última década, se han realizado significativos progresos en la identificación de los componentes moleculares del reloj. Los mecanismos moleculares que subyacen a la función del reloj consisten en
ciclos de retroalimentación genes-proteínas-genes, con
regulación transcripcional de expresión de proteínas que
retroalimentan su propia transcripción y estimulan la
transcripción de otras proteínas del reloj (FIGURA 5).
No se conoce todavía cómo estos ciclos se transforman
en el ciclo metabólico o eléctrico de actividad-inactividad de las neuronas.
Los efectores del reloj
El trasplante de NSQ restaura la actividad locomotora normal en animales con NSQ lesionados, pero
este efecto se ve aun antes de que se restablezcan las comunicaciones sinápticas. Así se propuso un mecanismo
humoral que podría ser suficiente para restaurar la ritmi-
cidad perdida sin necesidad de los contactos sinápticos.
Sin embargo, esta restauración de ritmos es parcial (p.
ej., los ritmos de melatonina o cortisol no se recuperan)
por lo que la formación de conexiones precisas entre los
injertos de NSQ y las neuronas efectoras es necesaria
para la transmisión plena de la señal del reloj16.
Los efectos circadianos del NSQ se ejercen:
Sobre neuronas neuroendocrinas (Tabla 1).
Sobre neuronas autonómicas de núcleo paraventricular del hipotálamo (PVN).
Sobre estructuras hipotalámicas (subPVN, núcleo dorsomedial y área preóptica medial) posibles intermediarios entre el NSQ y las neuronas autonómicas
y neuroendocrinas. La conexión del NSQ con el área
preóptica es importante para la regulación del sueño.
Sobre estructuras extrahipotalámicas (cuerpo
geniculado lateral, núcleo paraventricular talámico) para
la sincronización de conductas hipotalámicas y actividad locomotora.
Las neuronas del NSQ contienen diferentes neuropéptidos, como la AVP, GRP y somatostatina, lo que
refleja su posible especialización funcional. El 30% de los
axones del NSQ contiene GABA y un transmisor peptídico. Electrofisiológicamente se ha demostrado que el glutamato es también un transmisor en las vías eferentes del
NSQ. La presencia de todos estos transmisores en combinaciones diferentes dota a las neuronas del NSQ de una
diversidad importante para transmitir sus señales16.
¿Cuál es la función de los diferentes neurotransmisores en el NSQ? En el caso del ritmo diario de corticosterona, el NSQ actúa en por lo menos dos maneras distintas: un componente estimulatorio de naturaleza todavía
indeterminada y un componente inhibitorio dado por la
liberación rítmica de AVP de los terminales del NSQ.
Estos mecanismos están presentes en todos los
mamíferos examinados y también están involucrados en
la regulación de la respuesta al estrés de la corticosterona, la que puede variar en intensidad en diferentes mo-
Proyección hipotalámica del NSQ hacia:
Base anatómica del efecto circadiano sobre:
Neuronas con R estrogénicos del prosencéfalo rostral y algunas neuronas GnRH
Ritmos del eje hipófiso-gonadal.
Neuronas dopaminérgicas tuberoinfundibulares
Secreción de prolactina.
Liberación de CRH y ACTH.
Neuronas del núcleo paraventricular (CRH y otras) que proyectan a los centros simpáticos y parasimpáticos
Función pineal, tiroidea, paratiroidea, suprarrenal, pancreática, hepática, gonadal y del tejido inmune ejercidas en forma
directa por la inervación autonómica.
Neuronas del núcleo subparaventricular y del núcleo dorsomedial del hipotálamo
Neuronas del sistema magnocelular
Control del ritmo sueño-vigilia.
Secreción de hormonas neurohipofisarias.
Tabla 1. Relevancia funcional neuroendocrina de las proyecciones del NSQ.
16
Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología - Dr. Daniel P. Cardinali
mentos del ciclo diario. Varios estudios anatómicos y fisiológicos han indicado que la influencia del NSQ se da
en la misma forma para varias hormonas que muestran
ritmos circadianos16. Un ejemplo es la regulación del ciclo sexual. Las fibras AVP del NSQ contactan interneuronas gabaérgicas que contienen receptores estrogénicos
en el área preóptica medial y tienen también limitado
contacto con neuronas que contienen GnRH. La secreción de AVP de las neuronas del NSQ en el área preóptica medial es imprescindible para la secreción normal
de GnRH y, por consiguiente, para la de LH. Es de destacar que este efecto permisivo de la AVP sobre el eje
GnRH-LH coincide con una acción inhibitoria del AVP
derivado del NSQ en la secreción de corticosterona. Así,
mediante la secreción de AVP, el NSQ reduce la respuesta al estrés y estimula la receptividad sexual34-38.
Otra forma que ha cobrado recientemente relevancia para la conexión de la señal del NSQ con la
respuesta hormonal o inmune es la de modulación de la
actividad de las vías descendentes autonómicas que inervan los órganos y tejidos. En nuestro laboratorio, hemos
estudiado en detalle el efecto de la inervación simpática
y parasimpática de glándulas endocrinas sobre su funcionalidad, verificando su importancia para la respuesta
normal ante los estímulos fisiológicos (TSH circulante
en caso de las células foliculares tiroideas, variaciones
en el Ca2+ para las células C tiroideas y las células paratiroideas)39-41.
En el caso de la glándula suprarrenal, existen
pruebas de que además del comando neuroendocrino
clásico vía el eje hipotálamo-hipofisario, la inervación
glandular juega también un papel en la determinación de
los niveles finales de secreción de corticoides33,42-44. Dada
la importante acción del NSQ sobre las vías simpáticas
descendentes, puede postularse que el NSQ usa un mecanismo dual para proporcionar una secreción óptima de
corticosterona: el comando directo de las neuronas neuroendocrinas hipotalámicas y de neuronas autonómicas.
Este parece ser un principio general no sólo para los tejidos endocrinos, sino también para los órganos inmunes
primarios y secundarios45-47. Es interesante la demostración de que inmediatamente antes de comenzar la fase
de actividad, la acción del NSQ aumenta la sensibilidad
de los tejidos a la acción de la insulina y aumenta la producción de glucosa hepática48,49.
Es de destacar que los experimentos de trazado de NSQ obtenidos de cadáveres han indicado que
la mayoría de los datos sobre la anatomía de los NSQ
obtenidos en roedores pueden verificarse en el cerebro
humano50. La actividad eléctrica aumentada del NSQ
durante el día se da tanto en mamíferos nocturnos como
el hámster, como en diurnos, como los primates. En los
primates, sin embargo, la secreción de corticoides y el
comienzo de actividad y de la fase de predominio simpático y aumento de temperatura se dan al comienzo de la
fase de luz, y no de la de oscuridad, como en la rata.
Es decir, la señal producida por el NSQ sobre
los distintos efectores mencionados más arriba se interpretará de una manera diferente. No tenemos aún una
respuesta plausible para este fenómeno. Una derivación
interesante es que el único territorio simpático activado
de noche en el humano es el de la glándula pineal, responsable de la secreción de melatonina.
Los ritmos neuroendocrinos
En los seres humanos, el sueño y las secreciones
hormonales están bajo el mando doble del reloj circadiano y de mecanismos homeostáticos reactivos51. Estos
últimos relacionan la profundidad del sueño con la duración de la vigilia previa. Por su parte, los mecanismos
circadianos juegan su papel fundamental en determinar
el momento del comienzo del sueño y la alternancia y
duración adecuadas de sueño lento y REM.
Nuestra vida transcurre entre 3 estados fisiológicos, en realidad 3 “cuerpos diferentes” con una fisiología distintiva: (a) vigilia; (b) sueño lento; (c) sueño
de movimientos oculares rápidos (rapid eye movements,
REM). Estimativamente, un hombre de 75 años ha vivido 50 años en el estado fisiológico de vigilia, 18 años
en sueño lento y 7 años en sueño REM. La duración de
sueño lento disminuye rápidamente (casi 30 min. por década), por lo que el sueño lento profundo (estadios III y
IV) en la mitad de la vida representa menos de 10% del
período total de sueño. Esta disminución en la profundidad del sueño es compensada por un aumento en los
estadios I y II, mientras que la duración de sueño REM y
del tiempo de sueño total permanecen estables52.
Para la mayoría de las hormonas hipofisarias,
sus ritmos de 24 h resultan de la interacción del reloj circadiano con el homeostato del sueño e incluyen
componentes ultradianos o pulsátiles (de alrededor de
90 min., el tiempo que transcurre entre cada período de
sueño lento-sueño REM), los que son armónicos de 24
h. Los ritmos hormonales dependen preponderantemente del homeostato sueño-vigilia (p. ej., GH, prolactina),
del ritmo circadiano (p. ej., cortisol, melatonina), o de
ambos procesos con influencia semejante (p. ej., TSH)
(FIGURA 8)53.
Hormonas controladas por la homeostasia reactiva
Prolactina
En los adultos jóvenes normales, el perfil en
circulación de prolactina se caracteriza por una elevación nocturna inmediatamente después del comienzo del
17
Revista SAEGRE - Volumen XVI - Nº 3 - noviembre de 2009
ronte cursan con bajo nivel nocturno de prolactina. En el
caso del envejecimiento, está normalmente asociado con
alteraciones profundas de ambos procesos, el homeostático reactivo y el circadiano. Los cambios del homeostato, evaluados por las disminuciones exponenciales
del sueño lento y de la secreción de GH y prolactina, se
completan en la mitad de la vida. A su vez, las alteraciones del marcapasos circadiano, evaluadas por las modificaciones de sueño REM y de los perfiles secretorios de
glucocorticoides y de melatonina, ocurren en mayores
de 50-60 años54.
GH
Figura 8. Ritmos circadianos de liberación de varias hormonas
en individuos normales. Se muestra el predominio relativo de
sueño lento en la primera mitad de la noche y de sueño REM
en la segunda mitad de la noche (Figura 9). Tipos de perfiles
de secreción de melatonina en mamíferos.
sueño y culminando alrededor de la mitad de la noche
(FIGURA 8). El comienzo del sueño, acompañado de
la presencia de sueño lento, tiene un efecto liberador de
prolactina cualquiera sea el momento del día en que da.
Sin embargo, las amplitudes del pico de prolactina son
menores cuando se da fuera del horario nocturno, lo que
indica que también la secreción de prolactina es influida
en parte por el ritmo circadiano. Este componente circadiano de la secreción del prolactina es mucho más pronunciado en las mujeres que en los hombres53.
Otros estudios han indicado una elevación de
prolactina nocturna aun en ausencia de sueño y dependiente de factores circadianos vía la melatonina pineal.
En sujetos despiertos en oscuridad total, los niveles
elevados de prolactina se suprimen al encender la luz,
situación en que se produce inhibición de melatonina
circulante. A su vez, la administración de dosis bajas
de melatonina durante el día produce la elevación de las
concentraciones de prolactina en plasma. Asimismo, las
elevaciones de prolactina en individuos despiertos en oscuridad no se dan en presencia de estrés ambiental.
La liberación de prolactina está íntimamente
vinculada con el sueño lento. Así las alteraciones del
sueño como las apneas o el sueño empobrecido del ge18
Es reconocido desde hace más de 30 años que
la secreción de GH se estimula notoriamente durante el
sueño lento (FIGURA 8). En los adultos jóvenes normales, el perfil de 24 h de GH circulante consiste en concentraciones bajas estables, interrumpidas por los pulsos
secretorios. En los varones adultos jóvenes normales, la
mayor parte de la secreción constitutiva de GH (>70%)
ocurre poco después de iniciarse el sueño. En mujeres
jóvenes, existen además pulsos durante el día que son
más frecuentes y de amplitud superior a la de los hombres. Hay correlación entre los niveles de GH durante el
día en las mujeres y el estradiol libre circulante53.
Los cambios del ciclo sueño-vigilia son seguidos inmediatamente por cambios del ritmo secretorio de
GH. Como en el caso de la prolactina, existen también
influencias circadianas reveladas por las variaciones relativas de la liberación de GH inducidas por el sueño
lento dependiendo del momento del día en que se da el
sueño.
La relación entre el sueño lento y GH, aunque
consistente, no es obligatoria ya que aproximadamente
un tercio de los períodos de sueño lento no están asociados con secreción de GH. Estas disociaciones podrían
reflejar las variaciones en el tono somatostatinérgico en
la eminencia media.
La disminución de GH relacionada con la edad
es exponencial, alcanza en la mitad de la vida el 40% de
los valores del joven, a pesar de la persistencia de alto
nivel de hormonas esteroides circulantes. En 114 hombres normales, se observó que la secreción diaria de GH
a los 25-35 años y 60-70 años fue de alrededor del 50 y
30%, respectivamente, de la secreción a los 16-25 años.
Estos efectos de la edad son independientes de las modificaciones en el índice de masa corporal54,51.
El envejecimiento está asociado con disminuciones drásticas en el nivel circulante de GH e IGF-1α.
La reducción se da por una disminución en la amplitud
de los pulsos secretorios y no en su frecuencia. La reducción de liberación de GH se produce tanto en la li-
Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología - Dr. Daniel P. Cardinali
beración nocturna como diurna. El declive en IGF-1α es
más gradual. En el anciano, los niveles son aproximadamente el 50% del valor en los jóvenes, pero hay una gran
variación individual. Aproximadamente el 20% de los
hombres normales más allá de los 60 años tienen valores
de IGF-1α dentro del rango normal o joven.
La principal alteración que explica la hiposecreción de GH en la vejez es el aumento de secreción de
somatostatina hipotalámica. La capacidad secretoria de
las células somatotróficas no parece estar alterada por lo
que se ha planteado la terapia sustitutiva con GHRH en
los adultos mayores. Sin embargo, es imposible reproducir la liberación pulsátil normal de GH por este medio.
Varios estudios indican que los compuestos que promueven el sueño lento podrían representar una nueva clase
de secretagogos para GH y ser potencialmente útiles
para el tratamiento de la somatopausia. Un ejemplo es
el γ-hidroxibutirato, que actúa promoviendo la actividad
gabaérgica central55, o la melatonina, con una actividad
similar56,57. Estos acercamientos experimentales para inducir la secreción de GH natural y mejorar la calidad del
sueño son más prometedores que la administración de
GH o GHRH exógenas.
TSH
La TSH es una hormona controlada tanto por el
homeostato sueño-vigilia como por el sistema circadiano (FIGURA 8). Existe tanto una modulación por frecuencia como por amplitud del ritmo de 24 h de TSH.
Los niveles del día son bajos y relativamente estables.
En los adultos jóvenes normales, la elevación nocturna
empieza en horas de la tarde, con un máximo alrededor
del principio del período de sueño.
Esta elevación vespertina indica la presencia
de un importante efecto circadiano. Recíprocamente, el
declive en los niveles de la TSH luego del comienzo del
sueño refleja una influencia inhibitoria del sueño en la
secreción de esta hormona. De hecho, durante la privación de sueño, el declive nocturno de la TSH no se observa y los niveles continúan aumentando hasta la mitad
del período de sueño.
La inhibición de la TSH está relacionada con
las fases de sueño lento. Recíprocamente, el sueño REM
se asocia frecuentemente con incrementos de la TSH.
El aumento vespertino de la TSH es considerado un
marcador del reloj circadiano. A su vez, la inhibición de
la TSH por el sueño lento ilustra la interacción entre el
sueño y la ritmicidad circadiana. El envejecimiento se
asocia con una disminución progresiva en la secreción
de TSH por una disminución en la amplitud, en lugar de
la frecuencia, de pulsos secretorios51.
Hormonas principalmente controladas por el
reloj circadiano
Cortisol
Los cambios de 24 h en los perfiles circulantes
de cortisol reflejan el control circadiano de la secreción
de ACTH, la que es, a su vez, el resultado de los cambios
periódicos en el nivel de estímulo pituitario por la CRH
(FIGURA 8). En el joven, el cortisol plasmático muestra un máximo al principio de la mañana (alrededor de
las 07.00-08.00 h) seguido por un período prolongado
de niveles mínimos centrado alrededor de medianoche
y una elevación abrupta durante la parte más tardía de
la noche51.
Este perfil está principalmente controlado por
el marcapasos circadiano a través de la modulación de
la amplitud de pulsos secretorios. Sin embargo, existen
también efectos moduladores ejercidos por el homeostato
del ritmo sueño-vigilia. De hecho, el comienzo del sueño
está consistentemente asociado con una inhibición de la
secreción del cortisol. Este efecto inhibitorio del sueño
aparece relacionado con la fase no-REM. Recíprocamente, durante la segunda parte de la noche, los despertares
y particularmente el último REM es seguido de forma
consistente por episodios de secreción de cortisol.
Hay una relación bidireccional, ya que la transición sueño-vigilia puede modular y ser modulada por
el ritmo circadiano del cortisol. En el comienzo del sueño, y durante las primeras horas de sueño, los niveles de
cortisol son bajos, un período que está asociado principalmente con el sueño de ondas lentas, mientras que hay
un predominio del sueño REM en la segunda mitad de
la noche cuando los niveles de cortisol comienzan a aumentar; el sueño de ondas lentas no se produce a menos
que la actividad corticotropa esté baja, y la inhibición de
la liberación de la hormona liberadora de corticotrofina
(CRH) produce una disminución en la actividad simpática y en la producción de cortisol. El incremento de los
niveles de cortisol a la noche está vinculado a sueño ligero e insomnio58.
El envejecimiento está asociado con marcados
cambios en los niveles y variación diurna de cortisol en
plasma. Esto fue examinado en un análisis retrospectivo
de los perfiles de 24 h del cortisol en 90 hombres normales y 87 mujeres normales, con edades de 18 a 83 años.
Los niveles de cortisol son mayores en hombre jóvenes
que en mujeres jóvenes. La ritmicidad diurna se conserva aunque el individuo envejezca. Las alteraciones de
los perfiles del cortisol en mayores de 50 años consisten
en un aumento moderado de la secreción de cortisol en
ambos sexos. Entre los 20 y 80 años, los niveles basales
del cortisol aumentan el 20-50%, más en mujeres que
en hombres, por lo que los niveles de cortisol se igualan
19
Revista SAEGRE - Volumen XVI - Nº 3 - noviembre de 2009
en ambos sexos a partir de los 60 años. Típicamente, el
nadir del ritmo de cortisol en un individuo de más de 70
años es tres a cuatro veces superior al de un adulto joven.
Existe también un avance de fase del ritmo del cortisol
con la edad51.
Estudios en animales y en clínica humana han
indicado los efectos deletéreos de la hiperactividad del
eje hipotálamo-hipófiso-suprarrenal, sobre todo a niveles del hipocampo, que son más pronunciados en el nadir
del ritmo que en su cresta. Por lo tanto, las elevaciones
aun modestas del cortisol vespertino podrían facilitar el
desarrollo de perturbaciones asociadas con el exceso de
glucocorticoides, como la resistencia a la insulina y el
déficit de memoria8.
Melatonina
La concentración plasmática de esta hormona
presenta un ritmo circadiano, con valores máximos nocturnos que oscilan entre 100 y 200 pg/ml y mínimos durante el día (10-30 pg/ml), en humanos59. En el hombre,
el pico de secreción de melatonina se produce entre las
2 y las 6 de la mañana, sin relación con la fase de sueño
(FIGURA 8).
En el hombre, la información sobre la luz ambiental es transmitida desde la retina a la glándula pineal
a través de una vía neural que incluye varias neuronas
en serie (FIGURA 6). La secreción de melatonina está
normalmente limitada a las horas de la noche, y este patrón de secreción está regulado de dos formas: i) la luz
suprime la producción de melatonina; ii) la secreción de
melatonina está bajo el control del oscilador circadiano
y muestra un ritmo cercano a 24 horas en ausencia total
de sincronizadores ambientales. Por esta razón, la melatonina puede ser utilizada como un marcador del sistema
circadiano59.
La coincidencia del período de secreción de melatonina con la fase de oscuridad es un hecho común a la
totalidad de los seres vivientes en los que se ha descripto
la existencia de melatonina y que van desde el hombre
hasta las algas. Hay, sin embargo, algunas diferencias
en cuanto a la relación temporal entre el comienzo de
la fase de oscuridad y el de la secreción de melatonina.
Existen tres patrones diferentes de secreción de melatonina que aparecen representados en la FIGURA 9.
En el primero (Tipo I), existe una latencia de
varias horas desde el comienzo de la oscuridad hasta el
inicio del pico secretor que, por otra parte, terminará antes del final del período de oscuridad; a este tipo pertenecen animales como el hámster o el ratón doméstico. En
los animales del Tipo II (p. ej., la rata o los seres humanos), los niveles de melatonina comienzan a aumentar
gradualmente a partir del momento de la transición luz/
20
oscuridad, para alcanzar su valor máximo hacia la mitad del período de oscuridad, descendiendo de nuevo a
los valores diurnos antes de la transición oscuridad/luz.
En el Tipo III, el comienzo de la fase de oscuridad va
seguido de un aumento rápido de la concentración de
melatonina, que alcanza una meseta y se mantiene elevada durante toda la fase de oscuridad, para volver a los
niveles basales coincidiendo con la transición oscuridad/
luz; son ejemplos de animales con este patrón secretor:
la oveja o el gato doméstico.
La amplitud del pico secretorio de melatonina
está influida por diferentes factores59:
La edad: las diferencias día-noche en la concentración de melatonina plasmática son de 3 a 5 veces
mayores en los niños que en los ancianos60.
La estación del año: en verano, el comienzo del
pico de secreción de la hormona se adelanta y en invierno se retrasa.
El ciclo menstrual: en la fase preovulatoria, se
ha observado un discreto descenso en la cantidad de melatonina secretada.
El estilo de vida, tipo de trabajo, o cualquier
otro factor que condicione el tiempo de exposición al
sol61.
Drogas: las hay que disminuyen la amplitud del
pico nocturno, tales como bloqueantes β-adrenérgicos y
benzodiacepinas; otras drogas, como los antidepresivos
cíclicos, algunos neurolépticos y los inhibidores de la
MAO, la incrementan.
Figura 9. Tipos de perfiles de secreción de melatonina en mamíferos.
Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología - Dr. Daniel P. Cardinali
El tipo de luz: la luz brillante artificial, de una
intensidad de por lo menos 2500 lux (la intensidad del
atardecer en verano) anula el pico nocturno dentro de los
10 a 20 min. de la exposición y la melatonina retorna a
su valor aproximadamente a los 40 min. de nueva oscuridad. La misma intensidad lumínica aplicada en la última
parte de la fase de oscuridad adelanta el pico secretorio,
y por la tarde, en las últimas horas de luz y primeras de
oscuridad, lo retrasa.
El estrés: diferentes tipos de estrés inducidos en
animales, tales como hipoglucemia, cirugía o inmovilización, aumentan el contenido pineal y/o la secreción
de melatonina. En el hombre, el ejercicio físico puede
incrementar su secreción.
Si bien la secreción de la hormona es reproducible día a día en un mismo individuo, existen grandes
diferencias interindividuales. Asimismo debe destacarse que, aunque los niveles circulantes de una hormona
son una indicación de su actividad biológica, la relación
concentración plasmática-actividad puede no significar
siempre lo mismo. En numerosas ocasiones, un cambio
de sensibilidad del tejido efector (p. ej., descenso o aumento en el número de receptores específicos) condiciona modificaciones en la actividad hormonal sin cambios
en los niveles circulantes de la hormona.
La pinealectomía, en animales de cualquier especie fotoperiódica, desincroniza la actividad reproductiva con la época correspondiente del año que garantiza la idoneidad del proceso. Es decir, la pinealectomía
vuelve al animal “ciego neuroendocrino” desde el punto
de vista de la reproducción estacional, sin disminuir en
absoluto su capacidad visual59.
La edad está asociada con una declinación de
las funciones inmunes y se correlaciona con un aumento
de la incidencia de cáncer, así como de infecciones y
de enfermedades degenerativas. Y como la melatonina
que estimula la producción de progenitores celulares de
granulocitos y macrófagos, además, estimula las células
natural killer y los linfocitos T CD4+ para que produzcan y liberen varias citoquinas proinflamatorias también
declina con la edad, se supone que, al menos en parte, el
deterioro de las funciones inmunes producido durante el
envejecimiento se debe a la disminución de la melatonina en sangre60.
Otras hormonas
Se han reportado ritmos circadianos en la mayoría de las hormonas en circulación. Así, el sistema
renina-angiotensina-aldosterona muestra oscilaciones
nocturnas asociadas a los ciclos del sueño, en conjunción con los ciclos de activación autonómica, en particular en el REM. El comportamiento secretorio pulsátil
de las gonadotrofinas es marcado y ha sido bien demostrado. También se ha observado la presencia de variaciones circadianas de la secreción de gonadotrofinas. El
sueño REM coincide con la fase de pulsos secretorios
de LH51.
En el caso de las hormonas que controlan la
calcemia, se ha reportado la existencia de ritmos circadianos para todas ellas. Asimismo, la resorción ósea está
muy vinculada con la calidad del sueño y se ha identificado una acción importante de la melatonina en la resorción y aposición óseas62.
Las hormonas neurohipofisarias ocitocina y
AVP muestran ritmos diarios con máximos durante el
sueño, dependientes del reloj circadiano vía la secreción
de melatonina63. En el hombre, la melatonina aumenta
la liberación de oxitocina y vasopresina, y en la rata, la
disminuye. La pinealectomía altera tanto el ritmo circadiano de liberación de ocitocina y ADH como el de actividad eléctrica de las neuronas magnocelulares de los
núcleos supraóptico y paraventricular. Existe también
una reducción en la respuesta homeostática a la hipovolemia o a la hipernatremia en ratas sin pineal. Es de
interés que no sólo la liberación de hormonas neurohipofisarias, sino su efecto renal o uterino muestran un ritmo
diario, probablemente por los mecanismos de activación
autonómica arriba mencionados63.
Los cronobióticos. ¿Cómo mover las agujas del reloj?
En los últimos años, el interés en la manipulación del reloj circadiano humano ha crecido de la mano
de la comprensión de las consecuencias de su disrupción,
sea por causas intrínsecas (envejecimiento, alteraciones
del sueño, ceguera, enfermedades mentales) o exógenas
(trabajo en turnos, jet-lag).
La melatonina es el prototipo de los agentes
cronobióticos. En los seres humanos, se ha estudiado el
efecto de cronobiótico de la melatonina en varias situaciones controladas. Por ejemplo, la melatonina es eficaz
para corregir los trastornos de sueño en ciegos con ceguera completa, quienes, al no percibir la luz, presentan
desincronización de sus ritmos circadianos. En ausencia
de visión luz, estos pacientes muestran un trastorno periódico del sueño con insomnio cada 8-12 días, pues el
día subjetivo en estas condiciones de libre curso de la
oscilación circadiana expresa la periodicidad propia del
reloj humano (como hemos visto, de unas 25 horas) y
así se atrasa una hora en relación con el horario local por
cada día transcurrido. La administración de melatonina
en el horario de sueño produce un adelanto del reloj (FIGURA 4) y así se corrige el trastorno64.
Otra situación de desincronización es la del rápido cambio geográfico por viajes aéreos a través de varios
21
Revista SAEGRE - Volumen XVI - Nº 3 - noviembre de 2009
husos horarios, que produce el desacople entre las señales
de sincronización del nuevo lugar geográfico y el sistema
circadiano del viajero (o jet-lag). Cualquier viajero necesita algunos días para adaptarse al nuevo horario ambiental, a menos que permanezca en un ambiente totalmente
aislado y manteniendo los horarios de su residencia usual.
El tiempo que lleva adaptarse al nuevo horario depende
tanto de la magnitud del cambio horario como de la fuerza del zeitgeber (por ejemplo, intensidad de luz), pero en
promedio es de 1-1,5 h de cambio por día.
Existe importante evidencia que indica que la
melatonina es útil para mejorar los síntomas del jet-lag
en los viajeros aéreos. En un metaanálisis sobre la eficacia de la melatonina, se concluyó que tomada a la hora
de acostarse en horario de destino, es eficaz en vuelos
que cruzan 5-8 husos horarios65.
En los casos extremos de traslaciones de unos
12 husos horarios (como por ejemplo, los vuelos transpolares que unen Buenos Aires con Sydney), hemos
utilizado durante años la combinación de diversas manipulaciones cronobiológicas, incluida la melatonina, para
obtener resincronizaciones al nuevo horario en pocos
días y aumentar la eficacia de cada una de estas medidas aplicadas en forma aislada. Tuvimos recientemente
la posibilidad de evaluar este procedimiento por primera
vez en la bibliografía científica internacional en un grupo
de deportistas de elite compuesto por jugadores de fútbol
profesional de Boca Juniors que compitieron por la Copa
Intercontinental 2000 en Tokio con el Real Madrid66.
¿Cómo aumentar las campanadas del reloj? Esta
pregunta es pertinente en el envejecimiento, que se caracteriza por cambios en la calidad del ritmo sueño-vigilia. Los estereotipos de disminución del alerta durante el
día y despertar de madrugada de las personas mayores a
partir de la sexta década de la vida reflejan esos cambios
y son reportados por aproximadamente un tercio de los
pacientes mayores en consultas médicas. Aunque la atenuación de la amplitud de las “campanadas del reloj” es
el cambio más marcado, también se manifiestan avances
en fase y desincronización de los ritmos circadianos.
Con el envejecimiento se produce una disminución del ritmo de secreción de la melatonina y de la
temperatura corporal. La degeneración de neuronas de
los NSQ y la disminución en la amplitud del ritmo de
melatonina con la edad podrían relacionarse en el geronte tanto con el insomnio como con cambios de conducta
(por ejemplo, disminución de la actividad física). Otros
ritmos circadianos, como el de la secreción de cortisol,
están también amortiguados con la edad54.
Si la deficiencia de melatonina es causa más que
marcador del insomnio, el remplazo mediante la administración exógena de melatonina debería ser beneficio22
so. En jóvenes, ello es dudoso. En cambio, en pacientes
añosos, en los que existe demostrable insuficiencia de
melatonina endógena, el tratamiento con melatonina tiene efecto terapéutico.
Esto fue demostrado en pacientes con insomnio sin otros trastornos, en insomnes añosos que sufrían
varias afecciones crónicas relacionadas con la edad y recibían otras medicaciones y en enfermos en tratamiento
con benzodiacepinas. En estos estudios, el remplazo con
melatonina durante 1 a 3 semanas indujo un aumento en
la calidad y duración del sueño, en particular del sueño
lento. Es de destacar que hormonas anabólicas como la
GH se liberan durante los episodios de sueño lento (FIGURA 8) y que la desaparición de sueño lento con la
edad es posiblemente responsable de la severa reducción
o eliminación de la secreción de GH en la vejez.
El ramelteon es un análogo tricíclico sintético
de la melatonina que actúa específicamente sobre los
receptores de melatonina MT-1 y MT-2. Numerosos estudios clínicos estudiaron la eficacia del ramelteon en
sujetos con insomnio crónico. En la mayoría de estos
estudios, mostró una disminución en la latencia al sueño
y un aumento en la duración del sueño. Este efecto no
se produce por una depresión de las neuronas GABAérgicas del sistema nervioso central, sino que actúa como
agonista melatoninérgico en los NSQ67. La vida media
del ramelteon, al ser mayor que la de la melatonina, le
añade la propiedad de poder mejorar también la calidad
del sueño en la segunda mitad de la noche donde ésta no
es tan efectiva por su corta vida media67.
En la enfermedad depresiva y el trastorno afectivo bipolar, hay profundos disturbios en la calidad del
sueño, que se manifiestan en un atraso en el comienzo
del sueño, una reducción del sueño de ondas lentas y disminución en la latencia al sueño REM. Además, los pacientes deprimidos muestran trastornos de la amplitud y
la forma del ritmo de secreción de melatonina y la melatonina puede mejorar la calidad de sueño en estos pacientes. Por todo esto, el antidepresivo adecuado sería aquel
que mejore tanto la calidad del sueño como el humor depresivo de estos pacientes. Un novedoso antidepresivo, la
agomelatina, que combina las propiedades antidepresivas
de los antagonistas serotoninérgicos y las de los agonistas de los receptores melatoninérgicos, resulta muy efectivo para restaurar el disturbio del ciclo sueño/vigilia y
mejorar el estatus clínico de la depresión68.
Epílogo
Así como las sociedades humanas están organizadas sobre la base de un ritmo diario de 24 horas, un
ritmo mensual de 30 días y un ritmo anual de 365 días,
nuestras funciones fisiológicas, desde el crecimiento de
Ritmos Biológicos en Neuroendocrinología - Dr. Daniel P. Cardinali
una célula de la piel hasta las funciones psíquicas más
complejas, se rigen también por un reloj de alrededor de
24 horas y un calendario de duración mensual o anual,
sincronizados con variables dependientes del medio ambiente.
Estos relojes biológicos o marcapasos circadianos se resincronizan muy lentamente tras un desfase
brusco con la información ambiental. En consecuencia,
los seres humanos no estamos bien preparados para adaptarnos a situaciones tales como los horarios prolongados
de trabajo, los turnos rotatorios de trabajo, o los vuelos
transmeridianos, en las cuales se producen cambios de
fase repentinos entre las señales ambientales y los relojes endógenos. Las consecuencias de esta desadaptación
son variadas y comprenden desde formas transitorias de
malestar (el jet-lag) hasta trastornos neurovegetativos
crónicos, de consecuencias importantes para la salud.
Estas situaciones ocurren porque ninguno de los
supuestos de desincronización citados (turnos rotatorios,
vuelos transmeridianos, etc.) ha sido experimentado con
anterioridad durante la evolución de la especie humana.
En cierta forma, nuestro cuerpo fue diseñado para un
mundo que ya no existe. En los últimos 100 años, un
solo instante en la escala de la evolución, hemos cambiado radicalmente nuestro medio ambiente. Comenzando
por la introducción de la luz eléctrica hasta el desarrollo de las tecnologías de computación digital, control de
procesos, telecomunicaciones, y diseño y construcción
de aviones comerciales, hemos sido catapultados a una
“sociedad de 24 horas”, en un mundo intercomunicado
(la “Aldea Global” del siglo XXI) para el cual no tenemos un diseño fisiológico adecuado.
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