Rol de la interacción mitocondria-retículo sarcoplásmico y la dinámica mitocondrial en la regulación de la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos en el músculo esquelético humano

La resistencia a la insulina en el músculo esquelético se reconoce como uno de los factor de riesgo de diabetes mellitus tipo 2. Sin embargo, el mecanismo por el cual se gatilla la resistencia a la insulina no esta claro. Una de las teorías es la lipotoxicidad, que es producto de una acumulación excesiva de especies lipídicas, siendo esta acumulación producto potencialmente de un desbalance entre la captación y la oxidación de ácidos grasos. De este modo, identificar factores moleculares que regulen la oxidación de ácidos grasos en el músculo esquelético, podría aportar información relevante en el desarrollo de métodos para prevenir y/o tratar la resistencia a la insulina. Estudios en animales y líneas celulares, sugieren que la interacción entre las mitocondrias y el retículo sarcoplásmico (mitocondria-RS) y la respuesta dinámica de las mitocondrias (fenotipo de fusión mitocondrial [mitocondrias con mayor tamaño y mayor abundancia de las proteínas que regulan la fusión]/ fenotipo de fisión mitocondrial [mitocondrias con menor tamaño y con mayor abundancia de las proteínas que regulan la fisión]) desempeñan un papel en la regulación de la oxidación de ácidos grasos. Además, un estudio reciente en células hepáticas, sugiere que la fusión mitocondrial depende de la interacción mitocondria-RS a través de calcio, por lo tanto la interacción mitocondria-RS y la fusión mitocondrial podrían ser fenómenos acoplados y este acoplamiento jugar un rol en la oxidación de ácidos grasos. Sin embargo, esto no se ha evaluado en el músculo esquelético humano. Hipótesis: Postulamos que la interacción mitocondria-retículo sarcoplásmico y el fenotipo mitocondrial fusionado en el músculo esquelético humano en reposo, se correlacionan directamente con la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. Objetivos: Demostrar que existe una correlación directa entre la interacción mitocondriaretículo sarcoplásmico y el fenotipo mitocondrial fusionado en el músculo esquelético humano en reposo, con la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. Objetivos específicos: 1) Evaluar si existe una correlación directa entre la interacción mitocondria-retículo sarcoplásmico en el músculo esquelético en reposo y la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. 2) Evaluar si existe una correlación directa entre el fenotipo mitocondrial fusionado en el músculo esquelético en reposo y la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. 3) Medir in vitro el rol de la interacción mitocondria-retículo sarcoplásmico en la respuesta dinámica de las mitocondrias frente a la exposición a ácidos grasos en células musculares humanas. Materiales y Métodos: Para los objetivos 1 y 2, incluimos doce hombres sin enfermedades metabólicas diagnosticadas, a los cuales medimos la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos a través del cociente respiratorio (CR) cuerpo completo en reposo, posterior a 12 horas de ayuno. En estas condiciones de bajo gasto energético el músculo esquelético da cuenta de ~25% del consumo de oxígeno de todo el cuerpo. Posterior a esto, se les realizó una biopsia en el músculo vasto lateral de la pierna dominante. Inmediatamente obtenida la biopsia, los sujetos realizaron una sesión de ejercicio aeróbico (50% del consumo máximo de oxígeno, hasta gastar 600 kcal), en esta condición de alto gasto energético medimos el CR para estimar la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos durante el ejercicio (en ejercicio, a esta intensidad, el músculo esquelético da cuenta del ~80% del consumo de oxígeno de todo el cuerpo). El CR se calculó con la razón entre la producción de dióxido de carbono (VCO2) y el consumo de oxígeno (VO2) (VCO2/ VO2), siendo estos gases evaluados de manera simultánea, respiración por respiración, con un carro metabólico. El CR mientras más cercano a 0,7, mayor es la oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos, y mientras más cercano a 1 es el CR, mayor es la oxidación de glucosa relativa a la oxidación de ácidos grasos. Para evaluar la interacción mitocondria-RS usamos imágenes de microscopía electrónica de transmisión de las biopsias musculares. Para evaluar el fenotipo de fusión mitocondrial, usamos imágenes de microscopía electrónica de transmisión [tamaño de las mitocondrias] y western blot de las proteínas que regulan la fusión y la fisión mitocondrial. Para el objetivo 3, estudiamos el efecto de la incubación con ácido palmítico (AcidPal; 0,6 mM) y glucosa (10 mM), en células musculares primarias (miotubos) en la dinámica mitocondrial. Analizamos el efecto de XestoponginaB, un inhibidor de la interacción mitocondria-RS, en la dinámica mitocondrial inducida por AcidPal. XestoponginaB es un inhibidor especifico de la actividad del receptor inositol 1,4,5 ‐ trifosfato, el cual es clave en la liberación de calcio desde el RS a la mitocondria, de modo que se considera que inhibe específicamente la interacción mitocondria-RS. Resultados: Observamos una correlación inversa entre el porcentaje de mitocondrias interactuando con RS en el músculo esquelético en reposo y el CR cuerpo completo en reposo, pero no con el CR durante el ejercicio. Observamos una correlación inversa entre el tamaño de las mitocondrias intermiofibrilares en el músculo esquelético humano en reposo y el CR cuerpo completo en reposo y durante el ejercicio. Encontramos una correlación directa entre el tamaño de las mitocondrias intermiofibrilares con una mayor masa de la proteína Mfn 2 (proteínas que regula la fusión de las membranas externas de las mitocondrias), ajustada a la proteína Fis 1 (proteínas que regula la fisión mitocondrial) (razón Mfn 2/Fis 1). In vitro, los miotubos incubados con AcidPal presentan mitocondrias con mayor tamaño, en comparación a los miotubos incubados con glucosa. La coincubación de AciPal con XeB (1 µM) anulo el efecto del AcidPal en el tamaño de las mitocondrias. Finalmente, la co-incubación de AciPal con XeB produce una menor razón de las proteínas Mfn 2/Fis 1 en comparación a la incubación con AcidPal. Discusión y conclusión: Observamos que los sujetos con un mayor porcentaje de mitocondrias interactuando con RS y un mayor fenotipo de fusión mitocondrial en el músculo esquelético en reposo, tienen una mayor oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos en reposo, pero no durante el ejercicio. Por lo tanto, aceptamos nuestra hipótesis en reposo, pero no durante el ejercicio. Adicionalmente, la incubación con AcidPal induce un fenotipo de fusión mitocondrial in vitro, efecto que es inhibido al impedir la interacción mitocondria-RS. De este modo, demostramos que existe una correlación directa entre una mayor interacción mitocondria-RS, el fenotipo de fusión mitocondrial y una mayor oxidación de ácidos grasos relativa a la oxidación de carbohidratos. Demostramos además que la interacción mitocondria-RS es necesaria para la inducción del fenotipo de fusión estimulada por la incubación de AcidPal in vitro. Proponemos que existe un ciclo de retroalimentación positiva en que la disponibilidad de ácidos grasos induce la interacción mitocondria-RS y de esta manera el fenotipo de fusión mitocondrial, lo que es necesario para la oxidación de ácidos grasos. Serán necesarios experimentos que comprueben, en el músculo esquelético, que la interacción mitocondriaRS y el fenotipo de fusión mitocondrial son necesarios para la oxidación de ácidos grasos. Basados en nuestros resultados, sugerimos que la interacción mitocondria-RS y la fusión mitocondrial en el músculo esquelético sean considerados como potenciales blancos para la prevención y/o el tratamiento de patologías asociadas a la disminución de la oxidación de ácidos grasos, como la resistencia a insulina.