ROLE OF THE CARDIAC β3-ADRENOCEPTOR IN THE PATHOPHYSIOLOGY OF HEART FAILURE

Abstract
The characterization of the gene encoding the β3-adrenoceptor helped to interpret the results of pharmacological experiments on atypical effects of catecholamines distinct from the classical activation of β1 and β2 adrenoceptors. In rodents, the β3 adrenoceptor is abundantly expressed in white adipose tissue as well as in brown adipose tissue. Treatment of rodents with β3 adrenoceptor agonists induces a weight loss related to the stimulation of lipolysis in these two tissues. However, their poor lipolytic effect in human adipose tissue and the recent discovery of functional β3 adrenoceptors in the human heart raise new questions on the use of agonists in man. In the human ventricle, these agonists induce a negative inotropic effect. As this effect is conserved in the failing heart, it could shed a new light on the pathogenic role of the hyperadrenergism associated with cardiac failure, as well as on its treatment with beta-adrenoceptor blockers. This review summarizes the rationale and effects of beta-adrenergic blockade in chronic heart failure and specifically addresses the question of the potential use of β3-adrenoceptor antagonists in the treatment of heart failure and other pathophysiological conditions associated with a decreased cardiac contractility.

Key words
Receptors, adrenergic, catecholamines, contractility, heart failure, sepsis

Artículo completo
Introducción
La insuficiencia cardíaca se caracteriza por el aumento de la transmisión adrenérgica a nivel del miocardio comprometido. Los valores circulantes de catecolaminas se incrementan a medida que se agrava la enfermedad¹ y el pico en los niveles plasmáticos de norepinefrina predice evolución muy desfavorable.² Esto condujo a la hipótesis inicial de que la activación a corto plazo del sistema nervioso simpático era necesaria para sostener la circulación en la insuficiencia cardíaca y justificaba la contraindicación de la utilización de los antagonistas simpáticos (ej.: bloqueantes betadrenérgicos) en estos pacientes.³ No obstante, la activación a largo plazo del sistema nervioso simpático también ejerce efectos adversos a nivel biológico que claramente contribuyen en forma importante con la progresión de la insuficiencia cardíaca.⁴ Ensayos clínicos a gran escala acerca del beneficio del bloqueo crónico de los receptores β en la insuficiencia cardíaca identificaron las ventajas del bloqueo e incluyeron los betabloqueantes en el enfoque terapéutico clásico de la insuficiencia cardíaca crónica.
Recientemente la identificación de un receptor adrenérgico β3 inotrópico negativo en el corazón humano generó nuevos interrogantes.^5,6 Desde el punto de vista fisiológico es necesario aclarar el papel del receptor β3, que se expresa junto con los receptores adrenérgicos β1 y β2. Ultimamente se identificaron algunos elementos de la vía de transmisión de señales a través de este receptor, así como la regulación en la insuficiencia cardíaca de la expresión del gen del receptor adrenérgico β3. Los estudios longitudinales que utilizan agonistas y antagonistas específicos de los receptores β3 en modelos animales de insuficiencia cardíaca permitirán determinar si estas sustancias resultan útiles en el tratamiento de la disfunción miocárdica.
Por lo tanto, este trabajo resume la fundamentación para el bloqueo adrenérgico &beta3; en la insuficiencia cardíaca crónica y trata específicamente de responder la pregunta acerca del uso potencial de los antagonistas de los receptores β3 en el tratamiento de las condiciones fisiopatológicas que se asocian con la disminución de la contractilidad cardíaca.
Justificación de la terapia betabloqueante en la insuficiencia cardíaca crónica
El corazón humano con insuficiencia se caracteriza por la activación del sistema nervioso simpático.^7-9 El consiguiente exceso de catecolaminas mantiene la función cardíaca en el corto plazo debido a que estimula la contractilidad y la frecuencia cardíacas. Este incremento en la trasmisión adrenérgica, beneficioso al comienzo, termina siendo perjudicial para el miocardio.^10,12
En su mayoría, los receptores adrenérgicos son responsables de la respuesta inotrópica positiva y promueven el crecimiento de las células musculares cardíacas en los seres humanos.^13,14 Estos receptores están acoplados con la proteína G estimulante (Ge) y con la adenilciclasa ligada a la membrana, por lo que aumentan los niveles intracelulares de AMPc. En ventrículos humanos sin insuficiencia, la relación β1/β2 favorece a los receptores β1, pero en los ventrículos con insuficiencia 35% a 40% del total de receptores betadrenérgicos son del subtipo β2 debido a la disminución selectiva del subtipo β1.^13-15 Los receptores &alfa1; se encuentran acoplados a la fosfolipasa C a través de diferentes subclases de proteína G (Gq), la cual, mediante un segundo mensajero, el diacilglicerol, activa las isoformas de la proteinquinasa C. Debido a que los receptores α1 están aumentados en el corazón con insuficiencia, el perfil de receptores adrenérgicos en las células del miocardio cambia de la forma predominante β1 a una relación α/β mixta en la insuficiencia cardíaca terminal.¹⁵ Además, el receptor β3 también está presente en el corazón humano como receptor contrarregulador acoplado a la proteína G inhibidora (Gi)^5,6 y ejerce su efecto inotrópico negativo.
La norepinefrina es cardiotóxica y produce daños¹⁶ en los miocitos cardíacos incluso en concentraciones “fisiológicas” como las que se encuentran en el corazón humano con insuficiencia. La norepinefrina es ligeramente selectiva para los receptores β1 y su citotoxicidad podría estar mediada por los receptores betaadrenérgicos más que por los alfaadrenérgicos.¹⁶
En ratones transgénicos el aumento en la expresión de los receptores β1 humanos,¹⁷ Ge¹⁸ y Gq¹⁹ produce un fenotipo de miocardiopatía con dilatación de la cámara ventricular izquierda y disfunción sistólica.
El aumento de la expresión de Ge también se asocia con un incremento en los marcadores de apoptosis como el que se observa en los miocitos cardíacos de ratas adultas luego de la exposición a los agonistas β.^20,21 En los miocitos de ratas adultas la estimulación del receptor β1 actúa como mediadora en la transmisión de señales de apoptosis mientras que la vía del receptor &beta2 es antiapoptótica, ya que está acoplado a la proteína G inhibitoria.^21,22 No obstante, los niveles elevados de la sobreexpresión de receptores β2 humanos conducen a la depresión de la función sistólica y al fenotipo de miocardiopatía,²³ mientras que la expresión del receptor &alfa;1 constitucionalmente activado produce hipertrofia concéntrica.²⁴
En el corazón con insuficiencia, la vía betaadrenérgica se caracteriza por la reducción y desensibilización de los receptores β1 y β2, niveles elevados de la proteína G inhibitoria y aumento en la expresión y en la actividad de la quinasa del receptor betaadrenérgico (βKRA).²⁵ En el corazón con insuficiencia cardíaca terminal el 50% a 60% de la transducción de señales se encuentra potencialmente perdida, pero subsiste una capacidad sustancial para la transmisión de señales.¹⁵ Los modelos homólogos y heterólogos de sistemas²⁶ de desensibilización de los receptores betaadrenérgicos también sugieren que la desensibilización betaadrenérgica puede ser protectora y que la estrategia terapéutica potencial podría reforzar este efecto antiadrenérgico endógeno mediante la inhibición de la transducción de señales del receptor.^27-29 Esta podría ser uno de los fundamentos para el uso de agentes antiadrenérgicos en el tratamiento de la insuficiencia cardíaca crónica.
El papel del receptor adrenérgico β3 en el corazón humano normal
Tradicionalmente, la transducción de señales de la estimulación catecolaminérgica en las células cardíacas se atribuye a los receptores adrenérgicos β1 y β2 y en menor medida a los receptores adrenérgicos &alfa;1. Hasta el presente, la activación de los receptores β se asoció exclusivamente con la estimulación de la contracción cardíaca. Sin embargo, el efecto atípico de la isoprenalina en presencia de nadolol –un antagonista de los receptores β1 y β2– en biopsias de miocardio de ventrículo humano modificó este paradigma⁵ y sugiere la existencia de un tercer tipo de receptores β en el músculo ventricular humano. En efecto, contraria a las vías de los receptores β1 y beta;2 la activación de este receptor por la norepinefrina en presencia de los antagonistas &alfa;1, β1 y β2, así como la activación por los agonistas selectivos de los receptores β3 –como BRL37344–, disminuyen la fuerza contráctil.^5,6 El BRL37344 produce un efecto inotrópico negativo, que se mantiene en presencia de metoprolol (antagonista de los receptores adrenérgicos β1) o de el nadolol (antagonista de los receptores β1 y β2), pero que es contrarrestado por el bupranolol (antagonista no específico de los receptores β1, β2 y β3).⁶
Además, la evidencia farmacológica del receptor adrenérgico β3 en el miocardio está reforzada por el hallazgo de transcripciones de los receptores β3 adrenérgicos en las mismas biopsias sin producto correspondiente con el gen de la lipasa humana hormonosensible,⁶ que indica que estas transcripciones no se deben a la presencia de adipocitos como sugieren otros experimentos de PCR-RT en biopsias de aurículas humanas.^30,31
Más recientemente, se logró la localización inmunohistoquímica del receptor adrenérgico β3 en secciones de biopsias endomiocárdicas de humanos mediante un anticuerpo monoclonal específico y el mismo anticuerpo también se utilizó satisfactoriamente en experimentos con Western Blotting, lo que confirma la expresión proteica de este subtipo de receptores en los miocitos cardíacos.³²
La vía de señalización intracelular de los receptores β3 en células miocárdicas se identificó recientemente, al menos en forma parcial. Este receptor forma parte de la superfamilia de los receptores ligados a la proteína G. En el corazón humano, el hallazgo de un efecto inotrópico negativo luego de la estimulación del receptor β3 es difícil de conciliar con un receptor β3 ligado a la proteína G estimulante. En adipocitos se vio que estos receptores podrían estar ligados a proteínas G inhibitorias.^33,34 Para tratar de definir el papel de las proteínas Gi en el corazón humano, Gauthier y col.⁵ evaluaron el efecto del BRL37344 en biopsias previamente tratadas con toxina pertussis. Este tratamiento redujo el efecto del agonista β3 selectivo tanto en la contracción cardíaca⁶ como en la generación de GMP cíclico;⁵ esto sugiere que las proteínas Gi/0 podrían estar involucradas en la vía del receptor adrenérgico β3.
El efecto inotrópico positivo de las catecolaminas es atenuado por su activación mediante la producción de óxido nítrico (ON) de la sintasa endotelial de óxido nítrico expresada constitucionalmente en los miocitos cardíacos;³⁵ Gauthier y col.⁵ examinaron el papel de esta sintasa como mediadora del efecto del receptor adrenérgico β3 en biopsias de miocardio. En presencia de azul de metileno, un bloqueante no específico del ON que inhibe la activación de la guanililciclasa, el efecto inotrópico negativo del BRL37344 se redujo notablemente, al igual que en presencia de L-NAME y L-NMNA, dos inhibidores de la sintasa de ON. En otros estudios,⁶ los autores demostraron la reversibilidad de la inhibición de la sintasa de ON con el sustrato de esta enzima –L-arginina– y la ineficacia de su enantiómero, que no es utilizado como sustrato por la sintasa del ON.
Además, en condiciones experimentales similares, los cambios en los niveles intracelulares de GMPc igualaron los efectos sobre la contracción, lo que podría explicar el papel de este nucleótido cíclico como mediador del efecto que atenúa la contracción del músculo cardíaco. Además, la potenciación del efecto inotrópico positivo de la isoprenalina por la sintasa del ON es abolida en ratones homocigotos con deficiencia del receptor adrenérgico β3,³⁶ lo que confirma el papel de este subtipo en la regulación de la respuesta a catecolaminas dependiente del ON in vivo.
Las vías intracelulares que pueden regular la disminución de la contractilidad cardíaca en respuesta a la elevación de GMPc incluyen la activación de proteinquinasas dependientes del GMPc, que disminuyen la corriente de calcio a través de la regulación de los canales tipo L^37,38 o disminuyen la sensibilidad de los miofilamentos cardíacos al calcio³⁹ y la activación de las fosfodiesterasas, con descenso de lo niveles de AMPc.⁴⁰ Otra alternativa es que el ON puede regular la función cardíaca en forma independiente del GMPc a través de proteínas clave como la citocromo C oxidasa,⁴¹ la creatinina fosfoquinasa⁴² o los canales de calcio tipo No obstante, informes previos sugieren que la importancia relativa de cada vía podría estar influida de manera importante por la preparación del experimento, las especies, la región del corazón estudiada, las concentraciones de ON y de GMPc generadas (véanse referencias 44, 45).
La regulación de la actividad eléctrica cardíaca por el receptor β3 no fue investigada exahustivamente. En los seres humanos, los efectos inotrópicos negativos se asociaron con disminución de la amplitud del potencial de acción y la aceleración de la fase de repolarización del potencial de acción ventricular.⁵ Como estos efectos no se observaron en pacientes con fibrosis quística⁴⁶ –enfermedad genética causada por mutaciones en el gen que codifica la proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (RTFQ)–⁴⁷ estos resultados sugieren que los efectos de la estimulación del receptor adrenérgico β3 podrían ser consecuencia de una corriente de cloro a través de los canales RTFQ. En un sistema de expresión heterólogo la expresión conjunta de los receptores adrenérgicos β3 de seres humanos y la RTFQ, los agonistas β3 inducen la activación independiente de la vía del AMPc/ proteinquinasa A de RTFQ a través de la estimulación de proteína G sensible a la toxina pertussis.⁴⁸ El descubrimiento del acoplamiento funcional entre los receptores adrenérgicos β3 y el canal de K+ Kv(s)(KvLQT1/minK) en oocitos de Xenopus,⁴⁹ sugiere la posibilidad de la regulación de los potenciales de acción a través de corrientes de K+. Recientemente, estudios electrofisiológicos en miocitos aislados de cobayo demostraron que la estimulación del receptor adrenérgico β3 reduce significativamente la corriente escalonada de I(Ks).⁵⁰
La regulación de la vía del receptor adrenérgico β3 en el miocardio enfermo
En las etapas iniciales de la insuficiencia cardíaca, diversos mecanismos neurohumorales se activan para aumentar la presión sanguínea y mantener el flujo sanguíneo hacia los órganos vitales. Estos mecanismos compensadores abarcan la activación del sistema renina-angiotensina-aldosterona con un incremento en la liberación de vasopresina y la activación del sistema nervioso simpático. No obstante, cuando son activados crónicamente, estas vías pueden presentar efectos deletéreos que deterioran aun más la función cardíaca.
Luego de la estimulación prolongada de los receptores adrenérgicos β, el sistema de la adenilato ciclasa se desensibiliza en dos etapas. La etapa a corto plazo se desencadena por la quinasa del receptor adrenérgico β (β-KRA) y la proteinquinasa A dependiente del AMPc (PKA) que fosforila el receptor ocupado y facilita el desacople de la proteína Ge&alfa;. Por otro lado, la exposición prolongada a los agonistas lleva a la disminución del número de receptores.
Bristow y col. fueron los primeros que describieron la reducción en la densidad de receptores adrenérgicos β en la insuficiencia cardíaca.⁵¹ En estudios posteriores⁵² se demostró que la densidad de los receptores adrenérgicos β1 está reducida en las membranas del miocardio de pacientes con insuficiencia cardíaca terminal secundaria a miocardiopatía dilatada e isquémica. En el tejido miocárdico de pacientes con isquemia la densidad de receptores adrenérgicos β2 no se modifica o se reduce levemente, mientras que en pacientes con miocardiopatía dilatada nunca se informaron modificaciones en el número de receptores adrenérgicos β2. La RT-PCR cuantitativa del ARNm de los receptores adrenérgicos β1 y β2 confirmó que los niveles reducidos de ARNm de los receptores &beta,1 contribuyen a la reducción del número de receptores, mientras que los receptores adrenérgicos β2 se encuentran sin cambios a nivel de las proteínas y del ARNm. No obstante, estos receptores β2 remanentes podrían ser sensibles al desacoplamiento debido al incremento concomitante de la expresión de la β-KRA y de su actividad,⁵⁴ que podría resultar en aumento de la fosforilación del receptor y el desacoplamiento de la proteína Ge&alfa;.
Un paso importante para entender el papel del receptor adrenérgico β3 en el tejido cardíaco fue el análisis de la regulación de este receptor en el corazón humano con insuficiencia cardíaca. Un trabajo reciente³² en muestras de miocardio humano demostró que, en comparación con los niveles observados en corazones sin insuficiencia y no desnervados, la expresión de la proteína del receptor adrenérgico β3 está significativamente incrementada en el tejido cardíaco con insuficiencia, tanto debido a miocardiopatía dilatada como isquémica. Cabe destacar que experimentos inmunohistoquímicos revelaron que el receptor se expresa principalmente en los miocitos cardíacos, lo que refuerza el paradigma de un acoplamiento directo con la sintasa endotelial del ON en este tipo de células. Es interesante que este incremento sea paralelo al aumento de la expresión de la proteína G&alfa;i-2, como informa la literatura.^55,56
Además, los receptores adrenérgicos β3, al ser comparados con los receptores β1 y β2, presentan características distintivas que podrían ser interesantes en el contexto de la insuficiencia cardíaca. En primer lugar se encuentran acoplados con la proteína Gi/o, probablemente G&alfa;i-2, la principal isoforma de la proteína Gi en el ventrículo humano, que se encuentra aumentada en la insuficiencia cardíaca.^55,56 En segundo lugar, el receptor adrenérgico β3 es relativamente resistente a la desensibilización que tiene lugar luego de la estimulación con agonistas.⁵⁷ Este receptor también es refractario al desacople de la vía de señalización a corto plazo promovido por los agonistas, en parte debido a que no contiene los sitios de fosforilación para la proteinquinasa A y la quinasa del receptor adrenérgico β en el tercer bucle citoplasmático y en la región C terminal. También es resistente a la disminución a largo plazo. Además, el receptor adrenérgico β3 se activa con dosis más altas de catecolaminas que los receptores β1 y β2.⁵⁸ En conjunto, toda esta información sugiere que luego de la activación prolongada la respuesta mediada por el receptor β3 puede estar preservada mientras que las respuestas mediadas por los receptores β1 y β2 están disminuidas y, aparte del incremento de la abundancia del receptor, podría explicar el papel del receptor adrenérgico β3 durante el aumento del tono adrenérgico típico en la insuficiencia cardíaca.
Debido a la falta de modelos animales adecuados, Tavernier y col. generaron ratones transgénicos con expresión específica en el corazón del receptor adrenérgico β3 de seres humanos.⁵⁹ Al estimularlos con diversos agonistas del receptor β3, este modelo reprodujo ex vivo los efectos inotrópicos negativos obtenidos mediante la estimulación del receptor β3 en el tejido ventricular humano.^5,6 Recientemente se evaluó en perros el significado funcional de la activación endógena de dicho receptor antes y después de la inducción de insuficiencia cardíaca utilizando un marcapaso. En los miocitos cardíacos obtenidos de animales con insuficiencia el antagonista específico del receptor adrenérgico β3 L-748,337 produjo incrementos significativos en la contracción y en la relajación.⁶⁰
En el miocardio de aurícula derecha de seres humanos, sin embargo, el BRL37344 produce efectos inotrópicos positivos pero esto sería mediado a través de los receptores adrenérgicos β1 y β2 mientras que el aumento de la actividad de la sintasa endotelial del ON le fue atribuido a la estimulación del receptor adrenérgico β3 y no tendría influencia sobre la contractilidad auricular.⁶¹ Los autores concluyeron que la estimulación del receptor adrenérgico β3 se encuentra presente en la aurícula humana pero funcionalmente no pareces tan significativa como en los ventrículos.
El uso de los antagonistas β3 en la insuficiencia cardíaca
La coexpresión de tres subtipos de receptores betaadrenérgicos acoplados a efectos inotrópicos inversos cardíacos, de alguna manera permite resumir, en el miocardio, un paradigma bien conocido descrito en los vasos, donde las catecolaminas activan efectos contráctiles y relajantes. Como en los vasos, la concurrencia de las vías del efecto inotrópico positivo de los receptores dependientes de AMPc (β1 y β2 adrenérgicos) y del efecto inotrópico negativo de los receptores dependientes del ON (β3 adrenérgicos) podría proporcionar la comprensión detallada del control de la contractilidad cardíaca mediada por todos estos receptores. Dicho de otra manera, la vía del receptor adrenérgico β3 podría funcionar como un mecanismo de “rescate” compensador para evitar el daño de los miocitos por la estimulación excesiva de los receptores adrenérgicos β1 y β2. Sin embargo, a medida que la insuficiencia cardíaca progresa hacia su estadio final, este mecanismo compensador podría dificultar la adaptación mediante un efecto inotrópico negativo persistente que podría incrementar aun más la disfunción miocárdica (figura 1). En ambos casos, la evidencia disponible apoya la influencia predominante del receptor β3 ante el aumento de los niveles circulantes de catecolaminas como en la insuficiencia cardíaca. Pero la estimulación del receptor β3 podría no tener un efecto deletéreo uniforme en estas condiciones fisiopatológicas. Además, el efecto vasodilatador de los receptores adrenérgicos β3 sobre el tono vascular podría contribuir a la disminución de la resistencia vascular periférica y la poscarga del corazón con insuficiencia. También la liberación de ON en el miocardio luego de la estimulación del receptor adrenérgico β3 podría favorecer la relajación diastólica y reducir el consumo de oxígeno mejorando de esta forma el estado cardíaco.

En el corazón, la vía del receptor β3 adrenérgico está al servicio de diferentes funciones fisiológicas. En el corazón normal, éste puede ejercer un efecto contrarregulador negativo ante la excesiva estimulación inotrópica positiva, de esta manera regula el consumo de oxígeno, evita la sobrecarga de calcio y en última instancia la toxicidad en los miocitos cardíacos, como lo ejemplifica el fenotipo con aumento en la expresión de los receptores adrenérgicos β1 en el ratón. En las etapas iniciales de la disfunción cardíaca, la producción endógena de ON puede, además de atenuar las respuestas inotrópicas β1 y β2, mejorar la relajación sistólica, de esta manera compensa la disfunción sistólica con el incremento de la reserva diastólica. En corazones con insuficiencia terminal, el efecto inotrópico negativo residual puede adaptarse incorrectamente y agravar la disfunción sistólica.

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