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Paradoja aparente en la acción del glucagón

Paradoja aparente en la acción del glucagón



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El glucagón estimula la glucogenólisis y la gluconeogénesis, aumentando así la concentración de glucosa plasmática, de modo que los tejidos obtengan suficiente glucosa en ayunas.

Sin embargo, el glucagón también inhibe la glucólisis. En este caso, ¿de qué sirve tener un nivel alto de glucosa en sangre si no se puede catabolizar?


Resumen

La aparente paradoja se resuelve por el hecho de que no todos los tejidos poseen receptores que les hagan responder al glucagón o, más generalmente, a la misma hormona. Cuando diferentes tejidos responden a la misma hormona, la respuesta del tejido puede diferir debido a diferencias entre las vías o enzimas particulares dentro de los diferentes tejidos. Los tejidos que usan glucosa en la inanición generalmente no tienen receptores de glucagón. En la situación relacionada de respuesta a la epinefrina, el tejido que utiliza glucosa, el músculo esquelético, no contiene la isoforma enzimática particular que está sujeta al control cíclico dependiente de AMP en el hígado.

Principios generales de acción hormonal en la regulación del metabolismo.

El metabolismo en organismos simples, especialmente unicelulares, está regulado por la oferta y la demanda. Los mecanismos subyacentes a esto son la acción masiva y la activación o inhibición alostérica de enzimas clave. En organismos más desarrollados con tejidos diferenciados que cumplen funciones especializadas, hay ocasiones en las que este control intercelular debe anularse para producir una respuesta integrada al beneficio general del organismo. Ésta es la razón fundamental del control hormonal.

Un respuesta integrada lo hace no significa que cada tejido responde en el mismo camino. Significa que cada tejido responde de una manera apropiada para el organismo en su conjunto, dada la función del tejido y su prioridad (por ejemplo, para el racionamiento de fuentes de energía). A continuación se ilustra un ejemplo simplificado de cómo se logra esto.

Los tejidos 1 y 2 (p. Ej., Hígado y músculo esquelético) contienen ambos la vía P1 (p. Ej., Degradación del glucógeno), pero solo el tejido 1 responde a la hormona H1 (p. Ej., Glucagón) porque el tejido 2 no tiene el receptor R1, para H1. (SM es el segundo mensajero involucrado en la señalización, por ejemplo, AMP cíclico).

El tejido 2 (p. Ej., Tejido adiposo) tiene el receptor de la hormona H1, pero responde de forma diferente porque carece de las vías P1 y P2 del tejido 1, pero contiene una vía P3 específica de tejido (p. Ej., Degradación de triglicéridos).

La hormona H2 (p. Ej., Epinefrina / adrenalina) afecta al tejido 2 (p. Ej., Músculo esquelético) así como al tejido 1 (y 3), pero la respuesta es solo parcialmente similar en el sentido de que, aunque comparten la vía P1, el tejido 2 carece de la vía P2 (p. Ej., Gluconeogénesis) .

Respuesta diferencial al glucagón

En pocas palabras, el glucagón es una señal de inanición. Por lo tanto, la respuesta integrada adecuada es para aquellos tejidos (hígado y tejido adiposo) que pueden suministrar fuentes de energía (glucosa y ácidos grasos, respectivamente), y aquellos tejidos con mayor necesidad del recurso más escaso (cerebro con su requerimiento de glucosa) son abastecidos. , mientras que aquellos tejidos que se pueden manejar con la alternativa (ácido graso) están hechos para usarla en su lugar.

El cerebro no tiene receptores de glucagón (o insulina), por lo que puede utilizar la glucosa disponible por el hígado. (Lo mismo sucede con los eritrocitos). El principal factor que impide que otros tejidos utilicen glucosa es que tienen transportadores de glucosa sensibles a la insulina y la concentración sanguínea de insulina disminuye con la inanición. Es solo en el hígado donde es necesario asegurarse de que la glucosa producida por la gluconeogénesis no esté glicolizada.

¿Pero no permanece la paradoja si consideramos la epinefrina?

La función de la epinefrina es iniciar la "respuesta de lucha o huida", que implica el suministro de metabolitos energéticos para la contracción del músculo esquelético. Esto involucra tanto al hígado, que descompone el glucógeno para suministrar glucosa al músculo a través de la sangre, como al propio músculo esquelético, que descompone su propio glucógeno almacenado. Dado que la epinefrina también actúa a través del AMP cíclico, que inhibe la glucólisis en el hígado, ¿por qué no se inhibe la glucólisis en el músculo esquelético?

La respuesta a esto es que el AMP cíclico inhibe la glucólisis al fosforilar y activar la enzima hepática PFK2, que cataliza la formación de fructosa 2,6-bisfosfato, un activador alostérico de la fosfofructoquinasa. El músculo esquelético tiene una forma diferente de FPK2 que no se ve afectada por el AMP cíclico y que carece de los sitios de fosforilación reguladores. (Está regulado por otros metabolitos). Por lo tanto, en el hígado, el glucógeno, a través del AMP cíclico, hace que la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato disminuya y, por lo tanto, la actividad de la fosfofructoquinasa (PFK) disminuya, evitando la glucólisis; mientras que en el músculo la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato no cambia.

Esta regulación de la fosfofructoquinasa por la fructosa 2,6-bisfosfato se describe en las secciones 16.2.2 y 16.4 de Berg et al. (aunque parecen haberse olvidado del músculo esquelético). Sin embargo, como el mecanismo general y los detalles son algo complejos, he producido un diagrama de resumen simplificado, arriba, en el que las líneas verdes indican activación y las líneas rojas inhibición.


El glucagón es una hormona producida por las células alfa en una parte del páncreas conocida como islotes de Langerhans.

El glucagón juega un papel activo al permitir que el cuerpo regule la utilización de glucosa y grasas.

El glucagón se libera en respuesta a niveles bajos de glucosa en sangre y a eventos en los que el cuerpo necesita glucosa adicional, como en respuesta a un ejercicio vigoroso.

Cuando se libera glucagón, puede realizar las siguientes tareas:

  • Estimular el hígado para que descomponga el glucógeno y lo libere a la sangre en forma de glucosa.
  • Activando la gluconeogénesis, la conversión de aminoácidos en glucosa.
  • Descomponer la grasa almacenada (triglicéridos) en ácidos grasos para que las células los utilicen como combustible.

Introducción

En las últimas décadas, la noción de una vía mediada por el sistema nervioso central para la fisiología del glucagón ha atraído la atención científica. Varias regiones del cerebro han demostrado una unión significativa al glucagón radiomarcado a través de los receptores de glucagón, así como la activación transducida de la adenilato ciclasa [1]. De hecho, el glucagón es capaz de atravesar la barrera hematoencefálica [2], mientras que también se ha detectado una inmunorreactividad significativa al glucagón principalmente en las regiones del hipotálamo y el tronco encefálico, dos sitios conocidos por modular el metabolismo periférico [3]. Además, los componentes clásicos de la cascada de señalización del receptor de glucagón, incluidos el cAMP y la proteína quinasa A (PKA), también se detectan en las neuronas cerebrales [4], lo que sugiere la posibilidad de que el glucagón pueda desencadenar su cascada de señalización en el cerebro para regular la homeostasis periférica.

De hecho, múltiples estudios han documentado la capacidad de la administración de glucagón intracerebroventricular (i.c.v.) para modular los niveles de glucosa periférica en diferentes especies de animales [5-7]. Sin embargo, lo más intrigante es el primer estudio en perros en el que una dosis alta i.c.v. La inyección de 10 ng de glucagón produjo hipoglucemia transitoria seguida de hiperglucemia [8]. El efecto hipoglucemiante fue abolido en perros vagotomizados, lo que sugiere la participación de un eje cerebro-hígado en el efecto hipoglucemiante del glucagón central, mientras que la pancreatectomía previno el efecto hiperglucémico, atribuyendo un papel pancreático al aumento de glucosa de i.c.v. inyecciones de glucagón [8, 9]. Dada la administración inespecífica de i.c.v. glucagón y el uso de dosis relativamente altas de glucagón en estos experimentos, estudios más recientes han administrado dosis mucho más bajas de glucagón específicamente en el hipotálamo mediobasal (MBH) y evaluaron si la acción del glucagón MBH explica el efecto hipoglucemiante o el efecto hiperglucémico de i.c.v. inyecciones en los primeros estudios con perros.

De hecho, la infusión directa de glucagón en el MBH redujo realmente la producción de glucosa hepática en las condiciones de una pinza euglucémica de insulina basal pancreática [10]. Este efecto del glucagón MBH requirió la activación de los receptores de glucagón MBH (GR), señalización de PKA, KATP canales (Fig. 1) y nervios vagales intactos, ya que su ablación anuló los efectos metabólicos de la infusión de glucagón MBH [10, 11]. Por otro lado, el bloqueo de las vías dependientes de la detección de lípidos en MBH al nivel de la proteína quinasa 5 'AMP activada (AMPK) o la proteína quinasa C-δ no revirtió el efecto del glucagón MBH, lo que sugiere que el glucagón MBH regula el metabolismo de la glucosa periférica a través de un mecanismo independiente de detección de lípidos (Fig. 1).

La acción del glucagón en el MBH y el DVC regula la homeostasis de la glucosa y la energía. Representación esquemática que ilustra que la acción del glucagón en el MBH desencadena vías de señalización diferencial para ejercer efectos sobre el control de la alimentación (dependiente de AMPK) y de la glucosa (independiente de AMPK). Si bien se desconoce si la acción del glucagón en la DVC regula la alimentación, el glucagón inicia un GR-PKA-ERK1 / 2-KATP cascada de señalización para reducir la producción de glucosa hepática. El cerebro también media el efecto del glucagón circulante elevado inducido por vía i.v. glucagón o comidas ricas en proteínas para mantener la homeostasis de la glucosa en roedores in vivo. CPT-1, carnitina palmitoiltransferasa I ERK1 / 2, quinasa regulada por señal extracelular 1/2 LCFA, ácido graso de cadena larga

Varios grupos también han confirmado un paradigma similar de i.c.v. Acción del glucagón en la regulación del comportamiento alimentario. En estudios en ratas, pollitos y ovejas, i.c.v. la administración de glucagón redujo la ingesta de alimentos [12-14]. Aunque se sabe mucho menos sobre los mecanismos subyacentes a estos efectos anoréxicos del glucagón cerebral, un interesante estudio reciente reveló mecanismos novedosos por los cuales la acción del glucagón hipotalámico impacta en la alimentación [15]. Esta revisión invitada se centrará en comparar y contrastar la acción del glucagón cerebral en la alimentación frente al control de la glucosa (Fig. 1).


Mecanismo de acción de des-His1- [Glu9] glucagón amida, un péptido antagonista del sistema receptor de glucagón

Hemos investigado los mecanismos a través de los cuales la amida de glucagón des-His1- [Glu9] funciona como un péptido antagonista del sistema receptor de glucagón / adenilil ciclasa. Los estudios con péptidos radiomarcados identificaron que (i) el antagonista se unía a los hepatocitos intactos de acuerdo con un único proceso de primer orden, mientras que la tasa de asociación del glucagón con la misma preparación sólo podía describirse mediante la suma de dos procesos de primer orden (ii ) la interacción del antagonista con hepatocitos permeabilizados con saponina no se vio afectada por la adición de GTP al medio de incubación o por la eliminación de Mg2 +, mientras que la interacción del glucagón con la misma preparación celular se modificó significativamente por la presencia del nucleótido o por la ausencia del ión metálico divalente (iii) la disociación del antagonista de los hepatocitos intactos incubados en tampón fue completa, mientras que la del agonista no lo fue y (iv) el antagonista se unió a los hepatocitos intactos en estado estacionario de acuerdo con una única isoterma de unión ( al igual que el agonista y el antagonista en los hepatocitos permeabilizados), mientras que el glucagón unido al sistema celular intacto con dos aparatos claramente definidos alquilar constantes de disociación. Se presenta un modelo para el mecanismo de acción del antagonista del glucagón en el que el análogo se une a los receptores de glucagón de una manera independiente de Mg (2 +) y GTP y en el que los complejos ligando-receptor resultantes no se someten a los ajustes secuenciales necesarios para la estimulación de la adenilil ciclasa.


Preámbulo

Durante los últimos ∼30 años, el número de personas con diabetes se ha más que duplicado en todo el mundo; se prevé que esta tendencia continuará (1) y el gasto sanitario asociado se disparará en consecuencia (2). Sin embargo, desde la década de 1980 la mortalidad en personas con diabetes ha disminuido más que en personas sin diabetes (al menos en las poblaciones europid) (3). La relación entre la prevalencia de la enfermedad y la mortalidad es compleja, pero a un nivel simplista, la desconexión entre el creciente número de personas con diabetes y la disminución de las muertes entre ellas plantea la pregunta: ¿el tratamiento de las complicaciones graves de la diabetes ha superado al tratamiento y / o la prevención de la hiperglucemia diabética? Si es así, ¿podemos rastrear los mecanismos fisiopatológicos que pueden subyacer a este resultado?

La siguiente exposición se basa en un principio central: que la diabetes tipo 2 no es una enfermedad de un solo órgano, la célula β pancreática, que en última instancia da como resultado múltiples daños en los órganos diana, sino, más bien, una enfermedad inherentemente multiorgánica desde el principio, de hecho. , desde la etapa de prediabetes. Como preliminares, se describirán los avances en la sensibilidad a la insulina y la función de las células β, es decir, los determinantes proximales de los niveles de glucosa en plasma.

Resistencia a la insulina

Durante las décadas de 1980 y 1990, la técnica de pinzamiento, que utiliza un algoritmo de retroalimentación para fijar la concentración de glucosa en plasma en cualquier nivel deseado, se estableció como el método estándar de oro para medir la sensibilidad a la insulina in vivo. Posteriormente, la combinación de la técnica de pinzamiento con infusiones trazadoras de glucosa, calorimetría indirecta, cateterismo arteriovenoso y tomografía por emisión de positrones (PET) ha permitido construir curvas dosis-respuesta de sensibilidad a la insulina periférica y hepática y partición de glucosa intracelular y a discernir los órganos / tejidos que participan en la eliminación general de glucosa (4).

Si bien la captación de glucosa durante una pinza euglucémica-hiperinsulinémica estándar ocurre principalmente (~ 70%) en el músculo esquelético (4), los estudios de PET, que utilizan un análogo de glucosa ([18 F] desoxiglucosa [FDG]), han demostrado de manera concluyente que en pacientes con resistencia a la insulina La captación de glucosa de los individuos por unidad de masa también se reduce en el tejido adiposo, ya sea en depósitos subcutáneos o viscerales (aunque un aumento de la masa de grasa total puede mantener o incluso aumentar la contribución de la grasa a la eliminación de glucosa en todo el cuerpo) (5). La disminución de la utilización de la glucosa de los adipocitos restringe la producción de α-glicerofosfato necesario para reesterificar los ácidos grasos libres (FFA), lo que resulta en una mayor entrega de FFA a la circulación. Debido a que los FFA, a diferencia de la glucosa, no requieren que la insulina ingrese a las células, su disponibilidad aumentada aumenta su oxidación a expensas de la oxidación de la glucosa (6), cerrando así un ciclo de Randle in vivo (7). Una consecuencia posterior de una mayor oxidación de FFA es la estimulación de la cetogénesis, principalmente en el hígado pero posiblemente también en el riñón, con la consiguiente liberación de cetonas en el torrente sanguíneo (Fig. 1).

Relación recíproca de la oxidación de lípidos de todo el cuerpo con la oxidación de la glucosa (línea roja) y relación directa de la oxidación de los lípidos con la producción de cuerpos cetónicos (indexada como niveles plasmáticos de β-hidroxibutirato [línea verde]) durante 5 h después de una comida mixta. Se representan los datos medios en sujetos con diabetes tipo 2 (rediseñados de Ferrannini et al. Cambio a la utilización de sustrato graso en respuesta a la inhibición del cotransportador 2 de sodio-glucosa en sujetos sin diabetes y pacientes con diabetes tipo 2. Diabetes 201665: 1190-1195). T2D, diabetes tipo 2.

Es de destacar que en los estudios PET (8), la captación de glucosa por unidad de masa es mayor en la grasa visceral que en la subcutánea (fig.2A), a pesar de la fuerte evidencia de que el primero conlleva un riesgo cardiometabólico independiente (9). Estudios de PET más recientes: combinación de [18 F] FDG con agua etiquetada ([15 O] H2O) para medir concomitantemente la captación de glucosa y la perfusión (10), han demostrado que el flujo sanguíneo es mayor en la grasa visceral que en la subcutánea, un hallazgo no reportado previamente en humanos (11). Por lo tanto, cuando se normaliza la captación de glucosa mediada por insulina mediante la tasa de flujo sanguíneo concomitante, la captación fraccionada de glucosa es dos veces más alta en la grasa subcutánea que en la visceral (Fig.2B). Estas relaciones cuantitativas de perfusión / eliminación corroboran la biología diferencial del tejido adiposo subcutáneo frente al visceral, es decir, el almacenamiento de triglicéridos frente a la rápida renovación de AGL (12). Además, y lo que es más importante, en los depósitos de grasa subcutáneos o viscerales, la captación fraccionada de glucosa estimulada por la insulina es similar en los individuos resistentes a la insulina y sensibles a la insulina, lo que indica que la captación en este tejido está mediada en gran medida por el flujo. Por el contrario, la captación de glucosa muscular se reduce notablemente en sujetos resistentes a la insulina tanto en términos absolutos como fraccionarios, es decir, es un fenómeno predominantemente celular (Fig.1).

A: Captación de glucosa por tejido adiposo visceral y subcutáneo (SubQ) y músculo esquelético en individuos sensibles a la insulina y resistentes a la insulina reconstruidos a partir de PET de captación de [18 F] FDG. Las barras indican la media ± SEM. Las estrellas indican significancia estadística entre grupos (PAG & lt 0,001 para todos). Rediseñado de Virtanen et al. (8). B: Captación fraccionada de glucosa (= tasa de captación / tasa de flujo sanguíneo) por el tejido adiposo visceral y subcutáneo y el músculo esquelético en individuos sensibles a la insulina y resistentes a la insulina (por [18 F] FDG y [15 O] H2O PET). Las barras indican la mediana y el rango intercuartílico. Rediseñado de Ferrannini et al. (10). ns, no significativo.

Como los miocardiocitos están ricos en receptores de insulina, el corazón humano es exquisitamente sensible a la insulina (13). Con el uso de [18 F] FDG-PET en pacientes con enfermedad coronaria, se encontró que la resistencia a la insulina del miocardio era proporcional a la resistencia a la insulina de todo el cuerpo (14) (Fig. 1 complementaria)A). Las células vasculares (endotelio y músculo liso) también transportan receptores de insulina, que participan en la vasodilatación inducida por agonistas dependientes del endotelio (p. Ej., Acetilcolina) e independientes del endotelio (p. Ej., Nitroprusiato de sodio). En pacientes con diabetes tipo 2, las respuestas vasodilatadoras del antebrazo tanto a la acetilcolina como al nitroprusiato se reducen en proporción al grado de resistencia a la insulina basada en el clamp (15) (Fig.1 complementaria).B). En los corazones de los pacientes con enfermedad coronaria, especialmente si son hipertensos, la arquitectura del miocardio a menudo está desordenada, y la combinación de resistencia a la insulina tisular y vasodilatación coronaria deteriorada puede causar un desajuste entre la perfusión y el metabolismo, de modo que algunas regiones musculares pueden estar perfundidas pero la insulina no responde (16). Cabe recordar que la insulina, una hormona filogenéticamente antigua, tiene propiedades vasoactivas (17), aunque a concentraciones fisiológicas estas son débiles en comparación con el óxido nítrico o la angiotensina. Sin embargo, la insulina, entre varios otros factores, está involucrada en la regulación de la microcirculación no solo en la retina, los riñones y el sistema nervioso periférico, sino también en la piel, el cerebro, el tejido adiposo y el músculo cardíaco y esquelético (18).

En el riñón, los receptores de insulina se expresan en varios tipos de células, desde podocitos hasta células epiteliales en toda la nefrona tubular (19). Las acciones de la insulina renal, y sus defectos, se describen en un gran número de estudios in vitro y en animales.Los estudios in vivo en humanos, sin embargo, son relativamente pocos, debido a la dificultad técnica inherente a la investigación de la perfusión renal y el metabolismo. Incluso concentrándose solo en la glucosa y el sodio, el riñón usa la glucosa como combustible, produce glucosa por gluconeogénesis y reabsorbe la glucosa filtrada a través de cotransportadores de sodio y glucosa. La gran carga de sodio filtrado es manejada por una plétora de intercambiadores antes de la excreción final (20). La mayor parte de la evidencia actual indica que la gluconeogénesis renal puede estar regulada al alza en estados de resistencia a la insulina, especialmente en el estado posprandial (21,22). Más recientemente, el uso combinado de tecnología no invasiva: exploración por PET de [15 O] H2O y 14 (R, S) - [18 F] fluoro-6-tia-heptadecanoato (un análogo de FFA de cadena corta), tomografía computarizada y resonancia magnética, ha permitido demostrar una mayor captación de FFA en la región cortical que en la medular y un aumento del volumen renal , flujo sanguíneo y captación de AGL en individuos obesos resistentes a la insulina (23). En pacientes resistentes a la insulina con diabetes tipo 2, la hiperinsulinemia fisiológica parece reducir la reabsorción tubular proximal de glucosa y sodio (24).

Estudios recientes han proporcionado evidencia in vivo de resistencia a la insulina en otros dos órganos periféricos, a saber, el cerebro y el intestino. Con respecto al cerebro, la insulina penetra en el sistema nervioso central tanto por transcitosis como a través de los huecos de la barrera hematoencefálica. Los receptores de insulina están ampliamente distribuidos en el cerebro, y se ha demostrado que la acción de la insulina en el cerebro, especialmente en el hipotálamo, regula las actividades del tejido metabólico periférico, incluida la supresión de la producción de glucosa hepática y la lipólisis en el tejido adiposo blanco y un aumento de la termogénesis en el tejido adiposo marrón. (25). Como se muestra en la exploración por PET, la captación de glucosa cerebral en ayunas no se ve afectada por la resistencia a la insulina, pero la hiperinsulinemia fisiológica conduce a la acumulación de glucosa cerebral en sujetos obesos resistentes a la insulina (26), un cambio que se asocia con una mayor producción de glucosa endógena (27). Parece que se produce una mayor captación de glucosa en las células astrogliales en lugar de en las neuronas y se acentúa en determinadas zonas del encéfalo. Lo que significa exactamente esta aparente paradoja para la actividad sináptica y la función neuronal es un área de intensa investigación.

En el duodeno y yeyuno humanos, la insulina aumenta la captación de glucosa, un efecto que se atenúa en los obesos y mejora con la pérdida de peso inducida por la cirugía bariátrica (28). Los mecanismos y el impacto fisiológico de la captación de glucosa yeyunal sensible a la insulina en humanos aún son inciertos (29).

El hígado es fundamental para la acción de la insulina en virtud de su conexión anatómica en serie con el páncreas, mientras que todos los demás tejidos se colocan en paralelo a la administración de insulina sistémica. De hecho, el hígado ve la insulina en concentraciones que son aproximadamente tres veces más altas que los niveles periféricos concomitantes. A diferencia de las ratas y los perros, en el hombre la hiperinsulinemia euglucémica no estimula la captación de glucosa en el tejido esplácnico por encima de los niveles en ayunas (es decir, una tasa de 0,6 mg ⋅ min −1 ⋅ kg −1 o ∼3% de la glucosa entrante) esta tasa, sin embargo, aumenta con hiperglucemia (30). Por el contrario, la producción de glucosa endógena es sumamente sensible a la insulina, que la suprime prácticamente por completo a concentraciones de insulina prehepática (calculadas) de 400 a 500 pmol / L (30). La resistencia de la producción de glucosa endógena a la supresión de insulina está presente en la obesidad y la diabetes (Figura complementaria 2A) la gluconeogénesis es la vía resistente en ambas condiciones, y la glucogenólisis tampoco se suprime normalmente en la diabetes tipo 2, lo que da lugar a hiperglucemia en ayunas (Fig.2 complementaria).B). Además, el aumento de la liberación de AGL resultante de la resistencia a la insulina del tejido adiposo (Fig.1) tiene dos consecuencias en el hígado: mejora la oxidación de lípidos, que proporciona la energía para la gluconeogénesis mejorada (Fig.3 complementaria), y acelera la reesterificación de FFA a triglicéridos, cuyo exceso se exporta como partículas de VLDL ricas en triglicéridos y se acumula en los hepatocitos como gotitas de lípidos. Por lo tanto, la dislipidemia diabética típica, es decir, triglicéridos altos y colesterol HDL bajo, y la esteatosis hepática son en gran medida resultados terminales de la resistencia a la insulina (31).

Función de la célula β

Las células β deben suministrar insulina a los tejidos corporales en cantidad y dinámica de tiempo aptas para mantener la glucosa plasmática dentro de un rango de concentración muy estrecho minuto a minuto. De hecho, la producción de insulina debe hacer frente a desafíos agudos, es decir, el tamaño, la composición y la velocidad de absorción de las comidas, así como adaptarse a entornos a largo plazo, como los cambios en la sensibilidad del tejido diana a la insulina. A medida que ejecutan estas tareas, las células β integran múltiples entradas, tanto excitadoras (glucosa pero también FFA, aminoácidos, incretinas, etc.) como inhibidoras (flujo de salida α-adrenérgico, somatostatina, etc.), y coordinan la activación intraislote (32 ). No es de extrañar, por tanto, que existan modos de respuesta insulínica diferentes, a veces incompatibles entre sí, según el estímulo que se aplique (glucosa oral o comida, bolo de glucosa intravenosa, pinza hiperglucémica, etc.) y la condición fisiopatológica en estudio. Para una descripción completa de la función de las células β, se han utilizado modelos matemáticos desde finales de la década de 1960. Desarrollamos un modelo que presenta los tres modos principales de respuesta de las células β identificadas en una gran cantidad de experimentos aislados de páncreas perfundidos: una función de respuesta a la dosis que relaciona la secreción de insulina con las concentraciones de glucosa plasmática concomitantes (es decir, sensibilidad a la glucosa), una función de respuesta temprana (es decir, , respuesta a la tasa de cambio de glucosa o sensibilidad de la tasa), y un factor de potenciación, que explica la modulación ascendente de la respuesta a la dosis por estímulos potenciadores dependientes del tiempo (p. ej., péptido similar al glucagón 1 [GLP-1] y sus agonistas de receptor) ( 33). Cuando se probó en datos recopilados de múltiples experimentos in vitro e in vivo, el modelo arrojó una buena evidencia de una vía de amplificación defectuosa de la respuesta secretora de las células β a la glucosa en la diabetes tipo 2 (34). Con este modelo utilizado en datos de cohortes clínicas, la sensibilidad a la glucosa de las células β se ha descrito como una función inversa continua de la glucemia posglucosa 2 h, mientras que la secreción absoluta de insulina estimulada por glucosa ha reproducido el patrón bifásico típico, es decir, aumento inicial seguido de disminución lenta y progresiva hasta la deficiencia de insulina (32). Por tanto, el aumento de la secreción de insulina que caracteriza los estados de tolerancia alterada a la glucosa es compensatorio (al aumento de los niveles de glucosa) pero desadaptativo en la medida en que aumenta el estrés secretor en las células β ya disfuncionales (fig. 3). En consecuencia, en estudios prospectivos de individuos con tolerancia normal a la glucosa, la sensibilidad a la glucosa conservada es un factor protector fuerte contra la progresión a disglucemia —independientemente de los factores de riesgo clínicos y resistencia a la insulina— mientras que la secreción absoluta de insulina es un factor de riesgo (35).

Relación contrastante de la secreción absoluta de insulina inducida por glucosa oral y la sensibilidad a la glucosa de las células β con la concentración de glucosa plasmática de 2 h en las etapas de tolerancia a la glucosa. Rediseñado a partir de datos de Ferrannini et al. (35). IGT, intolerancia a la glucosa NGT, tolerancia normal a la glucosa T2D, diabetes tipo 2.

El modelo también ha sabido consolidar dos nociones importantes. En primer lugar, en los sujetos con diabetes tipo 2, la sensibilidad a la glucosa se ve comprometida casi invariablemente en comparación con los sujetos emparejados sin diabetes, mientras que en las muestras post mortem de páncreas humano, la masa de células β se superpone ampliamente entre los pacientes con diabetes y los sujetos de control sanos y las reservas de insulina se reducen en solo un tercio en los primeros en comparación con los segundos (36). Por lo tanto, la disfunción de las células β no puede atribuirse únicamente a la desaparición real de las células β. En segundo lugar, el fenotipado fisiológico cuidadoso y el seguimiento de pacientes con obesidad mórbida con diabetes tipo 2 ha demostrado que la remisión de la diabetes no solo se asocia con la mejora notable en la sensibilidad a la insulina que se espera que siga a una pérdida de peso importante, sino que también se acompaña de una recuperación considerable de Función de las células β (37). Sorprendentemente, ya se puede detectar una mejora definitiva en la sensibilidad a la glucosa 15 días después de la operación, cuando la glucosa plasmática, las tasas de secreción de insulina y la sensibilidad a la insulina no cambian y no se ha producido una pérdida de peso medible (38) (Fig.4). De hecho, en series más grandes de pacientes, la sensibilidad preoperatoria a la glucosa de las células β predice el alcance y la durabilidad de la remisión de la diabetes casi independientemente del tipo de cirugía, derivación gástrica en Y de Roux, derivación biliopancreática o gastrectomía en manga. Este resultado, que se observa incluso en pacientes con diabetes de larga duración en tratamiento con insulina, implica obviamente que una fracción del complemento de células β está funcionalmente muda pero no muerta y puede volver a funcionar mediante la intervención. También habla del poder de la restricción calórica incluso a corto plazo, como la que prevalece durante la fase de recuperación quirúrgica (∼800 kcal / día), posiblemente ayudada por un aumento temprano de GLP-1.

Sensibilidad de las células β en pacientes con obesidad mórbida con diabetes tipo 2 antes, 14 días después y 1 año después de la cirugía bariátrica (derivación gástrica en Y de Roux), medida durante una prueba de comidas mixtas. Los gráficos son la media ± SEM sobre los rangos de glucosa plasmática observados en los diferentes grupos. Rediseñado de Nannipieri et al. (38).

La medición de la sensibilidad a la glucosa de las células β ha introducido un nuevo concepto en la diabetes tipo 1. En el Ensayo de Prevención de la Diabetes - Tipo 1 (DPT-1) de familiares de primer grado de sujetos con diabetes tipo 1, la disponibilidad de pruebas secuenciales de tolerancia oral a la glucosa permitió demostrar que en sujetos de alto riesgo que progresan a diabetes tipo 1 , el curso temporal de la glucemia es bifásico, con una meseta esencialmente estable seguida de un aumento abrupto en el rango de diagnóstico. Además, la trayectoria correspondiente de la sensibilidad a la glucosa muestra una disminución que anticipa el tiempo de transición glucémico en aproximadamente 0,7 años, mientras que la sensibilidad a la insulina comienza a deteriorarse solo después de que sobreviene la hiperglucemia (39) (Fig. 5).

Trayectorias en el tiempo de las concentraciones de glucosa plasmática de 2 h, sensibilidad a la glucosa de las células β, secreción de insulina posglucosa y sensibilidad a la insulina en familiares de alto riesgo de sujetos con diabetes tipo 1. Datos sincronizados en el momento del diagnóstico de diabetes (tiempo 0). Rediseñado de Ferrannini et al. (39).

Los mecanismos responsables del patrón bifásico de transición a la diabetes manifiesta no se han aclarado, pero es intrigante que el mismo patrón también se haya observado en cohortes de diabetes pre-tipo 2 (p. Ej., En el Estudio de Diabetes de la Ciudad de México [40]). durante períodos de seguimiento más prolongados que en la diabetes tipo 1 (Fig.4 complementariaA). Si bien el estrés intenso y prolongado es una posibilidad, la explicación puede estar en un principio de la física conocido como transición de fase: las variables fuertemente homeostáticas, como la concentración de glucosa en plasma, que están controladas por múltiples factores pueden estar en un estado de inestabilidad dinámica como resultado de múltiples defectos y puede ser impulsado a fallar por un pequeño deterioro adicional de un solo factor etiológico (39).

Con respecto a la potenciación, el páncreas perfundido temprano y los experimentos con animales indicaron que la secreción de insulina inducida por glucosa puede aumentarse mediante varios potenciadores, que van desde ciertos aminoácidos hasta sulfonilureas. Los primeros estudios en voluntarios sanos mostraron una fuerte mejora de la respuesta de la insulina cuando la glucosa oral se superpuso en una pinza hiperglucémica mientras se evitaban los cambios en la glucemia (41). Sobre la base de estos resultados, se postuló que la falta de un "factor intestinal" putativo podría participar de la hiperglucemia de la diabetes tipo 2 (42). El trabajo posterior ha establecido firmemente la identidad de las hormonas gastrointestinales (GLP-1, la incretina principal y el péptido inhibidor gástrico), cuantificó su papel en la potenciación de la insulina y estableció un efecto incretina defectuoso como una anomalía inherente de la diabetes tipo 2 (43). Si bien la búsqueda del origen y el mecanismo de dicho defecto está en curso, los estudios in vivo han indicado que la tolerancia a la glucosa y la obesidad hacen contribuciones independientes a la gravedad del defecto de incretina, lo que implica una mayor cantidad de AGL circulantes en la patogénesis (44) (Fig.6 ). Debido a que las concentraciones de incretinas circulantes no se reducen de manera constante en asociación con un defecto funcional de incretinas, está surgiendo el concepto de resistencia a incretinas. Debido a que el efecto de la incretina se define operativamente como la diferencia en la secreción de insulina estimulada entre la vía oral e intravenosa de llegada de nutrientes, la correspondiente resistencia a la incretina residiría en el islote. De acuerdo con esta noción, estudios de imágenes recientes que utilizan exendina marcada en islotes murinos y humanos muestran que los períodos de hiperglucemia reducen significativamente la expresión del receptor de GLP-1 (GLP-1R) y que la posterior normalización de la glucosa en sangre restaura la expresión de GLP-1R y detiene la pérdida observada. en el volumen del islote (45). Además, la resistencia a la incretina podría ser un problema global de las células β que ocurre también con otros secretagogos distintos de la glucosa.

Doble impacto de la tolerancia a la glucosa y la obesidad, como el IMC, sobre el efecto incretina. Rediseñado de Muscelli et al. (44). DM, diabetes mellitus IGT, intolerancia a la glucosa NGT, tolerancia normal a la glucosa.

Se sabe desde hace mucho tiempo que la secreción de glucagón aumenta paradójicamente en la diabetes tipo 2, lo que exacerba los efectos de la disminución de la liberación de insulina y la acción sobre los niveles de glucosa plasmática. Más recientemente, las estimaciones de la relación de concentración molar prehepática de insulina a glucagón han refinado la información sobre el control bihormonal del metabolismo hepático. En sujetos sanos, la proporción promedia 10 en estado de ayuno y se eleva a un pico de ~ 30 en respuesta a una comida mixta, lo que confirma el dominio general de la insulina sobre el glucagón. En los sujetos con diabetes tipo 2, el pico inicial de la relación insulina / glucagón se decapita y supera al de los sujetos control durante la fase tardía de la absorción de las comidas (Fig.5 complementaria).A). Es importante destacar que los cursos de tiempo de las tasas de secreción de insulina correspondientes coinciden estrechamente con los de la relación insulina / glucagón (Fig.5 complementaria).B), lo que confirma el estricto control de los primeros por parte de los segundos (37). También es de destacar que en estos sujetos con hiperglucemia moderada, la cantidad total de insulina liberada durante las 5 h de absorción de las comidas es muy cercana a la de los sujetos de control delgados (~ 11 unidades / m 2) a pesar de la glucemia más alta.

Interacciones entre la resistencia a la insulina y la disfunción de las células β

Se sabe desde hace mucho tiempo que la concentración de insulina en plasma es el punto de apoyo de una retroalimentación fisiológica entre la secreción de insulina y la acción de la insulina. De hecho, la resistencia a la insulina engendra hiperinsulinemia, principalmente a través de pequeños incrementos en los niveles de glucosa plasmática (pero también FFA y ciertos aminoácidos). A su vez, la hiperinsulinemia crónica deprime la acción de la insulina mediante la regulación a la baja de los receptores de insulina en los tejidos diana, así como al interferir con la señalización de la insulina intracelular (46). Según este paradigma, la hiperinsulinemia de los estados resistentes a la insulina se ha considerado típicamente como la adaptación compensatoria de la célula β (47). Sin embargo, estudios en animales y algunas observaciones en humanos han planteado la hipótesis de que en algunos individuos puede producirse un aumento inadecuado de la secreción de insulina independientemente de la resistencia a la insulina. Estudios recientes proporcionaron pruebas sólidas de dicha hipersecreción primaria de insulina mediante el uso de mediciones directas de la secreción de insulina inducida por glucosa y de la sensibilidad a la insulina (mediante la técnica de pinzamiento) y un criterio imparcial para definir la hipersecreción en sí (48). Con el uso de este enfoque, en los individuos "hipersecretores" la regulación de la glucosa fue anormal en comparación con los normosecretores a pesar de la hiperinsulinemia, y se anticipó una mayor disglucemia en el seguimiento. Por lo tanto, la producción excesiva de glucosa endógena podría identificarse como la fuente del exceso de glucemia, y se postularon influencias neurales directas al islote y al hígado (Fig. 7).

La hipersecreción de insulina con sensibilidad normal a la insulina se asocia con un aumento en lugar de una disminución de las concentraciones de glucosa en plasma debido al aumento de la producción de glucosa endógena (hepática). Se postulan influencias neuronales en los islotes y el hígado. Modificado de Reaven et al. (47).

En cuanto a los niveles de glucosa, la resistencia a la insulina y la disfunción de las células β son los mecanismos básicos de cualquier síndrome disglucémico, a los que hacen contribuciones cuantitativas variables en diferentes circunstancias patológicas (vías 1 y 2 en la figura 8). A su vez, la hiperglucemia retroalimenta tanto la acción de la insulina como la función de las células β a través de una serie de mecanismos [producto final de glicación avanzada, óxido nítrico sintasa endotelial, GAPDH, superóxido dismutasa de manganeso, factor nuclear κB, poli (ADP-ribosa) polimerasa, proteína quinasa C, especies reactivas de oxígeno, superóxido dismutasa, proteína desacoplante] indicada colectivamente como toxicidad por glucosa (discutida exhaustivamente en la Conferencia Banting de 2005 de Michael Brownlee [49]). En pocas palabras, la hiperglucemia crónica (y los cambios glucémicos más amplios) empeoran la función secretora de insulina (ruta 3 en la figura 8), así como la respuesta tisular a la insulina (ruta 4 en la figura 8) (revisada en 50). Es de especial interés la nueva evidencia que demuestra una retroalimentación directa entre los islotes y la sensibilidad a la insulina. Los islotes enfermos liberan moléculas señal (p. Ej., Citrato, glutamato, etc.) que podrían interferir con la acción de la insulina en los tejidos diana (ruta 5 en la figura 8). El sitio y el tamaño de estos efectos aún no se han dilucidado. Por el contrario, la presencia de resistencia a la insulina en individuos sin diabetes induce una hiperplasia generalizada del islote, con una expansión tanto del área de células β como de células α (ruta 6 en la figura 8). Estos cambios predisponen a una respuesta defectuosa de las células β e hipersecreción de glucagón cuando el sistema está sometido a estrés (p. Ej., Por pancreatectomía parcial, aumento de peso, etc.) (51). Tenga en cuenta que una consecuencia directa de la operación de múltiples retroalimentaciones fisiológicas es la marcada heterogeneidad del fenotipo clínico a nivel de población.

Principales vías e influencias fisiopatológicas en la diabetes tipo 2. Las líneas rojas y los números se refieren a los ciclos de retroalimentación, las asociaciones están en verde y las rutas al daño de los órganos terminales en azul. Vea el texto para mayor información.

Un tipo peculiar de respuesta de los islotes al estrés que ha recibido una atención cada vez mayor en los últimos años es la transdiferenciación. Como descubrió originalmente Domenico Accili y discutió en su Conferencia Banting de 2017 (52), las células β pueden desdiferenciarse y volverse inactivas y pueden revivirse con un tratamiento antihiperglucémico. Además, mediante un ciclo de transdiferenciación, las células α pueden servir como fuente de nuevas células β en modelos de pérdida extrema de células β (53). El impacto específico de la resistencia a la insulina en estos cambios de fenotipo celular y los mecanismos moleculares subyacentes son un área de intensa investigación, especialmente porque pueden representar nuevos objetivos terapéuticos.

Influencias genéticas

Se encuentra que un número cada vez mayor de loci genéticos está asociado con el riesgo de diabetes tipo 2 y sus complicaciones (54) o con la glucosa plasmática como un rasgo continuo. La mayoría de ellos resultan ser variantes comunes que se relacionan con la disfunción de las células β, pero algunos también se asocian con la resistencia a la insulina (55). Más recientemente, el descubrimiento de modificaciones epigenéticas ha agregado una capa adicional de influencias transmisibles a la imagen. Es importante destacar que las influencias adquiridas modulan no solo la sensibilidad a la insulina (clásicamente, el sedentarismo y la obesidad) sino también la función de las células β, a través de las toxinas presentes en los alimentos y los envases, la atmósfera y varios fármacos (ampliamente discutido por Barbara Corkey en su Conferencia Banting de 2011 [56 ]).

Diabetes tipo 2 como enfermedad sistémica

Se puede demostrar cierto grado de disfunción de las células β en todas y cada una de las condiciones de hiperglucemia, ya sean transitorias o permanentes. Por otro lado, mientras que la gran mayoría de los pacientes con diabetes tipo 2, y muchos con prediabetes, son resistentes a la insulina (57), el segmento de la población general que manifiesta una sensibilidad reducida (según algún criterio) a la insulina es mucho mayor que la fracción con diabetes. La obesidad (58), la hipertensión esencial (59), la dislipidemia (60) y otras patologías son estados de resistencia estable a la insulina, mientras que el ayuno, el embarazo, los traumatismos y las infecciones son ejemplos de resistencia transitoria a la insulina. El hecho de que la mayoría de los pacientes con diabetes tipo 2 tengan sobrepeso / obesidad, hipertensión y dislipidemia ha llevado a acuñar el término "síndrome de resistencia a la insulina" para indicar anomalías variables concomitantes del peso corporal y la distribución de grasas, glucosa, lípidos y sangre. presión en la población (47). Por lo tanto, si la prevalencia de la diabetes tipo 2 es del 5 al 10% en una población, la prevalencia del "síndrome" sería al menos el doble. Además, cada una de las comorbilidades está bajo la influencia de factores genéticos y adquiridos, que son en parte superponibles a los de la diabetes tipo 2 (p. Ej., Comer en exceso, sedentarismo) cada uno de ellos tiene una predisposición separada y antecede a los extremos macro y microcirculatorios. daño de órganos (Fig. 8). Es importante destacar que las trayectorias en el tiempo de la diabetes tipo 2 y las comorbilidades se cruzan con frecuencia. Por ejemplo, en individuos normoglucémicos, la presencia de hipertensión esencial es un predictor independiente de diabetes incidente y, a la inversa, en individuos normotensos la presencia de diabetes es un predictor independiente de hipertensión incidente (61). De hecho, el síndrome de resistencia a la insulina se remonta a la infancia (62), y se ha descrito evidencia de hipersecreción primaria de insulina en jóvenes, con características similares a las de los adultos (48). Por otro lado, existe evidencia de que la prediabetes en sí misma es un factor de riesgo de enfermedad cardiovascular (ECV) (63), lo que llevó, hace más de dos décadas, a la hipótesis de un “suelo común” para el complejo diabetes / ECV ( 64). El desarrollo de plataformas "-ómicas" (para variantes de genes, transcripciones, proteínas, metabolitos, etc.) está avanzando rápidamente hacia la identificación de biomarcadores de dicho grupo de diabetes (65). Estas búsquedas "-ómicas" producen casi invariablemente redes en lugar de "aciertos" únicos, al igual que la investigación clínica evoca grupos o síndromes. Intuitivamente, tirar de un nodo en una red distorsiona los nodos vecinos y las ramas en proporción a su fuerza de enlace. Por lo tanto, descriptores como síndrome, complejo y red implican en esencia que la diabetes, en todas sus etapas, puede considerarse operativamente como una enfermedad sistémica, cuyas principales características son la alta frecuencia y la heterogeneidad.

El tratamiento de la diabetes tipo 2, por el contrario, ha sido bastante uniforme: la reducción de la glucemia sigue siendo la piedra angular y la HbA1c su métrica. El éxito suele ser modesto, ya que la normoglucemia rara vez se logra sin pagar el precio de la hipoglucemia y el aumento de peso, y las complicaciones vasculares siguen siendo más frecuentes que en las poblaciones sin diabetes. La compleja patogénesis de la hiperglucemia ha sido reconocida por ensayos de combinaciones de fármacos dirigidos tanto a la disponibilidad de insulina (endógena y exógena) como a la resistencia a la insulina (57) el complejo más amplio de diabetes / ECV se ha abordado mediante una intervención multifactorial (sobre glucosa, colesterol LDL, presión arterial, y fumar como en el estudio Steno-2 [66]).

La farmacología más reciente ha aprovechado la biología de las incretinas al demostrar que los miméticos de las incretinas no solo potencian la secreción de insulina, sino que también reducen los niveles de glucagón y ralentizan el vaciado gástrico (57). Pero los desarrollos más recientes, y menos esperados, se han centrado en las enfermedades cardiovasculares y la enfermedad renal al mostrar que los fármacos antihiperglucémicos más nuevos (inhibidores del cotransportador de sodio-glucosa 2 y agonistas de GLP-1R) pueden reducir la hospitalización por insuficiencia cardíaca, la progresión de la insuficiencia renal y , en menor medida, ECV aterosclerótica (57). Los mecanismos de estos beneficios parecen depender poco de la potencia hipoglucemiante del fármaco; de lo contrario, todavía se comprenden de forma incompleta, aunque son definitivamente diferentes entre los inhibidores del cotransportador 2 de sodio y glucosa (67) y los agonistas del GLP-1 (68).

Por tanto, una perspectiva plausible para un futuro no muy lejano es que la naturaleza sistémica de la diabetes se registre en la práctica clínica en tres áreas principales: optimización de la terapia de comorbilidad, intervención más temprana y uso más amplio de nuevos fármacos antidiabéticos. Entonces, ¿qué explica la pausa entre la disminución de las complicaciones de la diabetes y la mortalidad (3) y el control glucémico persistentemente insuficiente? Se podría argumentar que una vez que se rompe una homeostasis estricta, la reversión total es intrínsecamente poco realista o incluso que el control estricto de la glucemia no es crucial para la supervivencia. Sin embargo, otra explicación invoca el papel de la obesidad. La obesidad es un estado prototípico de resistencia a la insulina y sigue siendo el principal factor de riesgo de diabetes tipo 2 (69). Menos apreciado es que la obesidad a largo plazo, con el consiguiente aumento crónico de la oxidación de lípidos (70), puede causar cierto grado de "agotamiento" de las células β incluso en ausencia de riesgo genético (71), que puede ser el culpable de la relativa refractariedad del control de la glucosa. De hecho, la pérdida de peso, mediante cirugía bariátrica (37) o una dieta muy baja en calorías (72), tiene efectos poderosos sobre la glucemia. Sin embargo, la intervención ordinaria en el estilo de vida sobre la obesidad está plagada de una alta tasa de fracaso. De ello se deduce que se deben realizar más esfuerzos para prevenir la obesidad, especialmente en los jóvenes (73), tanto a nivel poblacional como individual.


Métodos

Estrategia para Gcgr Interrupción genética.

A 10,5 kb HindIII / Fragmento EcoRI del murino Gcgr Se utilizó el gen (9) para construir el vector de direccionamiento (Fig.6 A y B, que se publica como información de apoyo en el sitio web de PNAS, www.pnas.org). Los exones 3-6 se reemplazaron con un casete de resistencia a neomicina promovido por fosfogliceato quinasa, y el gen de timidina quinasa de selección negativa se diseñó en los extremos 3 'y 5'. Se sometió a electroporación el plásmido linealizado SfiI (25 μg) en células madre embrionarias de la Segunda Guerra Mundial (~ 5 x 106 células), como se describe (11). Southern confirmó el direccionamiento positivo del alelo mutante (Fig.6B) y / o análisis de PCR (datos no mostrados).

Animales.

Los animales se alimentaron ad libitum a menos que se indique lo contrario y se mantuvieron en una instalación de barrera libre del virus de la hepatitis murina en un ciclo de 12 horas de luz / 12 horas de oscuridad. Ratones retrocruzados (F6 y F7) en el fondo C57 / BL6J y se estudiaron los controles de compañeros de camada, y se confirmaron los principales hallazgos en machos y hembras (véanse las Figuras 7 y 8, que se publican como información de apoyo en el sitio web de PNAS) a partir de dos líneas independientes. Todos los datos presentados son de ratones machos a menos que se indique lo contrario. Todos los protocolos fueron aprobados por los comités institucionales de uso y cuidado de animales.

Mediciones de la almohadilla de grasa del hígado y del epidídimo.

Las preparaciones de la membrana plasmática hepática (12), los estudios de unión (13), la acumulación de AMPc estimulada por hormonas (13) y la determinación de los niveles de glucógeno (14, 15) fueron los descritos anteriormente. Se midió la lipólisis del tejido adiposo blanco (WAT) como en la ref. dieciséis.

Prueba de tolerancia a la glucosa intraperitoneal (IPGTT), desafío de glucagón (GC) y prueba de tolerancia a la insulina (ITT).

Después de un período de ayuno de 12 a 16 h (IPGTT) y 6 h (GC e ITT), los ratones conscientes fueron i.p. administró una carga de glucosa de 1,5 g / kg, 16 μg / kg de glucagón humano o 0,75 unidades / kg de insulina porcina. Se extrajo sangre de la cola en los tiempos indicados y se determinaron los niveles de glucosa usando un medidor de glucosa OneTouch II (LifeScan, Milpitas, CA).

Metabolitos y hormonas plasmáticas.

El plasma se obtuvo de sangre retroorbital centrifugada a 5000 × gramo. El lactato y los ácidos grasos libres se midieron utilizando kits de Sigma y Wako Chemicals (Neuss, Alemania), respectivamente. Las químicas clínicas se realizaron en un autoanalizador Synchron CX5 (Beckman Instruments, High Wycombe, Reino Unido). Se determinaron los triglicéridos, la glucosa, el colesterol y las lipoproteínas de alta densidad utilizando kits humanos estándar. Las lipoproteínas de baja densidad se analizaron mediante un método definido por el usuario (Diagnostic Chemicals, Charlottetown, Canadá). Los niveles de insulina y leptina se determinaron con ELISA murino (Crystal Chem, Chicago). El glucagón, la corticosterona, el factor de crecimiento similar a la insulina-1 y la epinefrina se determinaron con RIA de Linco Research Immunoassay (St. Charles, MO), DPC (Los Ángeles), Mediagnostics (Hamburgo, Alemania) y DLD Diagnostika (Adlerhorst, Alemania). ), respectivamente.

Extracción de hormonas pancreáticas.

Después de la dislocación cervical, el páncreas se fijó rápidamente por congelación en nitrógeno líquido y se almacenó a -80 ° C hasta su procesamiento. Los tejidos se pesaron y luego se homogeneizaron dos veces en 2,5 ml de ácido trifluoroacético al 0,5% usando un homogeneizador de vidrio / vidrio y se dejaron durante 1 hora a 4ºC. Las muestras se volvieron a homogeneizar, se centrifugaron a 10.000 × gramoy los sobrenadantes se almacenaron a -20 ° C. Antes del análisis, los extractos se purificaron en cartuchos SepPak C18 (Waters) (17). Las concentraciones de hormonas se determinaron mediante el uso de RIA establecidos con anticuerpos específicos para la región central de GLP-1 (GLP-1 total) o el extremo C amidado, que se han descrito (17).

Ingesta de alimentos y peso corporal.

La ingesta acumulada de alimentos y el peso corporal se midieron una vez por semana en ratones alojados en grupo (cuatro ratones por jaula) durante 19 semanas. Además, se tuvo acceso a la ingesta de alimentos en ratones alojados individualmente, como se describe a continuación.

Calorimetría indirecta.

Los ratones se alojaron individualmente y se aclimataron a las jaulas del calorímetro durante 1 día antes de 2 a 3 días de la recopilación de datos sobre los intercambios de gases y la ingesta de alimentos. La calorimetría indirecta se realizó con un sistema de calorimetría de circuito abierto controlado por computadora (Oxymax, Columbus Instruments, Columbus, OH) compuesto por cuatro cámaras respiratorias equipadas con piso de alambre elevado de acero inoxidable, botella de agua y bandeja de alimentos conectada a una balanza. Consumo de oxígeno y CO2 La producción se midió para cada ratón a intervalos de 6 minutos y los valores de referencia del aire exterior se determinaron después de cada 10 mediciones. Los ajustes del instrumento fueron: caudal de gas = 0,5 litros / min tiempo de asentamiento = 240 segundos tiempo de medición = 60 segundos. Los sensores de gas se calibraron diariamente con estándares de gas primarios que contienen concentraciones conocidas de O2, CO2, y N2 (Tech Air, White Plains, Nueva York). Se utilizó un medidor de flujo másico para medir y controlar el flujo de aire. El oxígeno se midió mediante un sensor electroquímico basado en una batería de aire de metal de difusión limitada. CO2 se midió con un sensor espectrofotométrico. El cociente respiratorio se calculó como la relación entre CO2 producción (litros) sobre O2 consumo (litros). El gasto energético se calculó mediante la ecuación: EE = (3.815 + 1.232 × VCO2/ VO2) × VO2.

Análisis de resonancia magnética.

Los datos de resonancia magnética se adquirieron utilizando un espectrómetro GE Omega 400WB (General Electric). Se colocaron ratones anestesiados en la bobina de resonancia magnética y se adquirieron imágenes y espectros de protones. La masa grasa se calculó según lo descrito por Stein et al. (18). El contenido de grasa se analizó mediante un método de umbral basado en el análisis de histograma de la región de interés.

Antisueros e inmunohistoquímica.

La antiinsulina de cobaya y el antiglucagón monoclonal de ratón Glu-001 y la antisomatostatina se obtuvieron de Novo Nordisk A / S (Bagsvaerd, Dinamarca) o ICN y se describieron previamente (19). La inmunohistoquímica y el procesamiento de imágenes se realizaron como se describe (20). Los anticuerpos secundarios isotiocianato de fluoresceína, Cy-2 y conjugados con rojo Texas eran de Jackson ImmunoResearch, Alexa 546 de cabra anti-ratón de Molecular Probes y FITC de conejo anti-conejillo de indias de DAKO.

Análisis estadístico.

Los datos son la media ± SEM. La significación estadística se determinó mediante ANOVA utilizando la prueba post hoc de comparaciones múltiples de Bonferroni cuando fuera apropiado. Estudiante de dos colas no emparejado t La prueba se aplicó a todos los demás análisis estadísticos.


Supervivencia paradójica: examen del efecto Parrondo en la biología

Inspirada por el parpadeo del trinquete browniano, la paradoja de Parrondo es un fenómeno contrario a la intuición en el que dos juegos perdedores, cuando se juegan en un orden específico, sorprendentemente pueden terminar ganando. Por ejemplo, las máquinas tragamonedas están diseñadas para garantizar que los jugadores pierdan a largo plazo. "Lo que dice la paradoja es que podría haber máquinas tragamonedas que estén sutilmente vinculadas de tal manera que jugar cualquiera de las dos de forma independiente conducirá a un desastre financiero, pero cambiar entre ellas eventualmente dejará al jugador más rico que antes", dijo el autor principal. , Profesor asistente Kang Hao Cheong de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD).

Para explorar la plétora de aplicaciones interesantes en biología, los investigadores de SUTD han examinado una amplia gama de desarrollos recientes de la paradoja de Parrondo en biología, en ecología y evolución, genética, sistemas sociales y conductuales, procesos celulares y enfermedades.

Su estudio, que aparece en un número reciente de BioEnsayos, ha identificado conexiones clave entre numerosas obras aparentemente inconexas, que culminan en un patrón emergente de mecánicas recurrentes anidadas que parecen abarcar toda la gama biológica, desde la más pequeña de las escalas espaciales y temporales hasta la más grande. Los autores explicaron que el papel fundamental que juega la paradoja en la configuración de los sistemas vivos se ha vuelto cada vez más evidente, lo que apunta fuertemente hacia su identidad potencial como un principio universal subyacente a la diversidad biológica y la persistencia.

"Los avances en la paradoja de Parrondo hasta la fecha han revelado una característica fundamental unificadora potencial de la vida misma, más valiosa para nuestra comprensión de la naturaleza que sus componentes individuales", dijo el coautor Jin Ming Koh.

El cuadro que los autores pintan de la realidad biológica es sorprendente. Su trabajo sugiere que la biosfera podría estar respaldada por innumerables capas de efectos paradójicos de Parrondo, cada uno ingiriendo inevitablemente estrategias perdidas y produciendo resultados mejorados a una escala temporal o espacial ligeramente mayor para la capa superior, en lo que puede visualizarse como un fractal. patrón recurrente. Estas imágenes ofrecen una nueva perspectiva de nuestra visión de la naturaleza y de nosotros mismos.

El trío ahora está tratando de analizar la estructura detallada de estos mecanismos, que podrían abarcar desde escalas espaciales enormemente macroscópicas de ecosistemas completos hasta el funcionamiento molecular interno de las células, y desde escalas de tiempo de evolución de millones de años hasta procesos genéticos y moleculares submicroscópicos. . "Cada célula, organismo y especie, y conjunto de especies y ecosistema, es necesariamente mortal, pero la biosfera persiste", dijo el profesor asistente Cheong.


GLUCAGON

Glucagón -productoras de células alfa representan una de las primeras poblaciones de células de los islotes detectables en el páncreas endocrino en desarrollo. Glucagón generalmente se considera una hormona que se opone a la acción de la insulina en los tejidos periféricos, predominantemente el hígado, donde la insulina: glucagón La proporción determina el intrincado control de la gluconeogénesis y la glucogenólisis. La acción de glucagón en el hígado es complejo e implica la regulación coordinada de factores de transcripción y redes de transducción de señales que convergen en la regulación del metabolismo de aminoácidos, lípidos y carbohidratos. Para obtener una descripción general de los conocimientos recientes seleccionados sobre las señales descendentes activadas después de la activación de la función hepática glucagón receptor, ver CREB regula la gluconeogénesis hepática a través del coactivador PGC-1. Naturaleza. 2001 Sep 13413 (6852): 179-83 y CREB controla el metabolismo de los lípidos hepáticos a través del receptor de hormonas nucleares PPAR-mgama. Naturaleza. 2003 Nov 13426 (6963): 190-3. y el glucagón reprime la señalización a través del objetivo de mamíferos de la rapamicina en el hígado de rata mediante la activación de la proteína quinasa activada por AMP. J Biol Chem. 19 de octubre de 2004 [Publicación electrónica antes de la impresión].

Aunque las comidas generalmente suprimen glucagón secreción de la célula alfa normal, los sujetos con diabetes exhiben con frecuencia un control desordenado de glucagón secreción que conduce a un exceso de producción de glucosa hepática. Dadas las relaciones estructurales entre glucagón , oxintomodulina y glicentina, muchos ensayos comerciales que afirman medir 29 aminoácidos pancreáticos glucagón puede presentar falta de especificidad y, en ocasiones, problemas de sensibilidad. Hiperglucagoniemia analizada por ELISA sándwich de glucagón: ¿interferencia inespecífica o niveles realmente elevados? Diabetologia. 2014 Sep57 (9): 1919-26 y Especificidad y sensibilidad de ensayos disponibles comercialmente para la medición de glucagón y oxintomodulina en humanos Eur J Endocrinol. 2014 marzo 8170 (4): 529-38

Biosíntesis de glucagón

La liberación específica de tejido de proglucagón está controlada por la expresión celular específica de las enzimas convertasa prohormona (PC). Un papel esencial para PC2 en el procesamiento de proglucagón de los islotes es revelado por estudios del ratón knockout PC2. Este ratón tiene hipoglucemia leve, niveles elevados de proinsulina y presenta un defecto importante en el procesamiento de proglucagón a páncreas maduro. glucagón y las células alfa de los islotes murinos secretan proglucagón a partir de gránulos secretores atípicos. Ver Procesamiento incompleto de proinsulina a insulina acompañado de elevación de intermedios de proinsulina Des-31,32 en islotes de ratones que carecen de PC2 activa. J Biol Chem. 1998 Feb 6273 (6): 3431-7 y Defecto severo en el procesamiento del proglucagón en las células A de los islotes de ratones nulos para convertasa 2 de prohormona. J Biol Chem. 2001 julio 20276 (29): 27197-202

Un componente importante del fenotipo exhibido por el Ratón knockout PC2, a saber, hipoglucemia leve e hiperplasia de células alfa marcada, parece atribuible a niveles defectuosos de circulación glucagón , como glucagón el reemplazo por minibomba osmótica corrigió la hipoglucemia y produjo una disminución significativa en el número de células alfa hiperplásicas. La remodelación del islote fue detectable a los 11 días, y después de 25 días, los islotes PC2 - / - se parecían a los islotes de tipo salvaje. La apoptosis de los islotes y las células alfa parece contribuir al proceso de remodelación, lo que implica un papel importante para un umbral de circulación glucagón en la regulación de la proliferación y supervivencia de las células alfa y de los islotes.Consulte Reemplazo de glucagón mediante bomba microosmótica que corrige hipoglucemia e hiperplasia de células beta en ratones knockout para prohormona Convertasa 2. Diabetes. 51 de febrero de 2002 (2): 398-405

Glucagón también se sintetiza en el SNC, donde sus acciones pueden incluir la regulación de la glucorregulación periférica, pero siguen siendo menos conocidas.

Glucagón la liberación es estimulada por hipoglucemia e inhibida por hiperglucemia, insulina y somatostatina. El efecto inhibidor de la somatostatina parece estar mediado a través del receptor SST-2, como se revela a través de estudios que utilizan un antagonista del receptor selectivo de SST-2 DC-41-33. Este compuesto mejorado glucagón liberación en estudios que utilizan islotes de rata aislados, islotes de rata aislados perifusados ​​y páncreas de rata perfundido aislado, como se muestra en Intra-Islet La somatostatina regula la liberación de glucagón a través de receptores de somatostatina de tipo 2 en ratas. Diabetes. 2003 May52 (5): 1176-81

Secreción de glucagón

¿Cómo detecta y responde la célula del islote a los cambios en la glucosa en sangre y qué sale mal ante la hipoglucemia repetida?

Un problema importante en los pacientes diabéticos con hipoglucemia repetida es el desarrollo de respuestas contrarreguladoras defectuosas que incluyen reducción o ausencia glucagón respuestas a la hipoglucemia. Por lo tanto, comprender cómo y por qué el sistema nervioso autónomo y los islotes y las células alfa desarrollan defectos en glucagón La secreción que conduce a la insensibilidad a la hipoglucemia es un desafío importante en la investigación de la diabetes.

Curiosamente, las hormonas incretinas GIP y GLP-1 tienen efectos divergentes sobre la secreción de glucagón, con GIP estimulante pero inhibiendo GLP-1 glucagón secreción. En islotes aislados, los efectos inhibidores del GLP-1 no están asociados con el aumento de la secreción de insulina o somatostatina, pero implican la señalización de PKA. La expresión del receptor de GLP-1 fue detectable pero muy baja en las células a aisladas purificadas, mientras que los receptores GIPR y adrenérgicos fueron considerablemente más abundantes en las células a. Sólo el 1% de las células α eran inmunopositivas a GLP-1R. Las bajas concentraciones de forskolina también inhibieron la secreción de GLP-1 en islotes murinos. La activación de Epac2 imitó el efecto estimulante de la forskolina y la adrenalina sobre la exocitosis de células alfa y se requirió Epac2 para los efectos estimulantes de la adrenalina. El GLP-1 también moduló la activación del potencial de acción en células α aisladas. El GLP-1 inhibe y la adrenalina estimula la liberación de glucagón mediante la modulación diferencial de la exocitosis dependiente de los canales de Ca2 + de tipo N y L Cell Metab. 2010 junio 911 (6): 543-53

Los estudios clásicos de las células & alfa aisladas por Pipeleers y sus colegas han demostrado diferencias importantes entre las células & alfa y las células beta y sus respectivas respuestas a las concentraciones variables de glucosa. Los primeros estudios clásicos demostraron cómo se regulan la glucosa, los nutrientes, la insulina y la somatostatina glucagón vías de secreción y transducción de señales en células alfa y de rata purificadas, como se describe en Interacción de nutrientes y hormonas en la regulación de la liberación de glucagón. Endocrinología. 1985 Sep117 (3): 817-23.

La administración de inhibidores de SGLT2 se ha asociado con un aumento glucagón secreción en sujetos humanos diabéticos y aumento de la producción de glucosa hepática La dapagliflozina mejora la sensibilidad a la insulina muscular pero aumenta la producción de glucosa endógena J Clin Invest. 2014 Feb124 (2): 509-14 y 2014 Feb124 (2): 499-508. Bonner y sus colegas demostraron que las células a de roedores y humanos expresan una proteína SGLT2 funcional, que está regulada a la baja en roedores con hiperglucemia experimental. La reducción genética o farmacológica de la expresión / actividad de SGLT2 aumentó la expresión de Gcg de los islotes y glucagón secreción. Por lo tanto, la detección de glucosa mediada por SGLT2 en las células puede representar una respuesta adaptativa para prevenir la hipoglucemia La inhibición del transportador de glucosa SGLT2 con dapagliflozina en las células alfa pancreáticas desencadena la secreción de glucagón Nature Medicine (2015) doi: 10.1038 / nm.3828

¿Cómo inhibe la insulina? glucagón ¿secreción? Si bien algunos estudios invocan un papel inhibidor directo de los receptores de insulina en islotes y células alfa,

La señalización de insulina en las células alfa modula la secreción de glucagón in vivo Cell Metab. 9 de abril de 2009 (4): 350-61 otros experimentos duplican un papel indirecto de la insulina, que actúa a través de las células d productoras de somatostatina, reguladas en parte por SGLT-2 en las células d, para suprimir glucagón secreción en islotes de ratón y en ratones in vivo. La insulina inhibe la liberación de glucagón mediante la estimulación inducida por SGLT2 de la secreción de somatostatina Nat Commun. 2019 de enero de 1110 (1): 139. doi: 10.1038 / s41467-018-08193-8

Hay relativamente poca información sobre el estudio de glucagón biosíntesis y secreción utilizando células a humanas. El laboratorio de Kieffer, en colaboración con Betalogics / Centocor, ha informado de la derivación de una nueva población de humano células de los islotes con un fenotipo de células a altamente diferenciado que utilizan células madre embrionarias humanas como material de partida. El cribado de alto rendimiento permitió la identificación de múltiples moléculas pequeñas, que se combinaron con factores de crecimiento y diferenciación establecidos, para dirigir la diferenciación de las células alfa después del paso secuencial a través de un proceso de 6 etapas, utilizando marcadores validados para la diferenciación de islotes y células alfa. Los grupos de la etapa 6 expresaron Pc2, Arx pero no pdx-1. Incluso en la etapa 5, un número considerable de células de los islotes coexpresaron glucagón e insulina mientras que en la etapa 6, un mayor enriquecimiento para glucagón -se logró la producción de células. Se observó cierta proliferación celular dentro de los grupos de células de la etapa 6. Glucagón la secreción fue estimulada por arginina y KCL e inhibida por somatostatina. Secreción de glucagón de células trasplantadas in vivo se reguló en direcciones apropiadas con ayuno y alimentación. Los niveles plasmáticos de GLP-1 también se elevaron en ratones que recibieron trasplantes de células α. Producción de células alfa secretadoras de glucagón funcionales a partir de células madre embrionarias humanas Diabetes. 22 de octubre de 2010 [Publicación electrónica antes de la impresión]

En ratas purificadas y células beta, la concentración intracelular de glucosa o 3-O-metil-D-glucosa se equilibra en 2 minutos con los niveles extracelulares y, como en los islotes intactos, la tasa de oxidación de la glucosa muestra una curva dosis-respuesta sigmoidea. para la glucosa. Por el contrario, incluso después de 5 min de incubación, el espacio de distribución aparente de D-glucosa o 3-O-metil-D-glucosa en las células a permanece mucho más bajo que el volumen intracelular. En las células a, tanto la tasa de absorción de 3-O-metil-D-glucosa como la oxidación de la glucosa proceden de manera proporcional a la concentración de hexosa hasta 10 mM y alcanzan la saturación a concentraciones más altas, mientras que la insulina exógena no afecta a la 3-O-metil -Absorción de D-glucosa o D-glucosa y oxidación de glucosa por células alfa purificadas. Consulte Diferencias en el manejo de glucosa por células A y B pancreáticas. J Biol Chem. 1984 enero 25259 (2): 1196-200.

Los estudios que utilizaron islotes de ratas, células alfa purificadas aisladas y antagonistas de GABA han proporcionado evidencia de que las subunidades del receptor GABA se expresan en células alfa y que la inhibición de la activación del receptor GABA se asocia con una falla total de la glucosa para suprimir glucagón secreción. Consulte La inhibición por glucosa de la secreción de glucagón a partir de células alfa de rata está mediada por GABA liberado de células beta vecinas. Diabetes. 2004 abril 53 (4): 1038-45

Estudios elegantes de Wang y sus colegas demuestran que la insulina induce la activación de los receptores GABA (A) en las células alfa mediante la translocación del receptor GABA a través de una vía dependiente de la quinasa Akt. Esto conduce a la hiperpolarización de la membrana en las células alfa y, en última instancia, a la supresión de glucagón secreción. Por tanto, la insulina puede inhibir directamente glucagón secreción e indirectamente potencian los efectos inhibidores del GABA concomitante liberado por las células beta-Ver La insulina intra-islote suprime la liberación de glucagón a través del sistema receptor GABA-GABA (A). Cell Metab. 2006 3 de enero (1): 47-58

Además, la respuesta secretora de las células α puede modificarse, en una vía autorreguladora, mediante la secreción de L-glutamato que, a su vez, desencadena la secreción de ácido gamma-aminobutírico (GABA) de las células β. Ver El receptor metabotrópico de glutamato tipo 4 participa en una cascada autoinhibidora de la secreción de glucagón por las células alfa del islote de Langerhans. Diabetes. 53 de abril de 2004 (4): 998-1006.

Por el contrario, experimentos similares que utilizan células α murinas aisladas demuestran que la glucosa y la insulina, pero no el zinc, ejercen un efecto inhibidor sobre la regulación de glucagón la secreción en islotes murinos normales, células a disociadas o la línea celular aTC-1, como se demuestra en glucosa o insulina, pero no en iones de zinc, inhibe la secreción de glucagón a partir de células a pancreáticas de ratón. Diabetes. 2005 junio 54 (6): 1789-9

La complejidad de cómo controla la glucosa glucagón Hutchens y Piston destacaron aún más la secreción de las células alfa individuales frente a los islotes que retienen su relación anatómica normal, quienes revelaron un papel de la señalización de efrina en la inhibición paracrina de tónico glucagón secreción. La señalización de efrina en las células de los islotes se manipuló a través de ligandos sintéticos de IgG-efrina. La manipulación de la señalización de efrina a niveles bajos de glucosa en comparación con niveles altos de glucosa produjo los cambios correspondientes esperados en la insulina y glucagón secreción tanto en islotes murinos como humanos. El antagonismo agudo de los receptores de insulina y somatostatina se utilizó para determinar los efectos directos frente a los indirectos de la señalización de efrina en glucagón secreción. La pérdida de señalización de EphA4 en ratones KO produjo una mejora glucagón secreción de los islotes & alphaEpha4 - / - en comparación con los islotes de tipo salvaje tanto en niveles bajos como altos de glucosa. Los autores proporcionan evidencia de la complejidad de la modulación de la insulina y de la efrina, dependiente de la glucosa y mediada por la efrina. glucagón secreción, probablemente a través de mediadores paracrinos aún no identificados La señalización directa del receptor EphA4 inhibe la secreción de glucagón de las células alfa

Un estudio contrastante que utilizó el páncreas de rata Wistar diabético perfundido llegó a conclusiones opuestas, a saber, una disminución en la concentración local de zinc, pero no de insulina, resultó en una mejora en la función de las células alfa. Consulte El zinc, no la insulina, regula la respuesta de las células alfa de rata a la hipoglucemia in vivo. Diabetes. 22 de febrero de 2007 [Publicación electrónica antes de la impresión]

El efecto directo de la glucosa en las células pancreáticas y alfa es difícil de estudiar debido al desafío de aislar una población de células alfa puras independientemente de las células beta contaminantes. La glucosa generalmente inhibe las células alfa en el contexto de islotes enteros. Una respuesta bifásica de células alfa reguladas por glucosa, con inhibición de glucosa, estimula la liberación de glucagón en células alfa individuales de rata mediante mecanismos que reflejan el acoplamiento estímulo-secreción en células beta. Endocrinología. 2005 noviembre 146 (11): 4861-70. y en Estimulación paradójica de la secreción de glucagón por altas concentraciones de glucosa. Diabetes. 2006 agosto 55 (8): 2318-23. De manera similar, mientras que elevar la concentración de glucosa a 20 mM aumentó significativamente la cantidad de Ca2 + que ingresa a las células beta, el azúcar no tuvo efecto sobre la entrada de Ca2 + en las células alfa como se describe en La glucosa estimula la entrada de Ca2 + en las células beta productoras de insulina pero no en las células alfa 2 productoras de glucagón. Acta Physiol Scand. 1987 Oct131 (2): 230-4. La importancia de la somatostatina para la supresión de glucosa mediada glucagón La secreción se ilustra mediante estudios con ratones SST - / -, que no muestran supresión de la secreción de glucagón mediada por glucosa en estudios que utilizan islotes aislados. La somatostatina secretada por las células de los islotes cumple múltiples funciones como regulador paracrino de la función de los islotes. Diabetes 4 de noviembre de 2008 10.2337 / db08-0792

Curiosamente, se ha demostrado que la gastrina estimula la secreción de glucagón en algunos modelos experimentales, pero no en todos, y el páncreas endocrino fetal contiene una gran cantidad de gastrina, por lo que la expresión de la gastrina de los islotes disminuye después del nacimiento. La gastrina, junto con los ligandos del receptor de EGF, puede promover la expansión de la masa de los islotes mediante una neogénesis mejorada de los mismos. Los ratones con alteración del gen de la gastrina exhiben islotes normales y niveles basales de páncreas. glucagón contenido, pero exhiben hipoglucemia leve, una respuesta de secreción de glucagón defectuosa a la hipoglucemia inducida por insulina. Ver hipoglucemia, secreción defectuosa de glucagón en los islotes, pero masa de islotes normal en ratones con una alteración del gen de la gastrina Gastroenterology 2003 125: 1164-174

Kawamori y sus colegas demostraron un papel importante para el receptor de insulina, y por inferencia de la insulina, en el control de la función de la célula a en su análisis de un ratón con deleción específica de la célula a del receptor de insulina. Estos ratones exhibieron una modesta hiperglucagonemia en el estado de alimentación basal y mejoraron glucagón secreción en respuesta a arginina o hipoglucemia. Estos hallazgos implican que la señalización del receptor de insulina basal es importante para la inhibición tónica de la célula a. La señalización de la insulina en las células alfa modula la secreción de glucagón in vivo Cell Metab. 9 de abril de 2009 (4): 350-61.

Un papel para el dominio Per-arnt-sim (PAS) que contiene proteína quinasa en el control de glucagón Xavier et al., propusieron la secreción. La glucosa aumentó el ARNm de PASK en cultivos de islotes de roedores o humanos y se encontró que se expresaba tanto en células ayb. Los ratones Pask - / - exhibieron hiperglucemia en ayunas y niveles elevados de plasma glucagón y los islotes Pask - / - contenían menos insulina y secretaban más glucagón a glucosa 10 mM en comparación con los islotes Pask + / +. Reducción de la expresión de Pask en células aTC usando ARNip aumentado glucagón expresión génica y glucagón secreción, pero no inhibió el efecto inhibidor de la insulina en glucagón secreción. Por el contrario, la sobreexpresión de Pask en células a-TC e islotes humanos inhibió glucagón secreción Ver la proteína quinasa que contiene el dominio Per-arnt-sim (PAS) está regulada a la baja en los islotes humanos en la diabetes tipo 2 y regula la secreción de glucagón Diabetologia. 23 de diciembre de 2010 [Publicación electrónica antes de impresión]

La célula a, en algunas circunstancias, también puede sintetizar y secretar GLP-1, que a su vez, es un inhibidor robusto de glucagón secreción-Ver GLP-1 y la Célula Alfa

Secreción de glucagón, función de las células a e inflamación

La evidencia histórica apunta a un vínculo entre los estímulos inflamatorios y el aumento de los niveles plasmáticos de glucagón Efecto del estrés inflamatorio y no inflamatorio sobre los cuerpos cetónicos plasmáticos y los ácidos grasos libres y sobre el glucagón y la insulina en sangre periférica y portal. Inflamación. 3 de julio de 1979 (3): 289-94. De hecho, la administración intravenosa de E. coli a perros produjo aumentos rápidos en los niveles plasmáticos de páncreas. glucagón y formas moleculares más grandes de enteroglucagón se detectaron en horas, con aumentos comparativamente mayores observados en los niveles de derivados del intestino glucagón , con niveles elevados que persisten durante días. Cambios en las concentraciones plasmáticas de glucagón gastrointestinal después de infusiones letales de E. coli Circ Shock. 198619 (3): 301-8. De manera similar, la ligadura y punción cecal conduce a hiperglucagonemia en roedores Ligadura y punción cecal con nutrición parenteral total: un modelo clínicamente relevante de la disfunción metabólica, hormonal e inflamatoria asociada con enfermedades críticas J Surg Res. 2004 Oct121 (2): 178-86. La hiperglucagonemia inducida por sepsis se ha relacionado con un aumento de la producción de glucosa hepática. Importancia de la hiperglucagonemia para provocar el aumento de la producción de glucosa inducido por sepsis Circ Shock. 1989 Nov29 (3): 181-91, proporcionando una posible explicación del papel de la hiperglucagonemia en la respuesta metabólica a la sepsis. La administración intravenosa de lipopolisacárido aumenta rápidamente los niveles plasmáticos de TNF- & alfa e Il-6, y glucagón en voluntarios sanos normales Efectos metabólicos y fisiológicos de una prueba de endotoxina en sujetos obesos sanos Clin Physiol Funct Imaging. 31 de septiembre de 2011 (5): 371-5, y LPS aumentó de manera similar los niveles circulantes de GLP-1 en ratones Aumento de la secreción de insulina estimulada por glucosa mediada por lipopolisacáridos: participación de la vía de GLP-1 Diabetes. 63 de febrero de 2014 (2): 471-82. La IL-6 parece aumentar los niveles de GLP-1 a través de efectos directos sobre las células L y las células de los islotes α en ratones. La interleucina-6 mejora la secreción de insulina al aumentar la secreción del péptido 1 similar al glucagón de las células L y las células alfa Nat Med. 2011 Oct 3017 (11): 1481-9. De manera similar, Chow y sus colegas también demostraron que IL-6 estimula directamente glucagón la secreción de islotes de roedores y humanos, y los niveles de IL-6 de islotes están elevados en modelos de roedores de inflamación experimental. Los ratones con un knockout de células a pancreáticas de la glucoproteína 130, un componente clave de la vía de transducción de señales de IL-6, eran resistentes a la inflamación experimental de los islotes y exhibían una mejor glucemia y una reducción glucagón respuestas después de la administración de HFD / STZ. La señalización del receptor de glicoproteína 130 media y la disfunción de las células alfa en un modelo de roedor de diabetes tipo 2 Diabetes. 63 de septiembre de 2014 (9): 2984-95. Curiosamente, Barnes et al., Invocaron un papel adicional para los mecanismos del SNC, además de los efectos directos sobre los islotes, en la inducción de IL-6 dependiente de glucagón secreción en respuesta a hipoglucemia o LPS La interleucina-6 amplifica la secreción de glucagón: control coordinado a través del cerebro y el páncreas Am J Physiol Endocrinol Metab. 9 de septiembre de 2014 pii: ajpendo.00343.2014

Los mecanismos que regulan la degradación y eliminación de glucagón permanecen comprendidos de forma incompleta. Se ha demostrado que la enzima endopeptidasa neutral 24.11 regula los niveles de glucagón en cerdos. Los estudios que utilizaron candoxatril, un inhibidor selectivo de la NEP, demostraron que los niveles de glucagón endógeno y exógeno infundido aumentan después de la administración de candoxatril, como se muestra en la Endopeptidasa neutra 24.11 es importante para la degradación del glucagón endógeno y exógeno en cerdos anestesiados. Soy J Physiol Endocrinol Metab. 287 de septiembre de 2004 (3): E431-8. y Caracterización del procesamiento por endopeptidasa neutra humana 24.11 de amida GLP-1 (7-36) y comparación de la especificidad de sustrato de la enzima para otros péptidos similares al glucagón. Regul Pept. 1995 Agosto 2258 (3): 149-56

Solo como un ejemplo, los niveles de glucagón no se modifican significativamente en los cerdos sometidos a tratamiento con un inhibidor de la DPP-4, con el riñón funcionando como un determinante principal para glucagón eliminación Metabolismo regional diferencial del glucagón en cerdos anestesiados. Soy J Physiol Endocrinol Metab. 285 de septiembre de 2003 (3): E552-60.

Acción del glucagón

Intraislet Glucagón

Kawai et al demostraron que glucagón estimuló la secreción de insulina en el páncreas de rata perfundido, interpretada como mediada a través de la Gcgr, ya que la exendoína (9-39) no mitigó la glucagón -secreción de insulina estimulada. Evidencia de que el glucagón estimula la secreción de insulina a través de su propio receptor en ratas Diabetologia. 38 de marzo de 1995 (3): 274-6

Estudios que utilizan células de islotes de rata purificadas aisladas y glucagón o antagonistas del receptor de GLP-1 implicaron un papel tanto para el GLP-1 como para glucagón receptores en la estimulación potenciada por glucagón de la liberación de insulina. Reconocimiento de glucagón dual por las células beta pancreáticas a través del glucagón y los receptores del péptido 1 similar al glucagón. Diabetes. 1998 Enero 47 (1): 66-72

Ya sea basal glucagón La señalización del receptor contribuye a la competencia de glucosa de los islotes y las células beta sigue siendo controvertida y aparentemente depende de la técnica y del modelo. La secreción de insulina estimulada por glucosa en islotes humanos aislados se redujo mediante la coadministración del glucagón antagonista des-His1- [Glu9] - glucagón-amida G Los receptores de lucagón en las células de los islotes humanos contribuyen a la capacidad de glucosa de la liberación de insulina Diabetologia. 2000 agosto 43 (8): 1012-9

Moen y sus colegas evaluaron las acciones relativas de glucagón frente a GLP-1 en el control de la secreción de insulina utilizando distintos antagonistas del receptor. Si bien ni un antagonista de Gcgr ni de Glp1r redujeron la secreción de insulina estimulada por glucosa en el páncreas de rata perfundido, los antagonistas inhibieron la estimulación de la secreción de insulina por los ligandos respectivos. Evaluación del papel del glucagón intersticial en la respuesta secretora aguda de glucosa de las células beta pancreáticas in situ Diabetes. 51 de marzo de 2002 (3): 669-75

Hay pruebas considerables que respaldan el papel de las glucagón comunicarse con los islotes y las células beta para aumentar la secreción de insulina estimulada por la glucosa. Svendsen y sus colegas utilizaron múltiples modelos genéticos murinos que extirparon islotes glucagón -productoras de células, o las células beta Gcgr, o ratones con inactivación de la Gcgr en todo el cuerpo, para examinar la importancia de glucagón en el control de la secreción de insulina. En contraste con los estudios que emplean antagonistas de los receptores, estos hallazgos revelaron que mientras que la pérdida de un receptor individual no comprometía la secreción de insulina estimulada por glucosa, tanto la glucagón y los receptores de GLP-1 contribuyeron individualmente a la magnitud de la secreción de insulina estimulada por glucosa en el páncreas de ratón perfundido, como se reveló cuando ambos receptores se bloquearon / inactivaron Informes de células de señalización de glucagón intraislet 2018 25 (5) 1127-1134

SNC Glucagón

Glucagón Se ha demostrado que aumenta el cAMP en el SNC y el Gcgr se ha localizado en múltiples regiones del cerebro. Los estudios preclínicos también proporcionan evidencia de que glucagón puede ser un factor de saciedad que también controla el peso corporal mediante la regulación del gasto energético. Mighiu y sus colegas demostraron que la infusión central de glucagón aumentó la expresión de c-Fos y pCREB, inhibió la producción de glucosa hepática (HGP) y mejoró la tolerancia a la glucosa en ratas (y ratones) mientras que la inhibición de glucagón la acción con un anticuerpo monoclonal o un antagonista del receptor anuló estos efectos. Estas acciones fueron imitadas por la activación central de MBH PKA y requirieron una rama hepática intacta del nervio vago, y sugieren que el cerebro glucagón La señalización actúa como un freno para disminuir la función hepática. glucagón acción. Las acciones centrales de glucagón para inhibir HGP se perdieron después de 3 días de alimentación rica en grasas en ratas. La señalización del glucagón hipotalámico inhibe la producción de glucosa hepática Nat Med. 2013 19 de mayo. Doi: 10.1038 / nm.3115

Las acciones de glucagón para reducir el peso corporal, aumentar el gasto de energía y disminuir la expansión del tejido adiposo requiere FGF-21 en ratones. La activación aguda de Gcgr aumentó los niveles plasmáticos de FGF-21 y las transcripciones de ARNm de FGF-21 hepático. La activación de Gcgr redujo el colesterol plasmático en ratones WT pero no FGF-21 - / -, sin cambios en los niveles de lípidos hepáticos. La administración aguda de glucagón también aumentó los niveles plasmáticos de FGF-21 en sujetos humanos. El factor de crecimiento de fibroblastos 21 media las acciones específicas del glucagón. Diabetes. 2013 10 de enero

Las acciones anoréxicas agudas de glucagón inyectados en el SNC de rata se han estudiado en ratas delgadas y obesas. Inyección icv central de glucagón en el núcleo arqueado (pero no el VMH) disminuyó la ingesta de alimentos de forma aguda (pero el efecto disminuyó a las 6 horas) y redujo los niveles de CaMKK & beta y sus objetivos aguas abajo pAMPK y pACC. Por eso glucagón actúa en el hipotálamo para inhibir transitoriamente la alimentación a través de una vía dependiente de PKA / CaMKK y beta / AMPK, específicamente en el ARC. icv glucagón aumento rápida y transitoria de p-CREB y disminución de la expresión de proteína quinasa quinasa beta (CaMKK & beta) dependiente de calcio / calmodulina en el hipotálamo. Las acciones anoréxicas agudas de icv glucagón fueron bloqueados por un inhibidor de PKA. Por el contrario, la inyección icv del glucagón el antagonista del receptor des-His1 (Glu9) glucagón amida aumentó transitoriamente la ingesta de alimentos, al igual que la reducción genética de la expresión de Gcgr usando un lentivirus inyectado en el ARC. Este efecto de saciedad de glucagón implicó la regulación a la baja de la expresión del gen AgRP, pero se perdió en ratas con obesidad inducida por la dieta, atribuida a CaMKK & beta que parecía mediar la resistencia hipotalámica inducida por obesidad. Por el contrario, la reducción de la expresión de Gcgr de forma centralizada en ratas obesas no aumentó la ingesta de alimentos. El bloqueo de las acciones de usar un adenovirus CaMKK y beta-DN reafirmó la acción anoréxica de icv glucagón en ratas DIO. CaMKK y beta hipotalámicos median el efecto anoréxico del glucagón y su resistencia inducida por la dieta Metabolismo molecular http://dx.doi.org/10.1016/j.molmet.2015.09.014

Lapierre y sus colegas estudiaron el papel del SNC glucagón señalización de los efectos de las dietas altas en proteínas frente a las bajas en proteínas y la producción de glucosa hepática en ratas. Informan que las dietas ricas en proteínas aumentan el plasma glucagón niveles, que a su vez actúa en el complejo vagal dorsal para reducir la producción de glucosa hepática a través de un mecanismo de canal Gcgr-PKA-ERK KATP. Los autores elaboran un mecanismo por el cual el plasma elevado glucagón parece reducir preferentemente la producción de glucosa / glucemia a través del SNC, utilizando condiciones de sujeción en ratas para dilucidar los mecanismos. La señalización del glucagón en el complejo vagal dorsal es suficiente y necesaria para que la alimentación rica en proteínas regule la homeostasis de la glucosa in vivo. EMBO Rep.2015 16 de octubre (10): 1299-307.

Glucagón también aumenta de forma aguda el gasto de energía en los seres humanos, a través de mecanismos delineados de forma incompleta. Glucagón La infusión no aumentó la temperatura del cuello de la captación de FDG en el BAT clásico de 11 voluntarios varones sanos, pero produjo un aumento del 15% en el gasto de energía. Infusión de glucagón 50 ng / kg / min res ulidos en plasma glucagón sin embargo, los niveles alcanzan un máximo de 370 y más de 87 pmol / L glucagón no aumentó los aumentos de EE inducidos por la exposición al frío. Un aumento no significativo en FGF-21 En estos mismos sujetos se informó un aumento medio de 238 y más de 197 pg / ml, los niveles de norepinefrina no cambiaron y la frecuencia cardíaca aumentó moderadamente. El glucagón aumenta el gasto energético independientemente de la activación del tejido adiposo marrón en los seres humanos Diabetes Obes Metab. 5 de octubre de 2015. Doi: 10.1111 / dom.12585.

Las acciones biológicas clave de glucagón convergen en la regulación de la homeostasis de la glucosa a través de una mayor síntesis y movilización de glucosa en el hígado. Glucagón Los receptores también se expresan en las células de los islotes b humanos y, en algunos experimentos, pueden contribuir a la regulación de la secreción de insulina estimulada por glucosa, como se muestra en Diabetologia 2000 agosto 43 (8): 1012-9. La importancia relativa de glucagón y GLP-1 para el aumento de la respuesta secretora de insulina a glucosa alta (20 mM) también se examinó en la preparación de páncreas de rata perfundida, en la que ni el antagonista del receptor de GLP-1 exendina (9-39) ni el glucagón antagonista del receptor [des-His 1 -des-Phe 6, Glu 9] glucagón-NUEVA HAMPSHIRE2 inhibió la respuesta secretora de insulina a la hiperglucemia. Del mismo modo, el aumento de endógenos glucagón la secreción con isoproterenol no tuvo ningún efecto sobre la secreción de insulina inducida por glucosa. De ahí las acciones fisiológicas precisas de glucagón receptores en las células b de los islotes sigue siendo un tema de investigación en curso. Véase Evaluación del papel del glucagón intersticial en la capacidad de respuesta secretora aguda de glucosa de las células beta pancreáticas in situ. Diabetes. 51 de marzo de 2002 (3): 669-75

Los efectos metabólicos de la administración transitoria de nativos glucagón y GLP-1, infundidos solos o juntos durante 45 minutos se evaluaron en voluntarios humanos no diabéticos sanos con sobrepeso u obesidad. Niveles máximos de glucagón y el GLP-1 alcanzado durante la infusión fueron

260 y 103 pmol / L, respectivamente. Ambos glucagón y GLP-1 redujo los niveles de ácidos grasos libres no esterificados y aumentó los niveles de insulina. Los niveles de glucosa en plasma aumentaron con glucagón infusión y la glucagón -el aumento estimulado de la glucosa plasmática se atenuó mediante la coadministración de GLP-1. El gasto de energía en reposo aumentó modestamente con glucagón solo, sin cambios detectables en la temperatura central, y la coadministración de GLP-1 no tuvo ningún efecto adicional sobre el gasto de energía, pero redujo significativamente los niveles plasmáticos de grelina total y acil. Actualmente no hay información disponible sobre si los efectos metabólicos agudos de un glucagón - El coagonista de GLP-1 se mantendría con la administración crónica en humanos. La coadministración de péptido similar al glucagón-1 durante la infusión de glucagón en el hombre da como resultado un mayor gasto energético y una mejoría de la hiperglucemia Diabetes. 17 de diciembre de 2012 [Publicación electrónica antes de impresión]

Acción del glucagón en el hígado

Ayuno hiperactivo glucagón emia es un defecto temprano en la patogenia de la diabetes tipo 2. El análisis de las hormonas de los islotes en sujetos jóvenes adloescentes obesos demostró niveles significativamente mayores de ayuno. glucagón , particularmente en individuos obesos con resistencia a la insulina o IGT. Glucagón la secreción fue adecuadamente suprimida por la glucosa o la insulina en estos sujetos. Regulación ascendente de las células alfa basales en adolescentes obesos resistentes a la insulina. J Clin Endocrinol Metab. 2011 Ene 96 (1): 91-7

Glucagón generalmente funciona como una hormona contrarreguladora, oponiéndose a las acciones de la insulina y manteniendo los niveles de glucosa en sangre, particularmente en pacientes con hipoglucemia. En pacientes con diabetes, exceso glucagón La secreción juega un papel principal en las perturbaciones metabólicas asociadas con la diabetes, como la hiperglucemia. Aunque el control molecular de la función de las células alfa conduce a un exceso glucagón secreción no se comprende bien, los individuos con un polimorfismo de un solo aminoácido, Glu23Lys en el canal de potasio KIR6.2 exhiben niveles más altos de glucosa durante una OGTT y supresión defectuosa mediada por glucosa de glucagón secreción en vivo. Consulte El polimorfismo prevalente de Glu23Lys en el gen del rectificador interno de potasio 6.2 (KIR6.2) está asociado con la supresión de glucagón alterada en respuesta a la hiperglucemia. Diabetes. 51 de septiembre de 2002 (9): 2854-60.

Las enzimas importantes para la gluconeogénesis y glucagón La acción también puede expresarse y ser funcional en el riñón y el intestino. Mutel y sus colegas utilizaron ratones con inactivación hepática específica de glucosa-6-fosfatasa para demostrar que la glucosa en ayunas se mantenía razonablemente a través de las contribuciones del riñón y el tracto gastrointestinal a la gluconeogénesis. El ayuno indujo la expresión de G6pasa, PEPCK-c y glutaminasa en estos ratones. Rápido glucagón los niveles fueron ligeramente más altos y los niveles plasmáticos de corticosterona aumentaron en ratones L-G6pc - / -. La administración de un antagonista de Gcgr L-168-049 redujo la expresión hepática de Pck1 y redujo los niveles de ARN de G6pc en riñones e intestino de ratones L-G6pc - / - en ayunas. En cambio, glucagón la administración aumentó la unión de p-CREB al promotor G6pc en ensayos CHIP en intestino y riñón de ratones WT. Control de la glucosa en sangre en ausencia de producción de glucosa hepática durante el ayuno prolongado en ratones: inducción de gluconeogénesis renal e intestinal por diabetes glucagón. 19 de octubre de 2011 [Publicación electrónica antes de la impresión

Un papel para el VHL-HIF2 a eje en control de hígado glucagón También se ha descrito la acción mediante estudios genéticos en ratones. VHL normalmente controla la degradación de HIF2 a, que a su vez controla glucagón acción en el hígado. La inactivación de VHL específicamente en el hígado aumentó la expresión de HIF2a hepático, lo que anuló la glucagón -mediante aumento de la gluconeogénesis y resultó en una hipoglucemia relativa. Curiosamente, la realimentación, un estado caracterizado por la reducción de glucagón Se encontró que la secreción / acción estaba asociada con hipoxia hepática transitoria e inducción de la expresión de HIF2a hepático, que a su vez redujo glucagón acción reprimiendo la señalización de CREB, debido a una mayor degradación del AMP cíclico a través de la señalización de PDE4 y ERK. HIF2 & alpha es un freno molecular esencial para la respuesta de glucagón hepático posprandial independiente del metabolismo de la célula de señalización de insulina. 2016 3 de febrero. Pii: S1550-4131 (16) 00038-3. doi: 10.1016 / j.cmet.2016.01.00

Docenas de estudios han dilucidado los mecanismos moleculares que vinculan glucagón señalización del receptor para el control del flujo de glucosa hepática. Por ejemplo, una combinación de estudios bioquímicos y genéticos en ratones, murinos, hepatocitos y hepatocitos humanos identificó una vía que involucra el flujo anaplerótico mitocondrial de la glutamina que aumenta la contribución de este aminoácido a los carbonos de glucosa generados durante la gluconeogénesis. mejorar la hiperglucemia Nat Med 2018 26 de marzo. doi: 10.1038 / nm.4514

Administración de glucagón farmacológicamente conduce a un rápido aumento de la glucosa en sangre, por lo que el glucagón inyectable se utiliza como tratamiento farmacológico para pacientes diabéticos con riesgo de hipoglucemia significativa. Ver glucagón, hipoglucemia y contrarregulación.

Continuo glucagón La infusión también se ha utilizado en el contexto del hiperinsulinismo congénito, durante varios días, para elevar la glucosa y estabilizar a los pacientes El efecto del glucagón intravenoso continuo sobre los requerimientos de glucosa en bebés con hiperinsulinismo congénito.

Dada la importancia central del glucagón para el control del azúcar en sangre, también se están desarrollando antagonistas del glucagón para un posible uso terapéutico en pacientes con diabetes. Para obtener una descripción general, consulte Antagonistas de los receptores de glucagón

Para revisar la importancia de la señalización del receptor de glucagón, consulte Receptor de glucagón

Aunque los tumores productores de glucagón en seres humanos son raros, pueden estar asociados con manifestaciones clínicas como mucositis, anemia, pérdida de peso y eritema migratorio necrolítico, además de hiperglucemia y, en raras ocasiones, hiperplasia intestinal.

Una literatura más extensa apoya el papel de la acción del glucagón, ya sea directa o indirectamente, en BAT para mejorar la termogénesis. Parece que parte de las acciones del glucagón sobre la termogénesis están mediadas por una rápida regulación positiva de la expresión de FGF21, observada tanto en ratones como en humanos. La señalización del receptor de glucagón regula el metabolismo energético a través del receptor hepático farnesoide X y el factor de crecimiento de fibroblastos 21 Diabetes. 67 de septiembre de 2018 (9): 1773-1782 Beaudry y sus colegas preguntaron si el glucagón regulaba el gasto de energía en ratones a través del BAT GCGR. Niveles de Gcgr Las transcripciones de ARNm eran muy bajas pero detectables en BAT. La activación o disminución de la actividad GCGR en las células BAT ex vivo regulaba la expresión de genes ligados a la función mitocondrial y la termogénesis. Además, la inyección de glucagón aumentó el consumo de oxígeno en ratones in vivo, así como en BAT aisladas ex vivo. Sin embargo, el GCGR murino endógeno no fue esencial para el control del peso corporal, la homeoastasis de la glucosa o la respuesta metabólica adaptativa a la alimentación rica en grasas, ni la respuesta aguda al frío o la activación adrenérgica. Por lo tanto, aunque la acción farmacológica del glucagón puede dirigirse en parte al BAT GCGR, la eliminación del BAT GCGR no altera la homeostasis energética de todo el cuerpo.

Varios estudios han demostrado que el glucagón promueve la degradación de la grasa (conocida como lipólisis) tanto en preparaciones celulares como en en vivo. ¿El glucagón promueve la lipólisis en el tejido adiposo humano? Estudios anteriores habían sido contradictorios, con algunos informes que afirmaban un papel del glucagón en la lipólisis de adipocitos humanos El glucagón humano y el polipéptido intestinal vasoactivo (VIP) estimulan la liberación de ácidos grasos libres del tejido adiposo humano in vitro, mientras que otros experimentos no demostraron efectos significativos del glucagón sobre lipólisis en células grasas humanas aisladas La liberación de glicerol de los adipocitos humanos incubados no se ve afectada por los péptidos gastrointestinales. Int J Obes. 19859 (1): 25-7.

Gary Lewis y sus colegas infundieron glucagón en sujetos humanos sanos y evaluaron la producción y el aclaramiento de lipoproteínas hepáticas e intestinales mediante técnicas de trazadores. Los sujetos fueron sometidos a infusiones de glucagón de dosis baja y alta en estado de alimentación, lo que resultó en niveles de glucagón de 64,5 frente a 183,2 pg / ml, mientras que los niveles de otras hormonas de los islotes endógenos se controlaron mediante una pinza pancreática. Aunque no se detectaron efectos significativos sobre los marcadores de lipogénesis de novo, la infusión de glucagón en dosis altas redujo los niveles de tasa catabólica fraccional de VLDL1 Apo100 y la tasa de producción, pero no se observó ningún efecto sobre el metabolismo de las lipoproteínas intestinales. Los niveles plasmáticos de triglicéridos y ácidos grasos libres no cambiaron durante la infusión aguda de glucagón. Ver Efectos de la hiperglucagonemia aguda sobre la producción y el aclaramiento de lipoproteínas hepáticas e intestinales en humanos sanos Diabetes. 2010 27 de octubre.

Longuet et al describieron el papel de la señalización de Gcgr hepática en la regulación del metabolismo de los lípidos hepáticos, particularmente durante el estado de ayuno. La administración de glucagón produce una reducción de los triglicéridos circulantes, mientras que el ayuno regula al alza un perfil de expresión génica hepática que regula el control de la oxidación de lípidos. Aunque el glucagón regula la síntesis, secreción y oxidación de lípidos en los hepatocitos normales, los hepatocitos Gcgr - / - exhiben defectos profundos en la oxidación de lípidos y acumulan un exceso de lípidos en el hígado durante el ayuno. Las acciones del glucagón para controlar la oxidación de lípidos parecen estar mediadas en parte a través de una vía dependiente de PPARa como se describe en El receptor de glucagón es necesario para la respuesta metabólica adaptativa al metabolismo celular en ayunas 8 de noviembre de 2008 (5): 359-71.

Curiosamente, el glucagón en dosis bajas junto con la activación de GLP-1R produce una eficacia casi sinérgica con respecto a la pérdida de peso, la lipólisis y la homeostasis de la glucosa en roedores. Su acción recapitula, hasta cierto punto, el perfil de acciones descrito para la oxintomodulina, un péptido que ejerce un agonismo dual de Gcgr: GLP-1R. Ver Un nuevo coagonista de glucagón y GLP-1 elimina la obesidad en roedores Nature Chemical Biology Publicado en línea: 13 de julio de 2009 | doi: 10.1038 / nchembio.209 y el agonismo dual GLP-1 / GCGR revierte la obesidad en ratones Diabetes publicada antes de la impresión 14 de julio de 2009, doi: 10.2337 / db09-0278

Abstinencia de glucagón o hiperglucagonemia fisiológica en vivo no produjo cambios significativos en el flujo de palmitato, un índice de lipólisis, en sujetos humanos normales o diabéticos. Efectos del glucagón sobre el metabolismo de los ácidos grasos libres en humanos. J Clin Endocrinol Metab. 1992, febrero de 1972 (2): 308-15.

Se informaron hallazgos negativos similares en la edición de mayo de 2001 de la JCEM, en la que se implantaron catéteres de microdiálisis permanentes en la pared abdominal a 7 sujetos varones sanos y se examinaron los efectos de la infusión de glucagón sobre el glicerol intersticial, el glicerol plasmático y los FFA. No se detectaron efectos sobre el glicerol o los ácidos grasos libres con la infusión sistémica de glucagón, con o sin glucosa exógena.Consulte Los niveles fisiológicos de glucagón no influyen en la lipólisis en el tejido adiposo abdominal según lo evaluado por microdiálisis. J Clin Endocrinol Metab. 2001 Mayo 186 (5): 2085-2089. Se obtuvieron resultados negativos similares en un estudio de lipólisis en sujetos masculinos normales con catéteres de microdiálisis permanentes implantados en tejido adiposo abdominal Los niveles fisiológicos de glucagón no influyen en la lipólisis en el tejido adiposo abdominal según lo evaluado por microdiálisis. J Clin Endocrinol Metab. 2001 May86 (5): 2085-9. Por tanto, los datos disponibles no apoyan un papel fisiológico importante del glucagón en la lipólisis.

El glucagón tiene efectos anti-motilidad en el tracto gastrointestinal (esófago, estómago e intestino delgado y grueso) cuando se administra farmacológicamente a sujetos humanos. Consulte Efectos del glucagón en el intestino delgado humano. Dig Dis Sci. 1979 24 de julio (7): 501-8 y glucagón y el colon. Intestino. 1975 Dec16 (12): 973-8 y Una comparación de la colonoscopia virtual y convencional para la detección de pólipos colorrectales. N Engl J Med. 1999 noviembre 11341 (20): 1496-503. El glucagón también puede relajar el músculo liso de la vesícula biliar y el uréter, lo que lleva a su uso ocasional durante los estudios radiológicos de la vesícula biliar y el riñón.

La administración de glucagón a sujetos humanos conduce a un rápido aumento de la glucosa en sangre después de una inyección iv o intramuscular (IM). Curiosamente, el glucagón IM, pero no IV, parece activar componentes del eje HPA (ACTH y cortisol predominantemente). Los mecanismos subyacentes a esta diferencia no están claros. Ver El glucagón es un secretagogo de ACTH tan eficaz como la hCRH después de la administración intramuscular, mientras que es ineficaz cuando se administra por vía intravenosa en sujetos normales. Pituitaria. 2000 3 de noviembre (3): 169-73.

Los estudios periódicos han examinado la importancia del glucagón para la detección del gusto. Elson y sus colegas informaron de la coexpresión local del gen del proglucagón y el Gcgr en subconjuntos de papilas gustativas linguales murinas, la mayoría de las cuales también expresaban PLCb2 y T1R3, una subunidad de los receptores del gusto dulce / umami. El antagonista de Gcgr L-168.048 mostró una capacidad de respuesta al sabor reducida en presencia de sacarosa, lo que sugiere un papel del glucagón en la respuesta al sabor dulce. La señalización del glucagón modula la capacidad de respuesta al sabor dulce. FASEB J. 14 de junio de 2010 [Publicación electrónica antes de impresión]

Evidencia considerable demuestra un papel del glucagón en la activación de la adenilato ciclasa cardíaca que conduce a una mayor formación de AMP cíclico.

Miniglucagón

Varios estudios, principalmente del laboratorio de D Bataille, han documentado que un fragmento proteolítico de glucagón de 29 aminoácidos, glucagón (19-29), se libera tras la escisión del glucagón en el doblete de aminoácidos Arg17-Arg18. El procesamiento puede ocurrir localmente en los tejidos diana como el páncreas, el hígado o el corazón, así como en la Endopeptidasa circulatoria de las membranas del hígado de rata, que genera miniglucagón a partir del glucagón. J Biol Chem. 1993 Oct 15268 (29): 21748-53. Hasta la fecha, no se ha identificado un receptor separado para el miniglucagón, aunque se han atribuido varias acciones a este péptido, incluidos los efectos en el hígado, el corazón y el páncreas, incluida la inhibición de la secreción de insulina Miniglucagón (glucagón 19-29), un potente y eficiente inhibidor de la liberación de insulina inducida por secretagogos a través de una vía de Ca2 +. J Biol Chem. 1999 Abril 16274 (16): 10869-76. Consulte Acciones sinérgicas del glucagón y el miniglucagón sobre la movilización de Ca2 + en las células cardíacas. Circ Res. 1996 Jan78 (1): 102-9 y Glucagon- (19-29) ejerce una acción bifásica sobre la bomba de Ca2 + de la membrana plasmática hepática que está mediada por proteínas G. J Biol Chem. 1990 junio 15265 (17): 9876-80.


Resultados

Hubo una rápida disminución en la unión de glucagón que comenzó temprano durante el primer día después de la hepatectomía parcial que alcanzó un nadir en el tercer día (Figura 1A). Por el contrario, la unión a la insulina aumentó significativamente al final del primer día después de la hepatectomía y volvió a los valores normales el segundo día sin sufrir más fluctuaciones (Figura 1B). Las tasas de síntesis de ADN en varios momentos después de la hepatectomía parcial fueron similares a las informadas anteriormente en ratas con la síntesis máxima que se produce en el primer día postoperatorio (Figura 1C). El regreso de la unión de glucagón a niveles normales después de la disminución inicial se correlacionó con la restauración de la masa hepática (Figura 2).

Respuesta a la hepatectomía parcial en términos de: (A) Unión específica a la membrana plasmática del 125 I-glucagón, (B) Unión de 125 I-insulina y (C) Síntesis de ADN.

Correlación entre los cambios en la unión de 125 I-glucagón y la restauración de la masa hepática.

La relación de unión a insulina / unión a glucagón para 100 & # x003bcg de proteína de la membrana plasmática hepática aumentaron notablemente en un día y persistieron durante cuatro días adicionales (Fig. 3).

La relación entre la unión de 125 I-insulina y la unión de 125 I-glucagón a las membranas plasmáticas de ratas hepatectomizadas en diferentes momentos después de la operación.

En la Figura 4A se muestra un curso de tiempo típico de la unión de insulina y glucagón específicos a la membrana plasmática en ratas control y hepatectomizadas a las 24 horas después de la hepatectomía parcial. A los 60 minutos después de la incubación, se alcanzó un estado estable y las incubaciones más largas no produjeron cambios adicionales. El gráfico de Scatchard de la unión de insulina y glucagón a la membrana plasmática hepática preparada a partir de ratas de control y hepatectomizadas 24 horas después de la operación indica una disminución en el número de sitios de unión para el glucagón y un aumento para la insulina (Figura 4B).

El transcurso del tiempo (A) y el gráfico de Scatchard & # x02019s (B) de la unión específica de 125 I-glucagón y 125 I-insulina de ratas operadas simuladamente y hepatectomizadas 24 horas después de la operación.

La actividad glucoquinasa presente en el citosol de hepatocitos obtenidos de animales normales y hepatectomizados en varios momentos después de la operación se muestra en la Figura 5. La actividad enzimática experimentó una disminución paradójica en relación con los cambios de unión a insulina observados y el curso temporal del cambio fue diferente, ocurriendo más tarde que los cambios en la unión de insulina que fueron máximos durante el primer y segundo día después de la hepatectomía. La actividad de la glucoquinasa disminuyó el primer día después de la hepatectomía parcial, alcanzó su punto más bajo el día 3 después de la operación y volvió a la normalidad el día cinco. No se observó ninguna de estas alteraciones en animales operados de forma simulada (datos no informados).

Actividad de glucoquinasa ensayada en hígados de ratas hepatectomizadas en diferentes momentos después de la operación.


Jay Goodman, Ph.D.

Campos de interés: Mis intereses de investigación se centran en discernir los mecanismos epigenéticos subyacentes a la carcinogénesis y otras toxicidades inducidas por sustancias químicas.

Expandir / Contraer Educación

  • 1965 - Licenciatura, Brooklyn College of Pharmacy
  • 1969 - Doctorado en Farmacología, Universidad de Michigan
  • 1969-1971 - Laboratorio McArdle para la Investigación del Cáncer, Universidad de Wisconsin
  • 1971-1975 - Profesor asistente, Farmacología, Universidad Estatal de Michigan
  • 1975-1982 - Profesor Asociado, Farmacología y Toxicología, Universidad Estatal de Michigan
  • 1982-presente - Profesor, Farmacología y Toxicología, Universidad Estatal de Michigan
  • 2001-2002 - Presidente interino, Farmacología y Toxicología, Universidad Estatal de Michigan

Expandir / Contraer Biografía e investigación actual

Toxicología: una perspectiva personal

Mis intereses de investigación se centran en discernir los mecanismos que subyacen a la capacidad de los productos químicos para causar efectos adversos. Lo que me entusiasma de la investigación en toxicología es que combina lo teórico con lo práctico. Mientras realizamos investigaciones destinadas a comprender el mecanismo (s) de acción de la sustancia química de interés, aprendemos más sobre los aspectos fundamentales de la biología. Por tanto, la toxicología es una ciencia biomédica básica. Desde el punto de vista práctico, los nuevos conocimientos adquiridos facilitan la mejora de la evaluación de la seguridad de los productos químicos basada en la ciencia. Esto permite un enfoque racional para resolver problemas clave, por ejemplo, relaciones dosis-respuesta y extrapolación apropiada de especies de prueba a humanos. Por lo tanto, la investigación toxicológica juega un papel clave al facilitar nuestra capacidad de utilizar productos químicos de forma segura (incluidos, entre otros, medicamentos, productos de consumo y productos químicos agrícolas) para mejorar la calidad de vida de las personas. Por lo tanto, veo la toxicología como "parte de la solución". Este es un tema que comencé a defender cuando era presidente de la Sociedad de Toxicología (1999-2000).

Sinopsis de la investigación

La participación de la mutagénesis en la carcinogénesis debe conciliarse con el hecho de que no todos los carcinógenos son mutágenos y la opinión de que los eventos no mutagénicos también desempeñan un papel clave en la transformación de una célula normal en una célula cancerosa. Esta aparente paradoja puede resolverse, en parte, considerando los roles que juega la metilación alterada del ADN, un mecanismo epigenético, en la carcinogénesis.

La expresión génica no está determinada solo por la secuencia de bases del ADN, sino que también depende de mecanismos epigenéticos, es decir, mecanismos hereditarios de regulación de genes que no implican un cambio en la secuencia de bases del ADN. La herencia ocurre en dos niveles. La transmisión de genes en el sentido somático o de generación en generación es distinta de los mecanismos implicados en la transmisión de estados alternativos de actividad genética.

La epigenética describe este último e implica la regulación del control temporal y espacial de la actividad génica, p. Ej., Cambios en la expresión génica durante el desarrollo, impronta, segregación de las actividades génicas de manera que las hijas de una célula exhiban diferentes patrones de expresión génica y mecanismos que permiten la somática. herencia de un conjunto específico de genes activos e inactivos.

La metilación del ADN (la presencia de 5-metilcitosina (5MeC) en comparación con la citosina) es un mecanismo epigenético que controla la actividad genética. Los cambios en la metilación del ADN no son mutaciones porque el 5MeC y la citosina se emparejan con la guanina. En general, el aumento de la metilación de un gen se asocia con la transcripción fallecida (p. Ej., Puede silenciar los genes supresores de tumores, funcionalmente equivalente a la inactivación debido a una mutación puntual o pérdida alélica) y la metilación disminuida puede aumentar la expresión génica (p. Ej., Puede aumentar la expresión de oncogenes). Por tanto, la metilación alterada del ADN puede facilitar la expresión génica aberrante subyacente a la carcinogénesis.

La hipótesis que se está probando en mi laboratorio es que la susceptibilidad a la carcinogénesis, y quizás otras toxicidades, está relacionada inversamente con la capacidad de mantener patrones normales de metilación del ADN. Se está poniendo especial énfasis en discernir genes nuevos que están involucrados en la carcinogénesis debido a la metilación aberrante.


Ver el vídeo: Hormona Glucagon. (Agosto 2022).