Objetivos moleculares en el cerebro para terapia contra la obesidad

A pesar de la amplia variación diaria en la ingestión de alimento y en la actividad física, nuestro cuerpo es capaz de igualar con gran precisión la ingestión y el gasto de energía para mantener constante el peso corporal a lo largo de muchos años. Esto es alcanzado a través de control homeostático de los centros hipotalámicos que reciben pistas nutricionales de señales que están circulando en proporción a las reservas corporales de grasa y el estado nutricio (hambre o alimentación). Varias señales periféricas, incluyendo nutrimentos y péptidos derivados de grasa y derivados gastrointestinales, actúan en el sistema nervioso central (CNS, por sus siglas en inglés) para accionar el estado de flujo energético y regular el comportamiento de alimentación y el metabolismo. En particular, leptina, que es secretada por los adipocitos en proporción a las reservas de grasa y el flujo de nutrimentos, juega un papel central en el control de la homeostasis energética.

La creciente prevalencia de obesidad en la sociedad moderna ha incrementado la urgencia por descubrir terapias seguras y efectivas para la obesidad y sus complicaciones. La epidemia actual de obesidad  está muy posiblemente ligada al consumo de alimentos palatables elevados en energía y a una reducción en la actividad física. No obstante, la obesidad se desarrolla solamente en una fracción de la población expuesta a un estilo de vida obesogénico similar. Así, un aspecto crucial de la investigación en obesidad es la identificación de los mecanismos por los cuales los factores ambientales interactúan con rutas moleculares específicas para prevenir la obesidad.

Se han logrado progresos substanciales en la identificación de mecanismos neurales y moleculares por los cuales la leptina controla la ingestión y gasto de energía en el hipotálamo y otras áreas del CNS. La combinación de poderosas técnicas genéticas, bioquímicas y fisiológicas ha llevado a un progreso considerable en nuestro entendimiento del CNS en la patofisiología del balance energético.

Objetivos hipotalámicos de acción de la leptina

La leptina, un producto del gen ob, derivado de adipocitos, es secretado por éstos en proporción a la masa grasa y regula la ingestión de alimento y el gasto de energía mediante la activación de su receptor en las neuronas hipotalámicas. La principal ruta señalizadora de leptina implicada en el control neural del balance energético es el sistema transductor de señal Janus quinasa (JAK, por sus siglas en inglés) y activador de transcripción-3 (STAT3, por sus siglas en inglés). Adicionalmente, leptina puede regular la ingestión de alimento por la activación de la fosfatidilinositol 3-quinasa, así como la proteína quinasa activada por AMP (AMPK, por sus siglas en inglés) y el objetivo mamífero de rapamicina (mTOR, por sus siglas en inglés), aunque los mecanismos de señalización para estas interacciones no se han aclarado del todo.

Neuronas sensibles a leptina en el hipotálamo pueden ejercer efectos orécticos (promover la ingestión de alimento y el gasto de energía) o anorécticos (reducir la ingestión de alimento y el gasto de energía), respondiendo a señales de balance energético negativo o positivo. Las rutas orécticas incluyen neuropéptido Y (NPY, por sus siglas en inglés), hormona concentradora de melanocito (MCH, por sus siglas en inglés) y orexinas. Las rutas anorécticas incluyen melanocortinas (como la hormona estimulante de melanocito alfa o α-MSH) y la hormona liberadora de corticotropina (CRH, por sus siglas en inglés).

Dos poblaciones de neuronas en el núcleo arcuato (ARC, por sus siglas en inglés) del hipotálamo son altamente sensibles a leptina. Una de estas poblaciones responde a la leptina incrementando la expresión de proopiomelanocortina (POMC, por sus siglas en inglés), la molécula precursora para α-MSH. La otra población de neuronas responde a leptina disminuyendo marcadamente la expresión de NPY en la proteína relacionada a agutí (AgRP, por sus siglas en inglés). Esta última es la antagonista natural de la ruta de melanocortina actuando en los receptores centrales de melanocortina (MC4R y MC3R, por sus siglas en inglés). Los ratones sobreexpresando AgRP desarrollan un síndrome de obesidad posiblemente mediado vía antagonismo de la ruta de melanocortina. Α-MSH es el ligando natural para los receptores centrales de melanocortina. El receptor MC4 es particularmente abundante en el ARC, el hipotálamo lateral, núcleo dorsal medial y el núcleo paraventricular, y tiene un importante papel en la modulación del balance energético. La deleción genética de MC4R en ratones y humanos deriva en obesidad severa. Similarmente, la entrega en CNS de agonistas y antagonistas de los receptores de melanocortina resulta en efectos dramáticos en el comportamiento alimentario y en el gasto de energía. Evidencia reciente muestra que MC4R localizado en el núcleo paraventricular controla la ingestión de alimento pero no el gasto de energía, sugiriendo que MC4R controla la ingestión y el gasto de energía en sitios diferentes.

La importancia fisiológica de las neuronas NPY/AgRP y POMC en el control del peso corporal fue cuestionada por la evidencia de que los ratones noqueados NPY, AgRP o doble noqueados NPY/AgRP no tienen un peso corporal anormal; sin embargo, la pérdida de neuronas NPY/AgRP o POMC, lograda por expresión dirigida del receptor de toxina difteria en ratones, lleva a hipofagia e hiperfagia en los ratones con neuronas NPY ablacionadas (separadas por láser) y con neuronas POMC ablacionadas, respectivamente. Estos estudios demuestran que estas poblaciones de neuronas ARC son efectivamente requeridas para el control normal de la ingestión de alimento y el peso corporal. Sin embargo, la deleción del receptor de leptina (LepR, por sus siglas en inglés) en neuronas NPY/AgRP y/o POMC resulta en un fenotipo obeso menos pronunciado que la obesidad en los ratones con deleción global del receptor de leptina. Esto sugiere que la acción de leptina en otras neuronas es también importante para regular el balance de energía. En efecto, las neuronas expresando el receptor de leptina en ARC representan solamente el 20% de las neuronas positivas al receptor de leptina en el CNS. La deleción selectiva del receptor de leptina en las neuronas hipotalámicas ventromediales (VMH, por sus siglas en inglés) expresando el factor de transcripción factor esteroidogénico 1 (SF1, por sus siglas en inglés) resulta en hiperfagia y obesidad. Adicionalmente, los doble mutantes con deleción de LepR tanto en neuronas ARC/POMC como neuronas VMH/positivas a SF1, son más obesos que los ratones con deleción de LepR en alguno de los juegos de neuronas. Por tanto, la acción de leptina en ARC y VMH es requerida para  el control normal del balance energético. Es posible que la acción de leptina en ARC y VMH controle el comportamiento alimentario a través de rutas NPY y melanocortina, dado que VMH contiene ambos receptores, MC4R y NPY.

Otro mecanismo por el cual leptina en VMH podría controlar el balance de energía es a través de la regulación del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF, por sus siglas en inglés). BDNF es un factor neurotrófico con fuerte acción anoréctica. La deleción genética de BDNF y su receptor TrkB en ratones y humanos resulta en obesidad. Leptina incrementa y el ayuno disminuye la expresión de BDNF en VMH. Los efectos anorécticos de BDNF no requieren un MC4R intacto, sugiriendo que la acción de leptina en VMH podría controlar la ingestión de alimento vía BDNF, de forma independiente a la ruta de melanocortina. El hipotálamo lateral ha sido reconocido desde principios de los 1950s como el centro del hambre porque su lesión causa hipofagia. Contiene dos importantes juegos de neuronas que expresan orexinas o MCH. Ambos péptidos son potentes estimuladores de la ingestión de alimento. La actividad de neuronas orexinas y neuronas MCH es regulada por muchas señales hormonales incluyendo leptina. Tanto las neuronas MCH como las MCH modulan una variedad de respuestas conductuales relacionadas al aprendizaje, la memoria, la emoción, la motivación y el control motor de cara a cambios en el estado energético. En efecto, estas neuronas se proyectan de manera amplia dentro del hipotálamo y en otras áreas del cerebro.

Acción de la leptina afuera del hipotálamo

La acción de leptina en áreas fuera del hipotálamo ha sido implicada en la regulación del balance energético. En el tallo cerebral caudal, subjuegos de neuronas son sensibles a leptina y contienen receptores de leptina o POMC. La relación funcional entre estas neuronas no está bien definida, porque leptina, a diferencia de su acción en POMC de ARC, no incrementa POMC en el tallo cerebral. No obstante, existe evidencia de que los efectos anorécticos de leptina son parcialmente mediados por neuronas en el tallo cerebral.

Neuronas dopaminérgicas dentro del área ventral tegmental (VTA, por sus siglas en inglés) del cerebro medio que se proyectan al nucleus accumbens, están involucradas en la regulación de la excitación sexual, la actividad locomotora, el estado de ánimo y la recompensa. Leptina puede modular la actividad de estas neuronas vía proyecciones desde el ARC o vía activación de neuronas hipotalámicas laterales que también se proyectan al VTA. Nueva evidencia también muestra que la acción de leptina en el VTA es requerida para regular la ingestión de alimento, sugiriendo que leptina juega un papel en los aspectos de recompensa y motivacionales del comportamiento alimentario.

Resistencia a la leptina

Excepto por raros casos de deficiencia genética de leptina, la vasta mayoría de individuos obesos posee niveles elevados de leptina en plasma. Sin embargo, la hiperleptinemia en obesidad no activa las respuestas anorécticas ni restringe la ganancia de peso. Se han propuesto varios mecanismos para explicar la resistencia a la leptina en la obesidad, incluyendo alteraciones en el transporte de leptina a través de la barrera sangre-cerebro, y alteraciones en la señalización neuronal a través del receptor de leptina.

En animales hechos obesos pro exposición a una dieta alta en grasas (obesidad inducida por dieta), la leptina no activa una fuerte respuesta anoréctica ni incrementa la fosforilación del transductor de señal y activador de transcripción 3 (STAT3, por sus siglas en inglés) en ARC aún después de una inyección directa en el CNS, que libra la barrera sangre-cerebro. Esto sugiere que la principal causa de resistencia a la leptina es la atenuación de la activación intracelular del receptor de leptina. Un candidato para los mecanismos celulares de resistencia a la leptina es el supresor de señalización de citosina 3 (SOCS-3, por sus siglas en inglés), una proteína intracelular cuyo gen es activado transcripcionalmente por STAT3 y que media la inhibición por retroalimentación en la señalización del receptor de leptina. Los ratones obesos y resistentes a leptina tienen un incremento en la expresión hipotalámica de SOCS-3. Por el contrario, la deleción selectiva de SOCS-3 en neuronas POMC aumenta la sensibilidad a leptina y resulta en resistencia a la ganancia de peso en una dieta alta en grasa. La proteína-tirosina fosfatasa 1B (PTB1B, por sus siglas en inglés) puede desfosforilar JAK2 y disminuir la señalización de leptina en las neuronas, aunque su actividad no está directamente regulada por la acción de leptina. Sin embargo, los ratones con deleción neuronal de PTP1B son delgados y sensibles a leptina.

A pesar de la evidencia molecular de resistencia hipotalámica a leptina en eventos de señalización en modelos animales obesos, permanece poco claro cómo los ratones delgados con señalización normal del receptor de leptina desarrollan obesidad y resistencia a leptina cuando son expuestos a una dieta alta en grasas. Esto podría sugerir que la resistencia a la señalización de leptina hipotalámica es la consecuencia y no la causa de la obesidad inducida pro dieta. Por tanto, otros mecanismos neurales podrían ser responsables por la falla de la leptina para contraponerse a la obesidad inducida por dieta.

Sensores neuronales del flujo energético

Los nutrimentos en circulación son sentidos en el cerebro y pueden disparar respuestas conductuales y metabólicas que controlan el balance de energía y el metabolismo periférico. En particular, el núcleo arcuato hipotalámico parece ser sensible a los nutrimentos en circulación tales como lípidos, glucosa y aminoácidos para regular la ingestión de alimento y el metabolismo energético. La administración de ácido oleico en el tercer ventrículo cerebral resulta en la inhibición de la ingestión de alimento y en una disminución en la expresión del NPY hipotalámico. Aunque el cerebro depende en gran medida de glucosa como fuente de energía, los lípidos son oxidados en el CNS en pequeñas cantidades. Los ácidos grasos son transportados de la circulación al cerebro y hacia el interior de las células, convertidos en ácidos grasos de cadena larga (LCFA, por sus siglas en inglés)-coenzima A (CoA) y posteriormente metabolizados en rutas oxidativas (β-oxidación en las mitocondrias) o biosintética (incorporación en fosfolípidos). El metabolismo neuronal de lípidos ha recientemente sido implicado en el control de la ingesta y metabolismo de energía como un sensor bioquímico neuronal del flujo de energía. Los inhibidores de ácido graso sintetasa (FAS, por sus siglas en inglés) poseen potentes efectos anorécticos, mediados vía mecanismos en CNS. El efecto de los inhibidores de FAS en la ingestión de alimento requiere de la acumulación de malonil-CoA, un producto del metabolismo de glucosa y potente inhibidor alostérico de carnitina palmitoiltransferasa 1 (CPT1, por sus siglas en inglés). Esta enzima es la primera etapa comprometida para el transporte de LCFA-CoA hacia las mitocondrias, en donde experimentan la β-oxidación. En los tejidos periféricos (hígado y músculo), malonil-CoA es reconocido como el sensor de combustible que acciona el metabolismo oxidativo de lípidos a glucosa.

Evidencia reciente sugiere que un sensor bioquímico similar opera en el cerebro, y en particular, en el hipotálamo. La acumulación de malonil-CoA por inhibición de FAS lleva a anorexia, mientras que la disminución de malonil-CoA por sobreexpresión de malonil-CoA descarboxilasa (MCD, por sus siglas en inglés) causa hiperfagia. Adicionalmente, la sobreexpresión de MCD en ARC evita la acumulación de LCFAs y evita la inhibición mediada por ácidos grasos de la producción de glucosa. De acuerdo a lo predicho por el papel fisiológico de malonil-CoA como inhibidor de CPT1 y oxidación de ácidos grasos, la inhibición de la actividad o expresión hipotalámica de CPT1 incrementa los niveles neuronales de LCFA-CoA y resulta en anorexia e inhibición de la producción endógena de glucosa. En condiciones fisiológicas, los niveles de malonil-CoA en el hipotálamo varían de acuerdo al estado nutricio, siendo bajos en el estado de ayuno y altos durante la realimentación. Tomados juntos, estos datos sugieren que los macronutrimentos en circulación periférica representan señales de disponibilidad de nutrimentos y activan una señal neural de retroalimentación negativa en el comportamiento alimentario. Dado que malonil-CoA es en gran medida un producto del metabolismo de glucosa, su acumulación se liga estrechamente a la habilidad de la célula para reducir la oxidación de ácidos grasos durante el incremento en el uso de carbohidratos.

La producción de malonil-CoA a partir de acetil-CoA es catalizada por acetil-CoA carboxilasa (ACC, por sus siglas en inglés), cuya actividad puede ser inhibida por modificaciones alostéricas y postraduccionales.  AMPK tiene un papel importante en la fosforilación e inhibición de ACC. Así, en virtualmente todas las células, la poza intracelular de LCFA-CoA dependerá no solamente de la tasa de entrada y esterificación de ácidos grasos, sino también de la tasa de oxidación de glucosa y cambios en la actividad de enzimas clave como AMPK y ACC. Evidencia reciente muestra que leptina induce la elevación de malonil-CoA en ARC vía inhibición de AMPK y activación de ACC. La entrega central de 5-aminoimidazol-4-carboxamida ribonucleósido (AICAR, por sus siglas en inglés), un activador de AMPK, disminuye rápidamente los niveles hipotalámicos de malonil-CoA e incrementa la ingestión de alimento. Un inhibidor de ACC evita la elevación de malonil-CoA inducida por leptina y aminora los efectos anorécticos de leptina. Por el contrario, evitando la acumulación de malonil-CoA por sobreexpresión de MCD en ARC deriva en resistencia a la leptina. AMPK, un bien conocido sensor celular del flujo de energía, está implicado en la integración neural de señales metabólicas y hormonales. La actividad de AMPK en el CNS es inhibida por glucosa, leptina o insulina y es incrementada por grelina y canabinoides. La deleción de la proteína quinasa AMPKa2 en neuronas POMC y AgRP resulta en ratones obesos y delgados, respectivamente. Sin embargo, los mecanismos neurales específicos no se conocen por completo dado que estos ratones son todavía sensibles a leptina.

Los aminoácidos son también sentidos en el CNS. Leucina, un aminoácido de cadena ramificada, inhibe la ingestión de alimento cuando se administra intracerebroventricularmente y disminuye la expresión de AgRP. Aunque la suplementación dietaria con leucina parece atenuar la obesidad inducida por dieta, los mecanismos subyacentes en el CNS son pobremente comprendidos. Leucina inhibe la ingestión de alimento por activación de mTOR, un sensor celular importante del flujo de energía, capaz de integrar señales metabólicas y hormonales. En efecto, leptina activa mTOR en el hipotálamo mediobasal, y su acción anoréctica es bloqueada por inhibidores de mTOR. Dado que mTOR es regulado por fosfatidilinositol 3-quinasa, es posible que tanto leptina como insulina pudieran ejercer su acción anoréctica también a través de modulación de mTOR hipotalámico.

El control del balance energético es alcanzado a través de intrincadas rutas neurales que reciben señales metabólicas, las integra y activa respuestas conductuales y metabólicas para mantener constantes el peso corporal y las reservas de combustibles. Además de estos mecanismos homeostáticos en buena medida mediados por neuronas en centros hipotalámicos, otras áreas del cerebro involucradas en aspectos hedónicos, de recompensa y motivacionales del comportamiento ingestivo, contribuyen a modular el balance de energía.

Varias rutas moleculares reconocidas como sensores generales del flujo de energía están emergiendo como sensores importantes de la disponibilidad de energía en el hipotálamo. La convergencia de señales de nutrimentos y hormonas en varias rutas de señalización en el hipotálamo sugiere que varias pistas nutricionales son sentidas e integradas para regular el balance de energía. La interrupción de la sensibilidad e integración de estas señales neurales podría ser un factor crucial que derive en el desarrollo de la obesidad.

Adicionalmente, independientemente de su significación fisiológica, estas rutas representan un objetivo (target) posible para intervenciones terapéuticas. La incidencia de obesidad todavía está en aumento a una tasa alarmante y resalta la urgencia de un descubrimiento de terapias efectivas para combatir esta epidemia. La disponibilidad irrestricta de alimentos altos en energía y la disminución en la actividad física son importantes factores ambientales responsables de dicha epidemia de los tiempos modernos. Aunque es obvio que reducir la ingestión de alimento e incrementar el gasto de energía son intervenciones importantes para el tratamiento de la obesidad, las intervenciones puramente conductuales han derivado en disminución de peso solamente en el corto plazo. Por tanto, para combatir efectivamente la obesidad, es imperativo incrementar nuestro entendimiento de los complejos mecanismos neurales detrás del control homeostático y no homeostático del balance de energía.