Programación metabólica: causas y consecuencias

El desarrollo normal programado de un organismo multicelular a partir de la célula

germinal es una serie de eventos sincronizados impulsados por las instrucciones

genéticas adquiridas durante la concepción. Durante los períodos críticos en los

primeros años de vida del organismo también tienen la capacidad de responder a

situaciones ambientales que son ajenas al desarrollo normal por adaptaciones a

nivel celular, molecular, y bioquímico. Tales adaptaciones iniciales al estímulo/

estrés nutricional cambian permanente la fisiología y el metabolismo del

organismo y continúan expresándose incluso en ausencia del estímulo/ estrés que

les inició, un proceso denominado "programación metabólica" (1). Se presenta un

breve resumen de los resultados de estudios en epidemiológicos en humanos y

animales, en apoyo al concepto de la programación metabólica inducida por las

experiencias nutricionales durante períodos críticos en el desarrollo con

consecuencias posteriores en la edad adulta.

Para los detalles se remite al lector a revisiones excelentes sobre este tema (2-5).

Esta mini-revisión se centrará en la programación metabólica con referencia a un

modelo de rata desarrollado en nuestro laboratorio.

La evidencia de la programación metabólica de los datos epidemiológicos en

humanos

Amplios hallazgos epidemiológicos indican que la programación metabólica se

produce en los seres humanos. Barker (6) fue el primero en sugerir a partir de

estudios epidemiológicos que el tamaño  desproporcionado del recién nacido,

resultante de la desnutrición materna, esta relacionada con un mayor riesgo con

resultados adversos para la salud (hipertensión, diabetes tipo II, y las

enfermedades cardiovasculares) más adelante en la vida adulta. Estas

observaciones primarias dieron lugar a la ahora reconocida hipótesis "los orígenes

fetales" enfatizando la importancia de la nutrición materna adecuada durante el

embarazo (4).

Pruebas para la programación metabólica de los animales

La programación nutricional se ha demostrado en estudios con animales. En

estudios pioneros con los roedores, McCance (7) demostró mediante el ajuste del

tamaño de la camada, que la cantidad de alimentos consumidos durante los

primeros periodos de la vida postnatal tiene consecuencias sobre el crecimiento a

largo plazo. Las consecuencias de la malnutrición materna inducida por una dieta

baja en proteínas o restricción calórica durante la gestación y la lactancia

provocan importantes cambios en la estructura y función de varios órganos en la

descendencia. Ratas embarazadas alimentadas con una dieta baja en proteínas

producen crías con alteraciones en los islotes pancreáticos (8, 9). Estos incluyen

la reducida vascularización de los islotes, la capacidad de proliferación celular, y el

tamaño de los islotes con cambios concrectos (disminución de la sensibilidad) en

la secreción de insulina estimulada por glucosa, y la alteración de la sensibilidad a

la insulina en el músculo (8, 9). Por otra parte, el núcleo hipotalámico está mal

formado en estas ratas recién destetadas, esto se acompaña de vascularización

reducida de la corteza cerebral en la descendencia (10). Las capacidades

metabólicas del hígado, músculo y tejido adiposo están comprometidas por la

restricción de proteínas en la madre durante la gestación y la lactancia con

resultados adversos al comenzar la etapa adulta (11). Concentraciones elevadas

de insulina durante los períodos críticos del desarrollo, como ocurre

perinatalmente en los hijos de madres diabéticas gestantes, llevan a una mala

organización permanente del núcleo hipotalamico ventromedial, seguido por la

intolerancia a la glucosa en la vida adulta (12). En conjunto, los resultados de

modelos animales indican que incluso en breves períodos de manipulación de la

dieta, a una edad temprana, tiene implicaciones en los resultados de mala salud,

que se hacen evidentes sólo en la edad adulta.

Modelo de rata "Cachorro en una Copa"

La mayoría de los estudios en animales citados anteriormente relacionados con la

mal nutrición de la madre durante el embarazo, potencian el retraso del

crecimiento intrauterino y acompañan las adaptaciones en el feto para la

supervivencia en condiciones adversas. Excepto por el efecto de sobre-nutrición

causado por la reducción de tamaño de la camada, el efecto de una alteración de

la nutrición durante el período de amamantamiento no se ha investigado

ampliamente en la rata. Ello se debe a dificultades experimentales halladas para la

crianza de crías de rata con una fórmula modificada de la leche fuera de madres

lactantes. La técnica de cría artificial descrita por Hall (13) proporciona un medio

para estudiar los efectos de la nutrición alterada durante el período de

amamantamiento en la rata. Hemos adaptado esta técnica para evaluar las

consecuencias de un interruptor en la "calidad" de la nutrición (de una leche de

rata muy rica en grasas a una fórmula de leche alta en carbohidratos (HC))

durante el periodo de amamantamiento en la rata. El resultado es el modelo de

rata "cachorro en una copa" (también conocida como la rata HC) donde las ratas

recién nacidas se crían en vasos de plástico flotando en un baño de agua  a

temperatura controlada. Ratas de 4 días de edad se alimentan a través de cánula

intragástricas, y son criadas con  una fórmula de leche HC (56% de las calorías

procedentes de carbohidratos en comparación al 8% de la leche de rata) hasta el

día 24, y después de ser destetadas con alimento para ratas de laboratorio. Ratas

de 4 días de edad criadas artificialmente con una fórmula de leche alta en grasa

(composición macronutriente similar a la leche de rata para demostrar que la

técnica artificial de crianza per se no tiene efectos sobre la programación

metabólica) y los cachorros criados por sus propias madres sirvieron como

controles. El protocolo detallado seguido por nuestro laboratorio para los

experimentos realizados utilizando el modelo de rata "cahorro en una taza" se

describe en otros lugares (14, 15).

Las adaptaciones metabólicas inmediatas en el periodo de lactancia

Un resultado inmediato de la intervención dietética HC es el inicio de la

hiperinsulinemia en 24 horas, lo que persiste a lo largo del período de

amamantamiento y la edad adulta, incluso después de retirar la fórmula de leche

HC en el momento del destete (15, 16). Durante el período de amamantamiento

no hay diferencias en el peso corporal y los niveles de glucosa en plasma entre los

grupos HC y los grupos control de igual edad (17). La sobreposición de la ventana

crítica para el desarrollo del páncreas, después del parto, con la intervención

nutricional alta en carbohidratos en la rata HC, sugiere que el páncreas endocrino

es un órgano blanco para adaptaciones significativas. Hemos observado

alteraciones significativas a niveles moleculares y bioquímicos en los islotes

aislados de ratas neonatales HC y también se ha observado la programación de

estas adaptaciones en la edad adulta.

Las adaptaciones celulares inducidas por la intervención de la dieta durante el

período de amamantamiento incluyen un aumento del número de islotes de menor

tamaño en el páncreas de HC en comparación con los controles (18). Estos islotes

HC tienen un área más grande inmunopositiva para insulina, resultando en un

aumento neto de la masa que produce la insulina en islotes HC (18). Además, la

tasa de apoptosis y la expresión del antígeno nuclear de células proliferantes

están inversamente alteradas en los islotes y el epitelio ductal de la rata de HC

(18). Uno de los factores que contribuyen a la ontogenia alterada se ha atribuido al

cambio en la expresión del factor-II de crecimiento similar a insulina (18). 

Varias adaptaciones moleculares se observan en los islotes neonatales en

respuesta a la intervención dietética HC. El aumento de la biosíntesis de la

insulina y en la expresión génica de preproinsulina se observan en los islotes de

ratas neonatales HC (19). Además, en páncreas los niveles de ARNm de los

factores de transcripción como el  duodenal homeobox factor-1 (PDX-1, también

conocido como somatostatin factor of transcriptión-1), islots factor-1 (Isl-1),

upstream stimulatory factor-1, factor de regeneración-3 (reg-3) (19, 20),

Beta2/NeuroD y el factor-32 nuclear de hepatocitos, aumentan significativamente

en el islote HC neonatal. Los niveles de  ARNm de protein kinasa-2 (SAPK-2),

activados por estrés, fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3-quinasa), la acetil-CoA

carboxilasa, transportador-2 de glucosa, y el substrato-1 y 2 del receptor de

insulina también son significativamente mayores en estos islotes HC (19, 20).

PDX-1 es un transactivador importante del gen de la insulina y es un componente

esencial de los mecanismos mediante el cual la glucosa modula la actividad

promotora de la insulina la (21). Se ha propuesto que la actividad de unión del

PDX-1 al ADN es modulada por la glucosa a través de una cascada de

fosforilación involucrando a SAPK-2 y PI3 quinasa, lo que facilita la translocación

de la 46-kDa, fosforilada activa del núcleo, resultando en el aumento de la

transcripción del gen de la insulina (21). La posible relación entre los efectos

observados de la intervención dietética en HC en ratas neonatales y la

transcripción de genes preproinsulin se muestra en la figura. 3. Además PDX-1 es

un factor de transcripción importante que entrega la progresión de la célula ductual

pluripotente en una célula endocrina (22). El aumento significativo en la expresión

de genes, la actividad de unión al ADN, y el contenido de proteínas de PDX-1 en

islotes neonatales  HC sugiere que desempeña un papel fundamental en las

adaptaciones celulares, así como en la aparición y mantenimiento de

hiperinsulinemia en este modelo de la rata (19). Los factores de transcripción

como Isl-1, Beta2/NeuroD, reg-3, y el factor-3 nuclear de hepatocitos también

contribuyen a la organogénesis pancreática (22 - 24). Los aumentos en la

expresión génica de estos factores sugieren que ellos también contribuyen a la

modificación de la arquitectura del islote en ratas neonatales HC. El análisis de los

arreglos de cDNA ha indicado cambios significativos en los patrones de expresión

génica global en los islotes de recién nacidos HC, así como en islotes HC de

adultos que sugieren que una amplia gama de alteraciones moleculares son

esenciales para el inicio y la persistencia del fenotipo en ratas HC (20). 

A continuación se hace un resumen de las adaptaciones bioquímicas significativas

que inician y mantienen la hiperinsulinemia en ratas neonatales HC. 

Un rasgo característico de las ratas neonatales HC es un aumento de

aproximadamente 6 veces en la concentración de insulina circulante (16, 25). Hay

un cambio claro hacia la izquierda (aumento de la sensibilidad) en la respuesta

secretora de insulina estimulada por la glucosa en los islotes HC (Fig. 2 C), y esto

se asocia con aumentos en la Km baja de la actividad hexoquinasa y un aumento

en el contenido de la proteína-2 transportadora de glucosa (25). La secreción de

insulina por los islotes está regulada por tres vías (la vía dependiente del canal

KATP, vía de aumento independiente del canal KATP, y la vía de aumento

independiente del canal Ca++ (26), y estas vías están sobre-reguladas en los

islotes HC (27). Los niveles circulantes del péptido-1 similar al glucagón (GLP-1)

son significativamente mayores en ratas HC sugiriendo que los eventos mediados

por GLP-1contribuyen significativamente a la hiperinsulinemia de ratas HC (27).

Además de sus efectos insulinotrópicos, el GLP-1 estimula la transcripción del gen

PDX preproinsulin y PDX-1 y también la proliferación y neogénesis de células

del epitelio ductal en los roedores (28 - 30). A la luz de lo anterior, el aumento

significativo en los niveles circulantes de GLP-1 en ratas HC de 12 días de edad

tiene implicaciones importantes para el fenotipo de ratas HC.

Debido a la hiperinsulinemia crónica, mejora la capacidad de la lipogénesis

hepática en ratas neonatales HC (16). Enzimas tales como la glucoquinasa y la

enzima málica, que aparecen normalmente en el hígado en el destete, son

inducidas precozmente por este tratamiento dietetico, sugieriendo que su aparición

no depende del desarrollo sino que está controlado por la presencia del estímulo

(hiperinsulinemia inducida por la dieta) (16). Es evidente de lo anterior que las

ratas alimentadas con una fórmula HC, en lugar de leche de la madre, durante el

período de amamantamiento provoca alteraciones significativas en las funciones

de los islotes, así como en las respuestas metabólicas de los tejidos periféricos,

que son importantes para el desarrollo de la obesidad del adulto.

Programación de la Primera Aparición de Adaptaciones en la Edad adulta

La hiperinsulinemia persiste en ratas HC adultas a pesar de retirar la intervención

nutricional en el día 2. Las alteraciones en la ruta de secreción de insulina

observadas en los islotes HC neonatales se programan en los islotes de adultos

(31, 32). Los cambios moleculares (aumento en la transcripción del gen

preproinsulina) observados en los islotes de ratas neonatales HC también son 

observados en islotes HC adultos (32). Hay un aumento en la producción en masa

de insulina del páncreas del adulto HC (17). La hiperinsulinemia crónica es

acompañada por un aumento en el peso corporal de los animales a partir del día

55 en adelante y llegan a la obesidad hacia el día 100 (15). Aunque la rata adulta

HC mantiene la normoglucemia, se observa una respuesta anormal a una prueba

de tolerancia de glucosa en animales HC en aproximadamente el día 75 (17).

Además, el tejido hepático y tejido adiposo muestran mayor capacidad de los

tejidos lipogénicos en la edad adulta (15). Un aumento en el tamaño celular del

tejido adiposo del epidídimo refleja la adiposidad observada en la edad adulta (15).

El contenido de glucógeno y la cascada de activación de la glucógeno sintasa son

regulados a la baja en hígado y músculo esquelético (33) y sobre-regulados en el

tejido adiposo del epididimo de ratas adultas HC (34). En su conjunto estos

resultados indican que las adaptaciones tempranas son programadas y van

acompañados de cambios adicionales probablemente disparados por factores que

aparecen en el adulto.

Efecto generacional inducido nutricionalmente sobre la Programación

metabólica

Una inesperada consecuencia importante de la programación metabólica inducida

nutricionalmente que se ha señalado anteriormente es la transmisión del fenotipo

de la madre de HC a la progenie. Las ratas hembras alimentadas con una fórmula

de leche de HC durante su periodo de amamantamiento transmitieron

espontáneamente sus características metabólicas a su progenie, sin que las

propias crías tengan que someterse a cualquier tratamiento nutricional (35). La

segunda generación de ratas HC muestra hiperinsulinemia y un patrón alterado en

la secreción de insulina dentro de 48 horas después del  destete y posteriormente

al alimento de ratas de laboratorio en el día 24. Las adaptaciones moleculares

(aumentos en los niveles de ARNm de preproinsulina, PDX-1, factor-1 de

estimulación, SAPK-2, y PI3 quinasa) también están programados en la segunda

generación de ratas HC. El patrón de crecimiento de las ratas HC en la segunda

generación tiene paralelos con la primera generación de ratas HC (35). Los

experimentos de cría cruzada han demostrado que sólo las hembras HC

transmiten estas características a la progenie, lo que sugiere que la experiencia

intrauterina puede ser esencial para la transmisión.

Los mecanismos potenciales de la programación metabólica

La programación metabólica es un "proceso adaptativo" que se produce en

respuesta a un estímulo/daño nutricional durante un periodo vulnerable de

susceptibilidad a temprana edad. La evidencia directa de los mecanismos

responsables de la programación metabólica no están actualmente disponibles.

Los mecanismos potenciales han sido discutidos por Lucas (1), Waterland y Garza

(5). Los efectos inmediatos de un estrés  nutricional sobre el desarrollo estructural

con consecuencias a largo plazo se han demostrado en ratas (8, 10).

Experimentalmente la hiperinsulinemia inducida en ratas recién nacidas durante el

período crítico del desarrollo del cerebro, produce alteraciones en el peso corporal,

presión arterial y el metabolismo de la glucosa en adultos debido a la

desorganización del núcleo hipotalamico ventromedial (12). La fórmula de leche

HC induce respuestas en los islotes pancreáticos y el intestino delgado como se

evidencia por el aumento en los niveles plasmáticos circulantes de insulina y GLP-

1 en ratas neonatales HC. En el contexto de los informes sobre los efectos de una

modificación nutricional sobre el cerebro y los efectos de la intervención dietética

sobre los islotes y el intestino en ratas neonatales  HC, es tentador sugerir que se

puede producir un diálogo cruzado entre el páncreas, el intestino delgado y el

cerebro que resulta en la aparición y persistencia de la hiperinsulinemia en

neonatos HC. Los mecanismos epigenéticos  que median fenómenos como la

impronta genómica también pueden contribuir a la programación (36).

La modificación epigenética es desencadenada por cambios en el entorno y puede

ocurrir en linajes  celulares germinales y somáticos durante el desarrollo (37). La

alteración de los patrones de metilación del ADN han demostrado que es causada

por deficiencia de proteínas y ácido fólico (38). Alteraciones nutricionales

tempranas en la vida pueden modificar patrones de metilación de DNA específicos

de las células, que conducen a niveles alterados de la expresión génica en tejidos

específicos. Además, debido a la alteración de los patrones de metilación del ADN

en células específicas se transmiten a las células hijas por la replicación, las

modificaciones iniciales son inmortalizadas.

Observaciones finales

El modelo de rata "cachorro en una copa" es único, en que programa de manera

permanente el metabolismo de una rata adulta mediante la mera modificación de

la composición de la leche alimentada a los animales durante su periodo de

lactancia. Además, este tipo de programación metabólica se transmite a la

siguiente generación por la madre. Es evidente de nuestros estudios con ratas,

que la naturaleza y el momento de los programas de tratamiento dietético en la

aparición de estados patológicos en el adulto imitan a las principales

enfermedades metabólicas notadas en los seres humanos, como la obesidad y la

diabetes tipo II. La evidencia apunta a la hiperinsulinemia inducida por la dieta

como el evento principal en la programación metabólica en la rata de HC.

En un informe reciente Mokdad et al. (39) han señalado que la epidemia de la

obesidad es una amenaza para la salud pública en Estados Unidos (casi uno de

cada cinco estadounidenses es obeso). Debido a que no ha habido un cambio

significativo en la reserva genética en los Estados Unidos en las últimas décadas

(39), es poco probable que los genes relacionados con la obesidad están

implicados en el aumento de la incidencia en esta enfermedad. También ha habido

un aumento del 33% en la incidencia de diabetes diagnosticada en la última

década, y esto ha sido muy correlacionado con el aumento de la incidencia de la

obesidad, lo que sugiere que la obesidad es un factor de riesgo para

enfermedades crónicas (39). Se está haciendo evidente que los orígenes de las

enfermedades crónicas no están  limitadas a sólo los genes heredados y / o estilos

de vida sedentarios.

Los resultados del modelo de rata HC sugieren que las experiencias nutricionales

de los lactantes durante la vida posnatal inmediata tales como la

sobrealimentación de la fórmula y la introducción temprana de

suplementos alimenticios altos en carbohidratos (por ejemplo, cereales, frutas,

zumos, etc) pueden contribuir a la programación metabólica que conduce a la

aparición de enfermedades de los adultos como la obesidad y la diabetes. El

nuevo campo emergente de la programación metabólica ofrece  una ruta adicional

para examinar la etiología de las enfermedades crónicas del adulto.