El metabolismo del butirato y la glucosa por los colonocitos en colitis experimental en ratones | Intestino

Discusión

los AGCC, incluidos el acetato, el propionato y el butirato, producidos por fermentación bacteriana en el colon, influyen en la función de las células epiteliales del colon de diversas maneras. Son la principal fuente de energía metabólica de los colonocitos y son necesarios para el mantenimiento de la función mucosa normal.21314 Los AGCS, principalmente el butirato, proporcionan al colonocito aproximadamente el 70% de su energía. En colonocitos sanos, el orden de utilización de diversos sustratos disponibles para la mucosa colónica es butirato>glucosa>cuerpos cetónicos>glutamina.2 En el caso de un deterioro metabólico específico, como se supone que ocurre en la colitis ulcerosa, 3 los colonocitos utilizarán sustratos alternativos para compensar el déficit energético.

Este estudio muestra que el metabolismo de los colonocitos en ratones es similar al del hombre, la rata y otras especies reportadas en la literatura1516 al utilizar butirato para el metabolismo oxidativo con preferencia a la glucosa. El estudio también muestra que la oxidación de butirato por los colonocitos se ve afectada en la colitis por DSS en ratones. El deterioro es específico, porque la oxidación de la glucosa continúa a niveles normales (o incluso aumentados) en la colitis por DSS. La reducción de la oxidación de butirato en un 80% en la colitis DSS II se traducirá en una disminución general de aproximadamente el 55% de la energía celular, que se compensa muy ligeramente por el aumento de la oxidación de glucosa. El colonocito lleva a cabo muchos procesos dependientes de la energía vitales para la salud, incluido el intercambio de electrolitos, la síntesis de mucina, la síntesis de lípidos, la síntesis de proteínas estructurales y la desintoxicación.17-20 La pérdida de energía celular puede perjudicar todos estos procesos y puede contribuir al daño de las células epiteliales y a la pérdida de colitis por DSS. La inanición epitelial del colon puede provocar atrofia a corto plazo y colitis a largo plazo.

El deterioro de la oxidación del butirato fue sustancialmente mayor en ratones expuestos a dos ciclos de DSS (DSS II) que en aquellos expuestos a un solo ciclo (DSS I). Una mayor reducción de la oxidación de butirato en ratones DSS II se correlacionó con cambios histológicos más severos, consistentes en pérdida apreciable de criptas, displasia y atipia regenerativa. El curso temporal del desarrollo del metabolismo de butirato deteriorado en relación con los cambios histológicos es importante para determinar la importancia de los cambios en el metabolismo. Los primeros cambios histológicos se observaron después de tres días de administración de DSS, aunque dichos cambios fueron limitados y fragmentarios. Los primeros cambios incluyeron pérdida de células en algunas bases de criptas y defectos en la mucosa muscular, que fueron seguidos casi inmediatamente por infiltración inflamatoria. El deterioro sustancial del metabolismo fue detectable solo en el día 6, momento en el que los cambios histológicos fueron bastante pronunciados. Esto, junto con el hecho de que la incubación de DSS con colonocitos no alteró el metabolismo celular, plantea la fuerte posibilidad de que los cambios en el metabolismo de las células epiteliales fueran secundarios a la inflamación de la mucosa. Sin embargo, si el metabolismo celular se viera afectado de manera inespecífica por la inflamación, se esperaría que disminuyera el metabolismo del butirato y de la glucosa. El aumento compensatorio del metabolismo de la glucosa observado en la colitis DSS sugiere un deterioro específico del metabolismo del butirato. Como la lesión inicial de la colitis DSS es irregular, es posible que el metabolismo alterado (incluso si se tratara de un evento primario) no se vuelva perceptiblemente evidente hasta las últimas etapas de la enfermedad.

Los colonocitos maduran a medida que migran por el eje de la superficie de la cripta. Asociados a este proceso hay una serie de cambios en la expresión de proteínas y la función celular.21 En cualquier condición que resulte en daño epitelial, el epitelio de la superficie puede ser funcionalmente inmaduro. Cualquier alteración funcional del epitelio (como deterioro de la oxidación de butirato) en esta situación puede ser hipotéticamente secundaria a la inmadurez del epitelio. Por lo tanto, examinamos la posibilidad de que las células superficiales (maduras) y criptas (inmaduras) tengan diferentes capacidades para metabolizar el butirato. Las células de superficie mostraron una capacidad cuantitativamente mayor para oxidar tanto el butirato como la glucosa que las células criptas (aproximadamente 4,5 y 3,5 veces, respectivamente). En este estudio, no examinamos la utilización de glutamina, que, aunque no es cuantitativamente muy importante en colonocitos normales, puede aumentar en explantes colónicos de pacientes con colitis ulcerosa.22 La proporción de butirato a oxidación de glucosa fue igualmente alta en células de superficie y criptas (12:1 y 10:1), lo que sugiere que tanto las células de cripta como las de superficie muestran una preferencia por el butirato como sustrato para la producción de energía. La proporción de utilización de butirato a glucosa apreciablemente reducida observada en la colitis por DSS sugiere que la disminución de la oxidación de butirato en la colitis por DSS no está relacionada con la madurez de los colonocitos.

La producción de cuerpos cetónicos, especialmente la producción de β-hidroxibutirato, también se vio afectada en la colitis DSS en comparación con los ratones control normales. La inhibición concomitante de la producción de CO2 y la producción de cuerpos cetónicos a partir del butirato en la colitis por DSS sugiere una alteración en la vía de β-oxidación en lugar de la vía de Lynen (cuerpo cetónico) o el ciclo de Krebs. El cambio perjudicial en la oxidación de ácidos grasos pero no en la oxidación de glucosa en los colonocitos de ratones tratados con DSS también sugiere el mantenimiento del ciclo de Krebs y, por lo tanto, las funciones mitocondriales en la célula.

Se ha observado alteración de la oxidación del butirato, pero no de la glucosa, en colonocitos aislados de pacientes con colitis ulcerosa activa y quiescente.32022-24 El hecho de que otros investigadores2526 no confirmaran tal conclusión se ha atribuido a posibles diferencias de metodología.1 El patrón de metabolismo anormal descrito en la colitis ulcerosa es similar al observado en la colitis DSS en este estudio. El ibuprofeno, un antiinflamatorio no esteroideo implicado en el desarrollo de colitis, disminuye la oxidación de butirato pero no la oxidación de glucosa cuando se agrega a colonocitos normales in vitro.27 De manera similar, la reducción de los compuestos de azufre, también implicados en el desarrollo de colitis ulcerosa, deteriora selectivamente la oxidación de butiratos en colonocitos humanos y de ratas, con un ligero aumento compensatorio en la oxidación de glucosa.28-30 En cada una de las situaciones anteriores, el patrón de metabolismo es similar al de la colitis DSS. La inanición de colonocitos, secundaria a la falta de butirato luminal, es la causa postulada de la colitis de desviación.5 En esta enfermedad, se supone que la glucosa derivada de la circulación está disponible y metabolizada normalmente por los colonocitos. Por otro lado, la deficiencia de SCFA luminal en ratas causa atrofia, pero no los otros cambios de colitis.3132 Por lo tanto, parece que el metabolismo energético deteriorado por sí solo puede no ser suficiente para inducir la colitis, y que otros factores, presumiblemente de origen luminal, son necesarios para todas las manifestaciones de la colitis.

Los enemas de butirato son eficaces para mejorar el cuadro histológico tanto en la colitis de desviación como en la colitis ulcerosa.533 Su utilidad en la colitis ulcerosa ha sido particularmente difícil de explicar, y se ha invocado una acción masiva.31 En los presentes estudios, se observó que la concentración de sustrato aumenta cuantitativamente la oxidación del sustrato no solo en colonocitos normales, sino también en colitis por DSS. Mientras que el aumento de la oxidación de butirato fue de aproximadamente 15 veces en los colonocitos de control, fue de solo ocho veces en los colonocitos de animales tratados con DSS, ya que la concentración de butirato aumentó de 10 a 80 mm. Este aumento, en términos prácticos, equivaldría a una disponibilidad sustancialmente mayor de energía celular, y podría explicar el beneficio observado con los enemas de butirato en la colitis ulcerosa. Aunque el butirato a altas concentraciones puede inducir apoptosis en líneas celulares, estos estudios utilizaron solo incubaciones a corto plazo (45 minutos) y la viabilidad celular no se alteró de forma demostrable durante este tiempo.

Se ha notificado que el DSS tiene un efecto citotóxico directo sobre las células epiteliales intestinales y los linfocitos intraepiteliales.34 En el presente estudio, se excluyó un efecto directo del DSS sobre el metabolismo de los colonocitos porque el DSS añadido in vitro a los colonocitos normales no perjudicó significativamente el metabolismo de butiratos. La reducción de los compuestos de azufre, principalmente sulfuro, deteriora la oxidación de butirato por los colonocitos humanos y de rata.28-30 Este deterioro puede ocurrir a nivel de butiril-coa deshidrogenasa.35 Los compuestos de azufre reductores pueden producirse por la acción de bacterias intestinales sobre polisacáridos sulfatados.3036 DSS, un polisacárido sulfatado, puede aumentar la disponibilidad colónica de sulfato y puede estimular a las bacterias reductoras de sulfato a generar niveles más altos de sulfuro, que eventualmente son tóxicos para la mucosa colónica. Las bacterias reductoras de sulfato aumentan en el colon de los pacientes con colitis ulcerosa.37 La posibilidad de que las bacterias luminales sean necesarias en la patogénesis de la colitis DSS se apoya en la observación de que el metronidazol protege contra la colitis DSS.38 De manera similar, el caragenano, un polisacárido sulfatado, induce colitis en ratones normales, pero no en ratones libres de gérmenes.39 Por otro lado, se ha informado que la colitis por DSS ocurre en ratones libres de gérmenes.40 Es obvio que la patogénesis de la oxidación de butirato deteriorada en la colitis DSS necesitará una explicación más detallada.

En conclusión, la colitis DSS causa un defecto en la oxidación de butirato de colonocitos, con un aumento compensatorio en la oxidación de glucosa, muy parecido a las anomalías en la colitis ulcerosa humana. Debido a la naturaleza irregular de la lesión inicial de la mucosa, no está claro si la alteración del metabolismo celular es un fenómeno primario o secundario a la inflamación de la mucosa. En cualquier caso, como las células epiteliales del colon tienen importantes funciones de barrera y desintoxicación, el metabolismo del butirato deteriorado puede contribuir significativamente a la patogénesis de la colitis.