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Revista de la Facultad de Medicina

Print version ISSN 0120-0011

rev.fac.med. vol.54 no.3 Bogotá July 2006

 

ACTUALIZACION

APOPTOSIS DE LAS CÉLULAS BETA DEL PÁNCREAS
DURANTE LA DIABETES DE TIPO 1

 

PANCREATIC BETA CELLS APOPTOSIS IN TYPE 1 DIABETES

 

Camila Manrique 1 , Diego G. Silva 2

1. MD. Departamento de Endocrinología, Facultad de Medicina Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.
2. MD. PhD. Division of Immunology and Genetics, John Curtin School of Medical Research, Australian National University .
Correspondencia: diego.silva@anu.edu.au

 


Resumen

La diabetes de tipo 1 se produce como resultado de la destrucción de las células ß del páncreas. Durante la progresión de la enfermedad las células se ven crónicamente atacadas por un infiltrado inflamatorio de tipo autoinmune con gran cantidad de productos entre los cuales se encuentran citocinas y derivados de la oxidación. Estos compuestos son dañinos para la célula ß, y la obligan a montar mecanismos de defensa para contrarrestar el ataque inmunológico

inespecífico. Sin embargo, y debido a la cronicidad de la inflamación, las células ß terminan expresando moléculas que al ser activadas inducen apoptosis de manera específica, de la cual no pueden escapar y terminan por destruirse. En este artículo hacemos una revisión de los mecanismos que conllevan a la apoptosis de las células ß enfatizando en la repuesta de éstas al ambiente adverso. El estudio de la biología de la

célula ß es indispensable para comprender la fisiopatología de la diabetes de tipo 1 y así acercarse al desarrollo de terapias para prevenir o tratar la enfermedad.

Palabras clave: apoptosis, diabetes mellitus tipo 1, páncreas, citocinas, células.


Summary

Type 1 diabetes is the result of the immune destruction of the ß cells islet. During the progression of the disease, ß cells are chronically attacked by an autoimmune infiltrate with inflammatory products including cytokines and oxidation derivates. In response to this adverse inflammatory environment, ß cells are able to produces a protective response to avoid non-specific apoptosis signals; however it renders them susceptible to specific cell death. In this paper, we review the mechanisms of ß cell death in type 1 diabetes, focusing on their ability to adapt to inflammation. These studies add to the understanding of the pathophysiology of type 1 diabetes and contribute to the development of therapies to prevent or treat the disease.

Key words: apoptosis, diabetes mellitus type 1, pancreas, cytokines, cells.

 


Introducción

La diabetes de tipo 1 se desarrolla como consecuencia de la destrucción de las células ß del páncreas. Los islotes pancreáticos, estructuras en donde se encuentran las células ß, se ven crónicamente atacados por un infiltrado de células inmunológicas autoreactivas (llamado insulitis) que se sitúa alrededor de éstos y aumenta a medida que progresa la enfermedad (Figura 1). Posteriormente y debido a un cambio homeostático tanto en el componente celular inmunológico como en el endocrino, la insulitis termina por destruir las células ß induciendo así los síntomas clínicos de la diabetes de tipo 1 (1).

Múltiples factores contribuyen a la muerte de las células ß entre los cuales los más estudiados son los productos de la insulitis que incluyen las citocinas proinflamatorias, el óxido nítrico, las especies reactivas derivadas del oxígeno y las moléculas desencadenantes de apoptosis Fas y FasL (Figura 2). Sin embargo, los avances científicos en los últimos años han demostrado que las células ß no son entes pasivos en este proceso ya que tienen la capacidad de responder al ataque inmunológico (2). En esta respuesta están involucrados mecanismos moleculares adaptativos y de defensa por medio de los cuales las células ß pueden resistir al ataque inmuno­lógico inespecífico (3, 4) (Figura 3).

En la primera parte de este artículo hacemos una revisión de las moléculas producidas por la insulitis y que tienen un efecto nocivo directo sobre las células ß, ya sea induciendo muerte celular o modificando su metabolismo normal. En la segunda parte nos enfocamos en los mecanismos de defensa desarrollados por las células ß en respuesta a la insulitis y analizamos la hipótesis de que durante este proceso las células ß a pesar de estar protegidas contra señales apoptóticas inespecíficas, quedan expuestas a una muerte celular específica mediada por Fas-FasL (5). El entendimiento de estos procesos celulares básicos es de vital importancia para diseñar nuevos tratamientos encaminados a prevenir o tratar la diabetes de tipo 1.

El ambiente que rodea los islotes de Langerhans como factor determinante en desarrollo de la diabetes de tipo 1

La apoptosis de las células ß del páncreas es el fenómeno final en el desarrollo de la diabetes de tipo 16. Múltiples moléculas de señalización y citocinas están involucradas en este proceso, incluyendo citocinas proinflamatorias (7,8), el óxido nítrico (NO) (9), las especies reactivas de oxígeno (ROS) (10), la perforina (11), el ligando inductor de apoptosis relacionado con FNT (TRAIL) (12), los ácidos grasos libres (13), la hiperglicemia (14) y el estrés del retículo endoplasmático (15), siendo la vía de Fas/Fas ligando (FasL) una de las principalmente implicadas (16) (Figura 2).

Contribución de las citocinas proinflamatorias a la muerte de las células ß

El efecto pleiotrópico de las citocinas hace difícil delimitar el papel que cada una de ellas desempeña en la patogénesis de la diabetes de tipo 1. Las citoquinas pro-inflamatorias más destacadas y que tienen efectos directos sobre la célula ß son el factor de necrosis tumoral alfa (FNT-α), la interleucina-1 beta (IL-1ß) y el interferón gamma (IFN-y) (16).

Cada una de estas citoquinas, dependiendo de su concentración, alterará el metabolismo normal de la célula ß afectando la síntesis y secreción de insulina. El cultivo de las células ß en presencia de IFN-y induce una reducción tanto del contenido celular de insulina como de su secreción en respuesta a la glucosa (17,18). De forma similar, la presencia de IL-1ß estimula la expresión de la enzima óxido nítrico sintasa inducible (iNOS) en la célula ß, lo cual induce aumento de la concentración de NO, inhibiendo la secreción de insulina en respuesta a la glucosa (19). Las citocinas pueden llegar a tener efectos sinérgicos; los bajos niveles de IL-1ß son incapaces de inducir la producción de iNOS, pero cuando la misma dosis se combina con IFN-y se induce la expresión de iNOS en una magnitud similar a la inducida por dosis altas IL-1ß (20).

Las bajas concentraciones de FNT-α inducen la muerte de las células ß mediante la vía del NO, mientras que altas concentraciones inducen apoptosis por vías independientes de este (21). La estimulación de células ß con FNT-α resulta en la activación de cascadas de señalización intracelular que causan apoptosis por medio de la activación de las caspasas, algunas de las moléculas involucradas son TRADD, FADD, FLICE y ceramida (22). Otras cascadas incluyen la activación de los factores de la trascripción STAT1 y del factor regulador IFN 1(IRF-1) que son capaces de inducir apoptosis de la célula ß de forma caspasa independiente (23,24).

Las citocinas proinflamatorias también contribuyen a la muerte de las células ß de manera indirecta, ya que promueven el desarrollo y mantenimiento de la insulitis induciendo la producción de sustancias quemoatrayentes encaminadas a incrementar la respuesta celular autoinmune (16). A su vez, inducen la sobre-expresión de moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad tipo I y II (25,26) aumentando la presentación de antígenos propios de las células ß por parte de células presentadoras de antígenos e induciendo la expresión de moléculas de adhesión tipo ICAM-1. Todo esto incrementa la susceptibilidad de las células ß al ataque de los linfocitos T autoreactivos e indirectamente contribuyen a su muerte (27).

El óxido nítrico y el estrés oxidativo son nocivos para las células ß

El óxido nítrico (NO) tiene múltiples acciones biológicas y su producción esta íntimamente relacionada con el daño y muerte de las células ß (28). La enzima óxido nítrico sintasa (NOS) cataliza la oxidación de L-arginina para producir NO y L-citrulina. La familia NOS está compuesta por dos isoformas constitutivas, la neuronal (nNOS o tipo I) y la endotelial (eNOS o tipo III), y una isoforma inducible (iNOS o tipo II) (29). Al reaccionar con el oxígeno y el agua, el NO forma nitratos y nitritos. Cuando estos últimos se combinan con superóxido forman peroxinitrito (ONOO-), el cual genera peróxido de hidrógeno y más superóxido que finalmente causa fragmentación del ADN (28).

El NO producido extra e intracelularmente es citotóxico para los islotes pancreáticos (20). La IL-1 ß, el FNT-α y el IFN-y inducen la producción de NO al promover la expresión de iNOS en los macrófagos, las células endoteliales y las células ß. El daño causado por la IL-1 ß, el FNT-α y el IFN-y a las células ß parece ser dependiente de peroxinitrito ya que se han encontrado niveles más altos de esta molécula en islotes de ratones diabéticos NOD que en ratones no diabéticos (30). El NO parece afectar también el metabolismo normal de las células ß ya que el estrés oxidativo, medido por niveles plasmáticos de nitratos y nitritos, se ha correlacionado positivamente con los requerimientos de insulina en la diabetes de tipo 1 (31).

Al tiempo que producen NO, las células inflamatorias también producen especies reactivas de oxígeno (ROS) (32). Las ROS inducen peroxidación lipídica, la cual puede ser medida por producción de aldehído. La incubación de islotes de roedores con IL-1ß, el FNT-α y el IFN-y aumenta los niveles de aldehído, fenómeno que puede ser bloqueado por la adición de antioxidantes pero no por los inhibidores de iNOS, hecho que sugiere que la producción de ROS y la peroxidación lipídica juegan un papel fundamental en la necrosis de células ß inducida por citoquinas (10,33).

Diferentes especies animales tienen respuestas disímiles al daño producido por ROS. Por ejemplo, los islotes humanos y los porcinos son resistentes al aloxano, mientras que las células ß de roedores son altamente sensibles a la muerte inducida por este compuesto (34). Además, los islotes de ratas son más susceptibles a agentes oxidativos y a citoquinas que los islotes humanos (35). Las células ß de roedores expresan bajos niveles de enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa (SOD), la catalasa y la glutatión peroxidasa, lo que las hace más vulnerables al daño mediado por radicales libres (36). Lo anterior indica que, aún cuando los estudios en animales son indispensables para entender procesos biológicos básicos, se debe ser cauto en extrapolar estos resultados a células humanas.

Las células ß se adaptan a la lesión inmunológica

Una de las características principales de la diabetes de tipo I es la presencia de un infiltrado inflamatorio autoinmune crónico que se sitúa alrededor de los islotes de Langerhans y que progresa a medida que avanza la enfermedad. En este proceso las células ß no se comportan como entes pasivos sino que al contrario tienen la capacidad de adaptarse a las nuevas condiciones y responder de manera activa al ataque inmunológico (4,5) (Figura 3).

La respuesta de las células ß a las citocinas proinflamatorias involucra una red compleja de interacciones de genes. El análisis de la expresión génica y del proteoma de la célula ß ha llevado a la identificación de más de 200 genes que se regulan positiva o negativamente en respuesta a la estimulación con citocinas (37). Los módulos de genes afectados involucran una amplia variedad de funciones celulares que incluyen metabolismo basal, síntesis de proteínas, crecimiento y diferenciación celular, transducción de señales intracitoplasmáticas y mecanismos de defensa y reparación (38) (Figura 3).

La primera evidencia que demuestra la habilidad de la célula ß para protegerse del ataque autoinmune proviene de experimentos en donde los islotes pancreáticos fueron expuestos a altas dosis de glucosa antes de ser expuestos a dosis letales de ROS. Las células ß tratadas demostraron ser resistentes a los efectos citotóxicos de los donantes de radicales libres de oxígeno (39). Posteriormente se propuso que el mecanismo de protección inducido por los altos niveles de glucosa se debe a la estimulación del metabolismo de la célula ß, en particular a la actividad mitocondrial, la cual aumenta la producción de moléculas antioxidantes protegiendo así a la célula. De forma contraria, si la célula ß se encuentra en reposo es más susceptible al daño oxidativo (40).

La respuesta protectora que desarrollan las células ß en respuesta a las citocinas probablemente involucre la expresión de moléculas antioxidantes y el bloqueo de vías relacionadas con óxido nítrico (4,20). Tres factores de trascripción están estrechamente relacionados con estos fenómenos: STAT-1, NFkB y p38 MAPK38 (Figura 3). En general, la primera respuesta de la célula ß al ataque de las citocinas proinflamatorias es la reducción de la síntesis y secreción de insulina. Esto puede ser interpretado como un daño inicial de la célula ß, pero también puede ser un mecanismo de defensa para redireccionar los recursos metabólicos hacia la protección celular. Las células ß tratadas con citocinas muestran una menor expresión de PDX-1, transportador de glucosa (GLUT 2) y de proinsulina convertasa 2 (PC2). El PDX-1 es un gen involucrado en la expresión del gen de la insulina y por lo tanto esencial para la regulación de la función de la célula ß (41), el GLUT2 está involucrado en la secreción de insulina mediada por glucosa (42), y el PC2 juega un papel fundamental en la regulación de la biosíntesis de insulina (43). Mientras la disminución de la expresión de estos genes hace a la célula ß menos sensible a la insulina, puede protegerla de los cambios inflamatorios que están ocurriendo (4).

Las células ß también expresan las proteínas de choque térmico (HSP) en respuesta a las citocinas y tienen la capacidad de neutralizar los efectos del NO y la IL-1 ß (44,45) (Figura 3). La inducción de la expresión de HSP en células ß bloquea la translocación de NF?B y previene la expresión de iNOS en respuesta a la IL-1 ß y el IFN-? (44). Otra proteína antiapop­tótica expresada en las células ß en respuesta a las citocinas es A20, que tiene la capacidad de controlar la producción de iNOS e inhibir la activación de NF?B en respuesta a la IL-1 ß (46). Las citocinas también inducen la expresión de la enzima superóxido dismutasa (SOD), la HSP 70, la oxigenasa hem inducible (iHO), y la iNOS en las células ß (47). Estas moléculas pueden inducir procesos de reducción y así proveen citoprotección contra el estrés oxidativo (4). Las proteínas de choque térmico modulan la expresión de iNOS, combinando propiedades antioxidantes con modulación de NO (44).

Las células ß desarrollan patrones similares de expresión de genes protectores en respuesta a la hiperglicemia (48). El aumento de la resistencia al daño por ROS se ha asociado con mayores niveles de expresión de la proteína de choque térmico 70 (HSP70), la catalasa y la SOD (49,50).

Células ß y específicos

Como se describe en las secciones anteriores, existe evidencia científica sólida que confirma la habilidad de las células ß de responder a la insulitis y adaptarse a los cambios de su entorno. Sin embargo, si los mecanismos adaptativos son eficientes ¿por qué terminan destruyéndose las células ß?

Fas y su ligando (FasL), son proteínas pertenecientes a la familia FNT, que juega un papel primordial en la inducción de apoptosis celular (51). La unión de Fas con FasL resulta en la apoptosis de las células que expresan Fas por medio de las activación de la vía de las caspasas, lo que conlleva a fragmentación de ADN y posteriormente a muerte celular (52).

Las células ß expresan Fas en respuesta al ataque de las células inmunológicas autoreactivas (53). Cuando se implantan islotes pancreáticos en ratones diabéticos o en ratones con insulitis, las células ß son rápidamente atacadas por el infiltrado autoinmune el cual induce la expresión de Fas (54,55). Del mismo modo, Fas se expresa en las células ß de los pacientes con diabetes tipo 1. El análisis de biopsias de humanos demostró Fas en células ß de islotes con insulitis mas no en islotes sin insulitis, lo que sugiere que las células inmunes que infiltran los islotes inducen expresión de Fas en la células ß (56). La estimulación con citocinas, NO o glucosa también puede inducir la expresión de Fas (57-59).

La principal fuente celular de FasL parece provenir de las células que conforman la insulitis ya que se ha detectado gran cantidad de apoptosis en células ß localizadas en proximidad a células inmunes que expresan FasL (59). Sin embargo, las células ß también pueden expresar FasL60. Los ratones NOD que expresan el transgen para FasL en células ß desarrollan una forma acelerada de diabetes (61,62), lo cual confirma que la interacción de estas dos moléculas induce apoptosis de las células ß.

Los análisis inmunohistoquímicos han demostrado que las células ß viejas, al contrario de las jóvenes, expresan Fas luego de la exposición a células inmunes autoreactivas, hecho que sugiere que la capacidad de expresar Fas se adquiere con el tiempo (62-64). Los estudios en humanos y roedores han demostrado que para que las células ß sean destruídas, se necesita que sean estimuladas primero por las moléculas producto de la inflamación. Un estímulo inicial a la célula ß con citocinas parece ser crucial para la posterior expresión de Fas en respuesta a estrés. In vitro , se ha observado que solo mueren las células ß previamente tratadas con citocinas (65, 66). De forma similar, las células T CD4 diabetogénicas matan específicamente a las células que expresan Fas y que hayan sido tratadas con citocinas, pero no tienen efecto sobre las células no tratadas con citocinas o con deficiencia de Fas (67).

De este modo, las células ß quedan expuestas a la muerte celular específica mediada por Fas y FasL, de la cual no pueden escapar y terminan por destruirse (5).

Conclusiones

Las células ß del páncreas son las únicas células encargadas de producir insulina para posteriormente liberarla al torrente sanguíneo. Durante la progresión de la diabetes de tipo I, las células ß son atacadas por células inmunes autoreactivas que terminan por destruirlas e inducir la enfermedad. Hemos descrito en detalle las moléculas producto de la inflamación autoinmune, principalmente la citoquinas proinflamatorias y derivados del oxígeno, que tienen la capacidad de inducir la muerte de las células ß de una manera inespecífica.

Una vez la insulitis se ha instaurado, las células ß tienen la capacidad de responder al ataque inmunológico y desarrollar una respuesta de defensa mediante la cual pueden llegar a obviar el ataque inmunológico inespecífico. Esta respuesta incluye la modificación tanto del metabolismo celular basal como de la expresión de genes y moléculas de defensa celular.

Sin embargo, debido al ataque crónico del infiltrado inflamatorio la célula ß termina por expresar Fas, lo cual induce muerte celular específica de la cual no pueden escapar, produciéndose así la muerte de la mayoría de las células ß y posteriormente la aparición de los síntomas de la diabetes. El entendimiento de la biología de las células ß y su respuesta al ataque inmunológico es indispensable para desarrollar estrategias encaminadas a prevenir, tratar y eventualmente curar la diabetes de tipo I.

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