Efectos del ejercicio en la sensibilidad a las acciones de la insulina; métodos de medición, tipos de ejercicio e interacciones con dieta y medicamentos

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(1)Efectos del ejercicio en la sensibilidad a las acciones de la insulina; métodos de medición, tipos de ejercicio e interacciones con dieta y medicamentos Insulin sensitizing effects of exercise; measurement methods, exercise modalities and interactions with diet and medications. Juan Fernando Ortega Fonseca. TESIS DOCTORAL UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA TOLEDO, ESPAÑA 2014.

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(3) Efectos del ejercicio en la sensibilidad a las acciones de la insulina; métodos de medición, tipos de ejercicio e interacciones con dieta y medicamentos Insulin sensitizing effects of exercise; measurement methods, exercise modalities and interactions with diet and medications. Juan Fernando Ortega Fonseca. Director de Tesis: RICARDO MORA RODRÍGUEZ Ph.D.. TESIS DOCTORAL UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA TOLEDO, ESPAÑA 2014.

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(5) A Nathalie y al resto de mi familia, a todos ellos, sin importar sobre cuantas extremidades caminan..

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(7) "Para el logro del triunfo siempre ha sido indispensable pasar por la senda de los sacrificios." - Simón Bolivar. “Do or do not. There is no try.”. - Yoda. Grand Master of the Jedi Order..

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(9) D. RICARDO MORA RODRIGUEZ, CATEDRÁTICO DE LA FACULTAD DE CIENCIAS DEL DEPORTE, DE LA UNIVERSIDAD DE CASTILLA LA- MANCHA. INFORMA:. Que D. Juan Fernando Ortega Fonseca ha realizado bajo su dirección el trabajo titulado “Efectos del ejercicio en la sensibilidad a las acciones de la insulina; métodos de medición, tipos de ejercicio e interacciones con dieta y medicamentos”. Es un trabajo original, rigurosamente realizado, y es apto para ser presentado públicamente con el fin de obtener el grado de doctor.. Para que así conste y surta los efectos oportunos, firma este documento en Toledo 11 de marzo de 2014. Fdo. Dr. Ricardo Mora Rodríguez.

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(11) Tabla de Contenido 1.. TABLA DE ABREVIATURAS –TABLE OF ABBREVIATIONS .................................................................. 1. 2.. RESUMEN GENERAL ........................................................................................................................ 3. 3.. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 9. 2. GENERAL ABSTRACT ........................................................................................................................... 6 EQUILIBRIO DE LA GLUCOSA EN SANGRE............................................................................................ 9 EQUILIBRIO DE LA GLUCOSA DURANTE EL AYUNO. ........................................................................ 9. EQUILIBRIO DE LA GLUCOSA EN EL ESTADO POSTPRANDIAL ....................................................... 10. SECRECIÓN DE INSULINA PARA EL MANTENIMIENTO DE LA GLUCEMIA ...................................... 11 EFECTOS DE LA INTERACCIÓN DE LA INSULINA CON SU RECEPTOR ............................................. 13. CONTROL CENTRAL DE LA GLUCEMIA Y LA SENSIBILIDAD A LA INSULINA ................................... 14. MEDICIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA INSULINA ................................................................................ 16 SENSIBILIDAD A LAS ACCIONES DE LA INSULINA MEDIDA POR LAS CONCENTRACIONES DE GLUCOSA E INSULINA EN AYUNAS. ............................................................................................... 16 PRUEBA ORAL DE TOLERANCIA A LA GLUCOSA (OGTT) ................................................................ 17. PRUEBA INTRAVENOSA DE TOLERANCIA A LA GLUCOSA (IVGTT) ................................................. 18. PRUEBA DE TOLERANCIA A LA INSULINA (KITT) .............................................................................. 21 PRUEBA DE SUPRESIÓN DE LA INSULINA ...................................................................................... 21. TÉCNICA DE PERFUSIÓN DEL ANTEBRAZO .................................................................................... 22 CLAMP DE GLUCOSA ..................................................................................................................... 22. RESISTENCIA A LA INSULINA .............................................................................................................. 24 FISIOPATOLOGÍA DE LA RESISTENCIA A LA INSULINA ................................................................... 24. OBESIDAD Y RESISTENCIA A LA INSULINA ..................................................................................... 27 SÍNDROME METABÓLICO .............................................................................................................. 28. DIABETES MELLITUS TIPO 2 ........................................................................................................... 29. INTERVENCIONES QUE AUMENTAN LA SENSIBILIDAD A LA INSULINA ............................................. 31. PÉRDIDA DE PESO Y SENSIBILIDAD A LA INSULINA ....................................................................... 32. EJERCICO Y SENSIBILIDAD A LA INSULINA ..................................................................................... 32 4.. ESTRATEGIAS FARMACOLÓGICAS PARA INCREMENTAR LA SENSIBILIDAD A LA INSULINA .......... 34 OBJETIVO ....................................................................................................................................... 35. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................................................ 35 Estudio I ............................................................................................................................................. 35 Estudio II ............................................................................................................................................ 35 Estudio III ........................................................................................................................................... 35.

(12) 5.. Estudio IV........................................................................................................................................... 35 MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................................................. 37. Reclutamiento de sujetos y comité de ética. .................................................................................... 37. Diseños experimentales .................................................................................................................... 37. Evaluaciones preliminares ................................................................................................................. 38 Preparación de los participantes antes de cada prueba ................................................................... 38. Calorimetría indirecta........................................................................................................................ 39 Evaluación de hábitos nutricionales.................................................................................................. 39. Intervención alimentaria ................................................................................................................... 39 Ejercicio y entrenamiento ................................................................................................................. 40. Medición de variables cardiovasculares ........................................................................................... 40 Índices de sensibilidad a la insulina ................................................................................................... 41. Biopsias musculares .......................................................................................................................... 41. Análisis de muestras de sangre y músculo ........................................................................................ 42. Análisis estadístico ............................................................................................................................ 42. 6.. 7.. Monitorización de las concentraciones postprandiales de glucosa.................................................. 43 REFERENCIAS ................................................................................................................................. 44. APORTACIONES CIENTÍFICAS ......................................................................................................... 57. Estudio I. ............................................................................................................................................ 57 Estudio II ............................................................................................................................................ 67 Estudio III ........................................................................................................................................... 93 Estudio IV......................................................................................................................................... 113. 8. CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 121. 8. CONCLUSIONS ................................................................................................................................ 122.

(13) 1. 1. TABLA DE ABREVIATURAS –TABLE OF ABBREVIATIONS T2DM FFA SFA UFA EHC ISI AMPK OGTT IVGTT SIE HIE GLUT4 IRS PI3K PIP3 PKB-Akt CPT1 ACC TNF-α HOMA CSI KITT NF- κB PGC1α IL LPL HDL VLDL LDL HbA1C AIRCAR PPARs TZD ANOVA SI. ESPAÑOL Diabetes mellitus tipo 2 Ácidos grasos libres Ácidos grasos saturados Ácidos grasos insaturatos Clamp euglucémico-hiperinsulinémico Índice de sensibilidad a la sinulina Proteína quinasa activada por adenosina monofosfato Prueba de tolerancia a la glucosa oral Prueba de tolerancia a la glucosa intravenosa Ejercicio en intervalos usando sprints Ejercicio en intervalos de alta intensidad Proteínas transportadoras de glucosa 4 Substratos del receptor de insulina Fosfoinositol 3 quinasa Serina/treonina quinasas Proteína kinasa B Carnitina palmitol transferasa 1 Acetil carboxilasa Factor de necrosis tumoral α Modelo homeostático de medición Índice calculado de sensibilidad a la insulina de Tura Prueba de tolerancia a la insulina Factor nuclear κB Coactivador 1α de los receptores para la proliferación de peroxisomas Interleuquina Lipoproteína lipasa Lipoproteínas de alta densidad Lipoproteínas de muy baja densidad Lipoproteínas de baja densidad Hemoglobina glucosilada Ribonucleosido 5-aminoimidazol4carboxamida Receptores activados de proliferación de peroxisomas Tiazolidinedionas Analisis de varianza Sensibilidad a la insulina. ENGLISH Type 2 diabetes mellitus Free fatty acids Saturated fatty acids Unsaturated fatty acids Euglycemic-hyperinsulinemic clamp Insulin sensitivity index Adenosine monophosphate activated protein kinase Oral glucose tolerance test Intravenous glucose tolerance test Sprint interval exercise High intensity interval exercise Glucose transport protein 4 Insulin receptor substrates Phosphoinositol 3 kinase Serine/Threonine kinases Protein kinase B Carnitine palmitoil transferase 1 Acetyl carboxylase Tumoral necrosis factor α Homeostatic model assessment Tura’s calculated insulin sensitivity index Insulin tolerance test Nuclear Factor κB Peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1 α Interleukin Lipoprotein lipase High density lipoprotein Very low density lipoprotein Low density lipoprotein Glycosylated hemoglobin 5-Aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide Peroxisome proliferator-activated receptor Thiazolidinediones Analysis of variance Insulin sensitivity.

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(15) 3. 2. RESUMEN GENERAL La diabetes mellitus de tipo 2 (T2DM) es una enfermedad caracterizada por una disfunción de las señales desencadenadas por la unión de la insulina con su receptor que resulta en hiperglucemia con las consecuencias negativas que esto conlleva para la vasculatura. Las manifestaciones clínicas de la enfermedad son precedidas de un estado sostenido de resistencia a las acciones de la insulina que obliga al aumento en la secreción de la hormona hasta el agotamiento de las células ß del páncreas encargadas de sintetizar insulina. La T2DM es considerada actualmente como una pandemia afectando a más de 285 millones de personas a nivel mundial y con una incidencia creciente. Aunque existe una predisposición genética para desarrollar la enfermedad, la principal causa de la resistencia a la insulina es el desequilibrio entre la ingestión y la utilización de los sustratos energéticos. El músculo esquelético es el órgano que oxida la mayor parte de la energía ingerida en los alimentos. En reposo el miocito depende casi al 100% de la insulina para transportar la glucosa a su interior. La obesidad aumenta el flujo de ácidos grasos libres (FFA) en sangre excediendo la capacidad de la mitocondria para oxidarlos. Esta situación se ve empeorada si hay abundancia de ácidos grasos saturados (SFA) pues su ritmo de oxidación es más lento que el de los insaturados (UFA). La capacidad oxidativa del músculo está íntimamente ligada a la biogénesis mitocondrial. Así, condiciones como el sedentarismo que disminuyen la cantidad o la función de las mitocondrias, se asocian con dificultad para la oxidación de FFA. En esta situación, la acumulación intracelular de intermediarios del metabolismo de los ácidos grasos (diglicéridos, ceramidas y monoglicéridos) podría dificultar las acciones de la insulina. La resistencia a la insulina es un desarreglo metabólico difícil de detectar para quien lo padece. Las concentraciones de glucosa en sangre obtenidas en ayunas o tras una carga de glucosa se consideran útiles para diagnosticar los trastornos en el control glucémico. Sin embargo, se reconoce que mientras el páncreas sea capaz de producir insulina a ritmo alto, la resistencia a la insulina puede no manifestarse por hiperglucemia y podría pasar desapercibida. El análisis de las concentraciones de insulina puede aportar información valiosa sobre la cantidad de insulina que secreta el páncreas en relación a las concentraciones de glucosa. El estándar de oro para el estudio paraclínico de la sensibilidad a la insulina es el clamp euglucémico-hiperinsulinémico (EHC), procedimiento en el que se infunde por vía intravenosa glucosa e insulina para observar la captación de glucosa por los tejidos ante una concentración constante de insulina. A pesar de ser el procedimiento idóneo para el estudio de la sensibilidad a la insulina el EHC es un procedimiento técnicamente complejo que requiere una infraestructura hospitalaria y un equipo médico a cargo de los individuos estudiados. En lugares en los que no es posible realizar el EHC, se utilizan índices de sensibilidad a la insulina (ISI) derivados de pruebas de tolerancia a la glucosa o de la relación entre las concentraciones plasmáticas de glucosa e insulina en ayunas. El estudio de la sensibilidad a la insulina ocupa buena parte de la producción científica en el área de la endocrinología. La actividad física regular y la pérdida de peso por restricción calórica se usan para prevenir y combatir la resistencia a la insulina reduciendo el exceso en la disponibilidad de sustratos energéticos a nivel celular. Particularmente, la actividad física de alta intensidad, estimula la.

(16) 4 biogénesis mitocondrial causando un doble beneficio sobre la resistencia al a insulina. Aunque se reconoce el efecto sensibilizante del ejercicio a las acciones de la insulina, tanto de manera aguda como de forma crónica, no se conoce con precisión el tipo de ejercicio más apropiado para conseguir este efecto. De otro lado, existen dentro de la población general barreras culturales y psicológicas para la práctica regular de actividad física o para mantener una dieta equilibrada, de tal forma que no siempre se tiene éxito con estas estrategias. Cuando la actividad física y la dieta no son posibles de realizar (i.e., problemas de movilidad) o tienen un efecto débil, se recurre a medicamentos para aumentar la sensibilidad a las acciones de la insulina. La intervención farmacológica es imperativa si ya existe DMT2. Dentro de los agentes hipoglucemiantes la metformina es la medicina mas prescrita para combatir la resistencia a la insulina. Según estudios recientes actúa por medio de la proteína quinasa activada por adenosina monofosfato (AMPK). La AMPK funciona como sensor del flujo de sustratos energéticos en el interior de la célula, desencadenando señales para promover la oxidación de estos. Aunque la metformina se usa desde hace décadas como medicamento de primera línea para el tratamiento de la T2DM en conjunto con modificación en la vida diaria (dieta y ejercicio), recientes estudios han señalado que la metformina atenúa los beneficios del ejercicio sobre la sensibilidad a la insulina. Partiendo de los antecedentes previamente expuestos se realiza la presente tesis doctoral con el objetivo de estudiar los efectos sensibilizantes de diferentes modalidades de ejercicio a las acciones de la insulina usando ISI obtenidos de métodos técnicamente asequibles fuera del entorno hospitalario. Adicionalmente se pretende estudiar la interacción entre los efectos del ejercicio con intervenciones que afectan la sensibilidad a la insulina como son una dieta rica en ácidos grasos saturados o el tratamiento con metformina. Estas son situaciones ante las que se puede enfrentar un individuo en el que se esté tratando o previniendo la resistencia a la insulina. Esta tesis está articulada en cuatro estudios que buscaron abordar los problemas mencionados anteriormente.. En el primer estudio se analizó el efecto de dos semanas de dieta isocalórica rica en SFA sobre el perfil de lípidos y la sensibilidad a la insulina medida por un ISI derivado de una prueba de tolerancia oral a la glucosa (OGTT). Los efectos de esta intervención se midieron en un grupo de sujetos jóvenes con sobrepeso que recibió solamente esta dieta aterogénica y en otro grupo de sujetos con las mismas características que la recibió en combinación con un programa de once sesiones de ejercicio aeróbico. En este estudio se observó que con solo dos semanas de una dieta isocalórica rica en SFA se produjo un aumento significativo en las concentraciones plasmáticas de colesterol total y lipoproteínas de baja densidad sin un efecto significativo sobre el ISI. Sin embargo, el ejercicio concurrente a esta dieta aterogénica evitó el deterioro en el perfil de lípidos observado con la intervención dietética de forma aislada. Ante la sorprendente ausencia de cambios en el ISI con la dieta rica en SFA o con el ejercicio, se planteó la posibilidad que el ISI derivado de la OGTT no fuese lo suficientemente sensible para detectar los efectos del ejercicio en la sensibilidad a la insulina. Para contestar este interrogante se diseñó el siguiente estudio de la presente tesis doctoral. El segundo estudio de esta tesis se realizó con el objetivo de determinar la reproducibilidad (tres medidas) y la respuesta al ejercicio de dos ISI basados en pruebas de tolerancia a una carga de.

(17) 5 glucosa. Se compararon un índice derivado de una OGTT y otro derivado de una carga de glucosa intravenosa (IVGTT). Los resultados de este estudio indicaron que la reproducibilidad y la respuesta a una sesión de ejercicio del ISI derivado de la OGTT no eran óptimas. De otro lado, los resultados obtenidos con el ISI derivado de una IVGTT de 50 minutos de duración eran consistentes y permitían observar las mejoras con una sesión de ejercicio usando un menor tamaño muestral. Habiendo logrado identificar un ISI que fuese reproducible y sensible a los efectos del ejercicio en un ambiente extra-hospitalario, se planteó explorar la intensidad y duración de ejercicio más apropiado para mejorar la sensibilidad a la insulina. El tercer estudio de esta tesis se realizó con el objetivo de determinar con el ISI derivado de la IVGTT de 50 minutos, la intensidad y la duración (hasta 48 horas) de los efectos sobre la sensibilidad a la insulina de tres tipos de ejercicio aeróbico: i) continuo de baja intensidad, ii) continuo de alta intensidad y iii) interválico con sprints cortos de intensidad muy alta (SIE). Los resultados de este estudio indicaron que los tres tipos de ejercicio generaron incrementos en la sensibilidad a la insulina que se mantuvieron hasta 48 horas tras el ejercicio. Agudamente (30 minutos después del ejercicio) los incrementos en la sensibilidad a la insulina observados con SIE fueron superiores a los incrementos observados en los dos tipos de ejercicio continuo. Sin embargo, 24 y 48 horas después del ejercicio no se observaron diferencias en los valores del ISI entre los tres tipos de ejercicio estudiados. Estos resultados permitieron concluir que entre las modalidades de ejercicio estudiadas SIE es el tipo de ejercicio más eficiente para mejorar la sensibilidad a la insulina al menos de manera aguda. Tras identificar que el ejercicio en intervalos de alta intensidad (HIE) incrementaba la sensibilidad a la insulina, se decidió realizar un estudio donde se vieran los efectos de este tipo de ejercicio aplicado a personas con resistencia a la insulina. Publicaciones recientes sostienen que los beneficios del ejercicio sobre la sensibilidad a la insulina son atenuados cuando se inicia en las semanas anteriores un tratamiento con metformina. En este estudio se analizaron los efectos aislados y combinados del tratamiento con metformina (recibido por prescripción médica con más de 6 meses) y una sesión de ejercicio de alta intensidad en cicloergómetro. Los resultados de este estudio indicaron que el tratamiento crónico con metformina no atenúa los beneficios en la sensibilidad a la insulina asociados con una sesión de ejercicio. Por el contrario, esta combinación incrementa la tasa de desaparición de la glucosa tras la carga intravenosa. Por lo tanto, la combinación de estas intervenciones (ejercicio y metformina) puede recomendarse para mejorar la sensibilidad a las acciones de la insulina..

(18) 6. 2. GENERAL ABSTRACT. Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a disease characterized by dysfunction of the signals triggered by the binding of insulin to its receptor resulting in hyperglycemia and the entailed negative consequences for the vasculature. The clinical manifestations of the disease are preceded by a sustained state of insulin resistance which leads to increased insulin secretion and eventually pancreatic β cells exhaustion. T2DM is currently considered as a pandemic affecting more than 285 million people worldwide with ramping spread. Although there is a genetic predisposition, the leading cause of insulin resistance is the imbalance between intake and utilization of energy substrates. Skeletal muscle is the tissue which oxidizes most of the ingested energy. At rest, the myocyte depends almost 100% of insulin for glucose uptake. Obesity increases free fatty acids (FFA) delivery to the muscle above the capacity of mitochondria to oxidaze them. This situation is worsened if there is an abundance of saturated fatty acids (SFA) because their oxidation rate is slower than that of unsaturated fatty acids (UFA). The muscle oxidative capacity is closely linked to mitochondrial biogenesis. Thus, a sedentary lifestyle which is associated with reduced mitochondrial quantity and function is associated with blunted FFA oxidation. In this situation, the intracellular accumulation of intermediary metabolites of FFA oxidation (diglycerides, ceramides and monoglycerides) could hinder insulin actions. Insulin resistance is a metabolic disarrangement without clear symptoms. Fasting blood glucose concentrations and postprandial glycemia are needed for the diagnosis of insulin resistance. However, it is recognized that if the pancreas is able to produce insulin at a high rate, insulin resistance would not cause hyperglycemia and may go unnoticed. Plasma insulin concentrations can provide valuable information on the amount of insulin secreted by the pancreas in relation to plasma glucose concentrations. The gold standard for insulin sensitivity assessment is the euglycemichyperinsulinemic clamp (EHC). EHC is a procedure in which glucose and insulin are intravenously infused to monitor glucose uptake by tissues for a given insulin concentration. However, EHC is technically complex procedure requiring a hospital infrastructure and a medical personnel. Research facilities where it is not possible to perform an EHC, could obtain insulin sensitivity indices (ISI) derived from glucose tolerance tests or just from the relationship between fasting plasma glucose and insulin concentrations. Insulin sensitivity is the topic of many research projects on endocrinology. Regular physical activity and weight loss by caloric restriction are used to prevent and combat insulin resistance reducing the surplus of energy substrates at the cellular level. Physical activity, especially at a high intensity, stimulates mitochondrial biogenesis causing an additional benefit against insulin resistance. Although the insulin sensitizing effect of a bout of exercise or training are widely recognized the most effective exercise modality to achieve this effect remains unclear. On the other hand, general population has cultural and psychological barriers against a physically active lifestyle or a balanced diet, so those strategies are not always successful. When physical activity and diet are not feasible (i.e., physical disabilities) o have a weak effect medications are another resource to increase insulin sensitivity. Pharmacological intervention is imperative if T2DM diagnosis has been confirmed. Among the hypoglycemic agents metformin is the most prescribed medication to combat insulin resistance. According to recent studies metformin.

(19) 7 activates AMP-activated protein kinase (AMPK). AMPK acts as a sensor of the energy flow into the cell, triggering signals to promote oxidation of energy substrates. Although metformin has been used for decades as a first-line medication for T2DM treatment in conjunction with lifestyle interventions (diet and exercise), recent studies have indicated that metformin blunts the insulin sensitizing effects of exercise. Based on the previously presented evidence this dissertation is geared to study the insulin sensitizing effects of different exercise modes, using ISI obtained from affordable methods out of hospital limits. Furthermore it was conducted to study the interaction between exercise with other interventions known to affect insulin sensitivity such as a high SFA diet or metformin treatment. These are situations that an insulin resistant individual may face during treatment. This dissertation is articulated in four studies addressing the above mentioned topics. The first study addressed the effect of two weeks of an isocaloric diet rich in SFA upon lipid profile and insulin sensitivity measured by an ISI derived from an oral glucose tolerance test (OGTT). The effects of this intervention were measured in a group of overweight young people treated only with the atherogenic diet and in another group of similar characteristics treated with the diet in combination with a simultaneous program of eleven sessions of aerobic exercise. After only two weeks of an isocaloric diet rich in SFA, there was a significant increase in plasma concentrations of total cholesterol and low density lipoprotein, without significant effect on ISI. However, exercise concurrent to this atherogenic diet prevented the development of the negative blood lipid profile observed with dietary intervention alone. ISI was not affected by the high SFA diet or exercise. This raised the suspicion that ISI derived from OGTT was not sensitive enough to detect the effects of exercise on insulin sensitivity. To answer this question the following study was designed. The objective of this second study was to determine the reproducibility (three measures) response to exercise of two ISI derived from glucose tolerance tests. An ISI derived from an OGTT and one derived from an intravenous glucose load (IVGTT) were compared. The results of this study indicated that the reproducibility and response to a bout of exercise of the OGTT-based ISI were not optimal. On the other hand, the results obtained with the 50-min IVGTT-based ISI were consistent and allowed to observe the improvements associated to an exercise bout using a smaller sample size. After the identification of a reliable ISI sensitive to the effects of exercise and that could be used out of hospital boundaries we explored the most appropriate exercise intensity and duration to improve insulin sensitivity. The third study of this dissertation was conducted with the 50 minutes IVGTT-based ISI, which was used to determine the potency and duration (up to 48 hours) of the insulin sensitizing effects of three aerobic exercise modalities: i ) continuous low intensity , ii ) continuous high intensity and, iii ) sprint interval exercise (SIE). The results of this study indicated that the three exercise modalities improved insulin sensitivity up to 48 hours. Acutely (30 minutes after exercise) insulin sensitivity improvements observed with SIE were greater than the improvement observed in both continuous exercises. However, 24 and 48 hours after exercise there was no differences in ISI among exercise modes. In conclusion out of the 3 exercise modes tested, SIE is the more efficacious to improve insulin sensitivity at least acutely..

(20) 8 After identifying that high intensity interval exercise (HIE) effectively improved insulin sensitivity, we conduct a study in insulin resistant individuals trained with HIE . Recent studies report that the benefits of exercise on insulin sensitivity are blunted when metformin is prescribed in the previous weeks. Therefore, isolated and combined effects of long-term metformin treatment (6 months or longer) and a HIE bout were compared to assess insulin sensitivity. The results of this study indicated that metformin chronic treatment does not blunt the insulin sensitivity improvements associated with a bout of HIE. On the contrary, the combination increases the rate of glucose disappearance of the intravenously delivered load. Therefore, the combination of these interventions (exercise and metformin) may be recommended to improve insulin sensitivity..

(21) 9. 3. INTRODUCCIÓN. EQUILIBRIO DE LA GLUCOSA EN SANGRE. En condiciones normales las concentraciones plasmáticas de glucosa se mantienen dentro de un rango ajustado de valores (60-100 mg/dl o 3,3-5,6 mmol/L). En raras ocasiones las oscilaciones alcanzan valores superiores a 54 mg/dL (3 mmol/L)(1). Este estricto control en las excursiones de las concentraciones de glucosa en plasma se debe principalmente a las acciones de la hormona insulina, tanto para los ajustes agudos (inmediatos) como aquellos a largo plazo. Aunque sea la insulina la hormona más importante en el control glucémico otras como el glucagón y las catecolaminas son primordiales, especialmente en condiciones como el ayuno prolongado y el ejercicio. La acción del glucagón merece especial mención al ejercer efectos completamente opuestos a los de la insulina. El glucagón se encarga de estimular la glucogenólisis por activación de la cascada de la proteína quinasa activada por adenosina monofosfato (AMPK) que finalmente activa la enzima fosforilasa degradando esta las macromoléculas de glucógeno. De otro lado, el glucagón también estimula la gluconeogénesis gracias al incremento en la expresión de la fosfoenol piruvato carboxiquinasa (2) que facilita la conversión de oxaloacetato a fosfoenolpiruvato dentro del proceso de gluconeogénesis. En buena parte de los sistemas endocrinos la producción hormonal depende de un estímulo ejercido por la acción de una hormona secretada por otras glándulas (e.g., hormona estimulante del tiroides para la glándula tiroides o la corticotropina para las suprarrenales). Sin embargo, la liberación de insulina y glucagón por el páncreas ocurre principalmente por el estímulo directo de las concentraciones plasmáticas de los sustratos energéticos (i.e., glucosa, ácidos grasos libres, aminoácidos y cuerpos cetónicos) para los cuales se encuentran receptores en los tejidos periféricos que envían señales a las células β y α del páncreas encargadas de la secreción de insulina y glucagón respectivamente. Adicionalmente la liberación de insulina tiene un control autocrino/paracrino en el que receptores para la insulina localizados en las mismas células β del páncreas regulan la secreción de la hormona. En condiciones normales (personas no diabéticas con sensibilidad normal a los efectos de la insulina), un estímulo que provoque previamente altas concentraciones de insulina, va a generar una respuesta secretora más efectiva ante un segundo estímulo (3). Por el contrario, en personas con alteraciones de las respuestas a la insulina (resistentes a la insulina) que crónicamente mantienen un estado de hiperinsulinemia, las concentraciones elevadas de insulina producen un efecto inhibidor sobre la secreción de las células β (4). EQUILIBRIO DE LA GLUCOSA DURANTE EL AYUNO. Las concentraciones plasmáticas de glucosa representan el balance entre la entrada de glucosa en la circulación y la extracción de glucosa por los tejidos periféricos. Durante el ayuno el hígado proporciona aproximadamente el 90% de la glucosa necesaria para mantener la glucemia en respuesta a las necesidades nutricionales de los tejidos. El 10% restante es aportado por los riñones (1). La glucosa de origen hepático que entra al espacio intravascular proviene tanto de la glucogenólisis como de la gluconeogénesis (5). La producción endógena de glucosa está controlada principalmente por la relación entre insulina y glucagón en la circulación portal. Es conocido que mientras que el glucagón estimula la gluconeogénesis y la glucogenólisis hepática, la insulina inhibe estos procesos (6)..

(22) 10 De otro lado, la extracción periférica de glucosa se relaciona directamente con la concentración de glucosa en plasma y con la masa corporal libre de grasa que corresponde con los tejidos más metabólicamente activos (7). La extracción de glucosa durante el ayuno ocurre tanto en tejidos donde la acción de la insulina es requerida (musculo esquelético, miocardio y tejido adiposo), como en tejidos con independencia de los efectos de la hormona (cerebro). Siendo el cerebro un tejido altamente dependiente de glucosa, sus necesidades corresponden aproximadamente a la mitad de la producción endógena de glucosa (1). Gracias a la circulación portal el hígado recibe antes que los tejidos periféricos la insulina secretada por el páncreas. Asimismo, las concentraciones de insulina a las que se expone el hígado son mayores que las de cualquier otro órgano. La insulina secretada por el páncreas provoca una inhibición de la producción endógena de glucosa en el hígado (sensibilidad hepática de la insulina) en contraste al aumento de la entrada de glucosa a los órganos periféricos (sensibilidad periférica a la insulina). EQUILIBRIO DE LA GLUCOSA EN EL ESTADO POSTPRANDIAL Aproximadamente 30 a 40 minutos después de una ingesta de comida las concentraciones de glucosa en plasma alcanzan su máximo valor, pero incluso 5 horas después de la ingestión de una comida mixta (carbohidratos, grasas y proteínas) se puede registrar absorción de glucosa en el intestino. La insulina se libera en relación con la cantidad y composición de la ingesta. Cuando se ingiere únicamente glucosa como sucede en un test de tolerancia a la glucosa, la respuesta secretora del páncreas es menor (aproximadamente 0,12 U/kg de insulina por encima del basal en un rango de 2 horas tras una carga de 75 gramos), que cuando se ingiere una combinación de carbohidratos, proteínas y grasas (1). Tan solo con el paso de alimentos a través del tubo digestivo ya se desencadena una respuesta endocrina donde entre otras sustancias, se libera en la pared de los enterocitos el péptido similar al glucagón (GLP-1) cuya función es potenciar la liberación de insulina mediada por la carga de glucosa y al mismo tiempo inhibir la liberación de glucagón en las células α (8). Adicionalmente, la absorción de glucosa en el tubo digestivo genera señales neuronales que transmitidas por el nervio vago se encargan de potenciar la inhibición en la producción endógena de glucosa y promover la glucogénesis hepática (i.e., síntesis de glucógeno) (9). Incluso en los tejidos periféricos, particularmente en el músculo esquelético se han registrado señales nerviosas que coinciden con la activación de AMPK y que permiten la translocación de receptores GLUT4 y la consiguiente captación de glucosa aún sin intervención de la insulina. En circunstancias normales y especialmente a bajas dosis, la insulina suprime hasta el 85% de la producción endógena de glucosa (10). Esta supresión ocurre por mecanismos directos e indirectos. Directamente la insulina inhibe la gluconeogénesis al impedir la activación de la enzima fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (11) y la glucogenolisis por modificación en el ensamblaje de los complejos proteicos de fosfatasa (12). De otro lado la insulina indirectamente inhibe la lipólisis (13) y la secreción de glucagón (14) anulando así dos potentes estimuladores de la producción endógena de glucosa (concentraciones de ácidos grasos libres y glucagón)..

(23) 11 SECRECIÓN DE INSULINA PARA EL MANTENIMIENTO DE LA GLUCEMIA Para el mantenimiento de la glucemia en rangos de normalidad, es necesaria una adecuada función secretora de las células β ubicadas en los islotes de Langerhans del páncreas que se encargan de sintetizar la insulina. Señales intracelulares que generan la secreción de insulina por las células β. La insulina se deriva de su precursor la proinsulina. En el aparato de Golgi de las células β la proinsulina reacciona con enzimas convertasas y como resultado se obtiene insulina, péptido C y un par de aminoácidos básicos. Las células β liberan a la circulación portal concentraciones equimolares de insulina y péptido C (15) y cantidades inconstantes de proinsulina y péptidos intermediarios que constituyen el 20% de la inmunoreactividad a la insulina (16), pero que cuentan por un 10% de la acción de la insulina (17). A diferencia de los anteriores, el péptido C no tiene efectos conocidos sobre el metabolismo de los carbohidratos y por ello su medición en conjunto con la de la insulina permite establecer con mayor precisión la secreción de insulina y la extracción de esta por parte del hígado (18). Factores fisiológicos que regulan la secreción de insulina Carbohidratos La principal sustancia que regula la secreción de insulina es la glucosa (19). Los efectos de la glucosa en la célula β son dependientes de la dosis aunque no siguen una respuesta lineal (Figura 1), sino más bien una respuesta que puede graficarse con una curva sigmoidea con un umbral de activación localizado en los valores de glucemia que se encuentran en ayunas y la porción con mayor pendiente correspondiente al rango de glucosa que se observa en el estado postprandial. (20).. Figura 1. Secreción de insulina durante la infusión de glucosa a dosis crecientes (5%/min). Las líneas sólidas negras representan los datos experimentales, la línea discontinua negra representa el modelo teórico por computador. Traducido de Grodsky G.M. 1972 (20)..

(24) 12 Tras una infusión intravenosa de glucosa a ritmo constante, se puede observar una respuesta secretora bifásica compuesta por una primera fase de respuesta rápida y una tardía (21). La primera fase corresponde a la exocitosis de vesículas cargadas con insulina previamente sintetizada y la segunda a una respuesta de síntesis y secreción de insulina por parte de la célula β en respuesta proporcional a la elevación de la glucemia (22). La respuesta secretora del páncreas ha sido estimada en un 26% mayor tras una carga oral que tras una carga intravenosa como consecuencia del efecto de las incretinas (23). Estudios realizados in vitro han permitido identificar una tercera fase en la secreción de insulina que aparece 90 a180 minutos tras la carga de glucosa. Esta fase se caracteriza por un declive en la secreción de insulina a un 15 a 25% del pico observado tras la infusión intravenosa, que se mantiene hasta 48 horas (24). Así como la abundancia de glucosa estimula la secreción de insulina para facilitar la salida de glucosa del compartimento intravascular, los depósitos de glucosa dentro del músculo y el hígado en forma de glucógeno también son potentes reguladores de la secreción de la insulina y sobre todo de sus acciones periféricas (25-26). Ante una reducción del contenido de glucógeno muscular como la que ocurre durante el ejercicio intenso, se potencian las señales para facilitar la entrada de glucosa al músculo y reponer los depósitos de glucógeno (27). Incluso horas después del ejercicio la ausencia de repleción en los depósitos de glucógeno por un déficit nutricional de carbohidratos, favorece la persistencia de los efectos del ejercicio sobre las acciones de la insulina (28). Aminoácidos y ácidos grasos Los aminoácidos potencian la secreción de la insulina mediada por la glucosa, incluso desencadenan la secreción de insulina aún en ausencia de glucosa. Entre los aminoácidos la leucina, la arginina y la lisina son los que tienen el mayor efecto secretagogo (26). De otro lado, la exposición aguda del páncreas a elevaciones en las concentraciones de ácidos grasos libres (FFA) produce una aumento en la secreción de insulina, que ocurre más como respuesta a la resistencia periférica a las acciones de la insulina asociada a las altas concentraciones de FFA en plasma (29). La exposición crónica a concentraciones elevadas de FFA está asociada no solo con resistencia a la insulina, sino además con una respuesta inapropiada de la secreción de insulina (26). Factores hormonales Además de los ya mencionados efectos de las incretinas, principalmente el GLP-1 en la potenciación de la secreción de insulina, la acción de otras hormonas como la hormona de crecimiento, los glucocorticoides, la prolactina, el lactógeno placentario y los esteroides sexuales se ha asociado con incrementos en la secreción de insulina, sea por crear un estado temporal de resistencia a la insulina o un efecto directo sobre las células β (26). Factores neurológicos El páncreas se encuentra ricamente inervado por el sistema nervioso autónomo, recibiendo fibras con actividad simpática y parasimpátic. Mientras que tanto la estimulación simpática como la parasimpática incrementan la secreción de glucagón (30), la estimulación simpática inhibe la secreción de insulina en tanto que la estimulación parasimpática la potencia (26). Patrones de secreción de la insulina En un periodo de 24 horas aproximadamente el 50% de la insulina es secretada en condiciones basales y el resto durante el estado postprandial (31). Se ha estimado la tasa de secreción basal de insulina para 24 horas en un valor entre 18 y 32 unidades internacionales (32). Tras una comida, la.

(25) 13 secreción de insulina se incrementa aproximadamente 5 veces alcanzando un pico 60 minutos después de la ingesta. Independientemente del efecto de la ingesta, la secreción de insulina en condiciones normales sigue un patrón de pulsos. Polonsky y colaboradores estudiaron en sujetos normales la secreción de insulina durante 24 horas. Tras el desayuno, detectaron 1.8 ± 0.2 pulsos que alcanzaron un pico 42.8 ± 3.4 minutos después de la ingestión. Tras las otras comidas se observan también múltiples pulsos que siguen un patrón similar. Incluso durante el ayuno identificaron pulsos de secreción de insulina. En total, durante las 24 horas de evaluación registraron 11.1 ± 0.5 pulsos (31). Otros estudios del mismo grupo de investigación han demostrado que existe un patrón de liberación pulsatil rápido con oscilaciones cada 8 a 15 minutos y un patrón de respuesta lento (ultradiano) con oscilaciones cada 80 a 150 minutos (33). Finalmente, la secreción de insulina tiene variaciones circadianas, tras pruebas de tolerancia a la glucosa tanto orales como intravenosas, las mayores respuestas se observan en las mañanas (34). EFECTOS DE LA INTERACCIÓN DE LA INSULINA CON SU RECEPTOR Desde el punto de vista del metabolismo de la glucosa, la principal función de la interacción de la insulina con su receptor es promover la translocación de proteínas transportadoras de glucosa 4 (GLUT4). La función de las GLUT4 es facilitar la entrada de la glucosa a las células, especialmente en el músculo esquelético, tejido adiposo y miocardio (35). En la Figura 2 se esquematizan los principales procesos que determinan las acciones de la insulina. El receptor de la insulina está conformado por 4 subunidades: 2 unidades de fijación llamadas subunidades α sobre las cuales se fija la insulina y dos subunidades con actividad catalítica llamadas subunidades β. Cuando la insulina se une a las subunidades α, una de las subunidades β se activa y fosforila la otra subunidad desencadenando la activación de diversas señales encargadas de la captación y metabolismo de glucosa, así como de cambios en el metabolismo de las proteínas y los lípidos. Es conocido que la fosforilación de la subunidades β mediada por serina/treonina disminuye la habilidad de estas para auto-fosforilarse y desencadenar las señales correctas. Las señales que impiden esta fosforilación mediada por serina/treonina aumentan la sensibilidad a los efectos de la insulina, mientras que aquellas que la estimulan producen resistencia a la insulina (36). La auto-fosforilación que ocurre en la subunidad β activada genera a su vez la fosforilación de proteínas de anclaje multifuncionales llamadas substratos del receptor de insulina (IRS) que se encargan de continuar la cascada de señales (37). La alteración en la fosforilación de los IRS se ha asociado con resistencia a la insulina (38). La enzima fosfoinositol 3-quinasa (PI3K) es regulada por los IRS y se constituye como otro de los pasos críticos en la activación de las GLUT4. La inhibición de la actividad de la PI3K está asociada con disminución en la captación de glucosa estimulada por insulina (39). La PI3K genera 3,4,5-fosfoinositol que activa diversas serina/treonina quinasas (PIP3) que entre otras señales generan la activación de la enzima proteína-quinasa B (PKB) que está codificada por los genes Akt por lo que también se conoce como Akt quinasa. Las 3 isoformas conocidas de Akt tienen la capacidad de fosforilar proteínas que regulan fenómenos de glucosíntesis, lipogénesis, proteosíntesis y apoptosis, pero que en el contexto del contról glucémico regulan la translocación de las GLUT4. La disrupción de la isoforma 2 de Akt (Akt2) se relaciona con el desarrollo de resistencia a la insulina en modelos animales (40). Los efectos de la unión de la insulina con su receptor terminan cuando el receptor se internaliza en la célula y se desfosforila por la acción de la proteina-tirosina fosfatasa que igualmente pueden causar resistencia a la insulina cuando su actividad es alta (41). Si bien la translocación de los GLUT4 se.

(26) 14 reconoce como el objetivo final de la interacción de la insulina con su receptor, se ha documentado que la cantidad de GLUT4 en personas con resistencia a la insulina es similar a la observada en controles sanos, sin embargo se ha documentado que en los sujetos con resistencia a la insulina la capacidad de la insulina para promover la translocación de las GLUT4 está afectada (42).. Figura 2. Esquema simplificado de las señales generadas por la unión de la insulina con su receptor. RI, receptor de la insulina; IRS Substratos del receptor de insulina; PI3K fosfoinositol 3 quinasa; PIP3, serina/treonina quinasas; Akt, proteína quinasa 3; GLUT4, proteína transportadora de glucosa 4.. CONTROL CENTRAL DE LA GLUCEMIA Y LA SENSIBILIDAD A LA INSULINA Adicional al control en la glucemia mantenido por las propias concentraciones de glucosa en sangre y los efectos de la insulina y hormonas contra-reguladoras, se ha descrito que en el sistema nervioso central, particularmente en el hipotálamo y otras regiones cerebrales se encuentran señales para detectar diferentes estados de disponibilidad de nutrientes que permiten realizar ajustes metabólicos. La captación hipotalámica de FFA disminuye el apetito y la producción endógena de glucosa en el hígado por aferencias neuronales (43). La proteína AMPK se constituye como uno de los principales moduladores del control neuronal del metabolismo. La AMPK es activada de acuerdo con las concentraciones intracelulares de AMP, por lo tanto funciona como un sensor del estatus energético (44). En la figura 3 se esquematiza la acción de la AMPK. La abundancia de sustratos energéticos (FFA y glucosa) disminuye la activación de AMPK y por consiguiente se interrumpe su acción inhibitoria sobre la acetil-CoA carboxilasa que se encarga de generar malonil CoA a partir de acetil CoA. El malonil CoA es un potente inhibidor de la CPT1 con lo cual la entrada de ácidos grasos.

(27) 15 a la mitocondria se dificulta y se acumulan en el citoplasma intermediarios del metabolismo de la grasa que se han asociado con resistencia a la insulina (26).. Figura 3. Esquema de las acciones de la Adenosina monofosfato proteína quinasa activada (AMPK). En condiciones de exceso de nutrientes (i.e., glucosa o triglicéridos) se inactiva AMPK con lo cual aumenta la conversión de Acetil-CoA en Malonil-CoA mediado por la enzima Acetil carboxilasa (ACC). El Malonil-CoA inhibe la enzima carnitina palmitoil transferasa 1 (CPT1) encargada de la entrada de Acil-CoA grasos a la mitocondria para ser oxidados con lo cual estos se acumulan en el citoplasma.. Citoquinas y sensibilidad a la insulina Así como la secreción de insulina está regulada por factores hormonales (i.e., incretinas, glucagón y la propia concentración de insulina), la acción de la insulina también está regulada por moléculas secretadas por células del tejido adiposo (i.e., adipoquinas) y de la inmunidad entre otras (45). Dentro del grupo de adipoquinas destacan la leptina, la adiponectina y la resistina. La leptina inhibe el apetito, sus mutaciones están asociadas con el desarrollo de obesidad mórbida y resistencia a la insulina. Adicionalmente se ha documentado que la leptina incrementa la tasa metabólica basal, la lipólisis, estimula la oxidación de los FFA, inhibe la lipogénesis e incrementa la actividad de la AMPK (26). La adiponectina también está asociada al desarrollo de resistencia a la insulina cuando su secreción o acciones son insuficientes. Aunque se desconoce su mecanismo de acción preciso, en modelos animales se ha podido documentar la activación de la AMPK mediada por adiponectina (46). Asimismo, en humanos se han podido observar bajos niveles de adiponectina en personas con obesidad y resistencia a la insulina (26). La resistina se encuentra incrementada en modelos animales de obesidad y diabetes, pero su papel en el metabolismo humano no se ha podido concretar (47). El factor de necrosis tumoral-α (TNF-α) es una proteína transmembranal sintetizada.

(28) 16 por múltiples tejidos entre ellos macrófagos y el tejido adiposo. Además de sus efectos como citoquina inflamatoria, se le reconoce un efecto paracrino en la inducción de resistencia a la insulina (48).. MEDICIÓN DE LA SENSIBILIDAD A LA INSULINA. La medición de los efectos de la insulina, así como de la capacidad secretora del páncreas es fundamental para entender la fisiología del metabolismo de los carbohidratos y la fisiopatología de los trastornos derivados de este proceso. Para medir la sensibilidad a la insulina se conocen en humanos métodos indirectos como las estimaciones que parten de las concentraciones en ayunas de glucosa e insulina o los test de tolerancia a la glucosa y métodos directos como las pruebas de tolerancia a la insulina y las técnicas de clamp (22). SENSIBILIDAD A LAS ACCIONES DE LA INSULINA MEDIDA POR LAS CONCENTRACIONES DE GLUCOSA E INSULINA EN AYUNAS. La forma más simple de estimar la sensibilidad a las acciones de la insulina es la medición de las concentraciones en ayunas de glucosa e insulina. Ante un estado de resistencia a las acciones de la insulina, aumenta la secreción pancreática de la hormona por lo que se observa una hiperinsulinemia sostenida aunque la glucemia en ayuno se encuentre dentro de rangos normales. Cuando el aumento en la secreción de la insulina es insuficiente para superar los defectos en las señales que se derivan de su interacción con el receptor, las concentraciones de glucosa durante el ayuno se incrementan por lo que se presenta una hiperglucemia sostenida. Aunque intuitivamente se piense que este método representa suficientemente los procesos inter e intracelulares que mantienen equilibrado el metabolismo de los carbohidratos, existen varios elementos que desestiman su uso excepto para grandes estudios epidemiológicos donde resulta poco costo-efectivo realizar otras mediciones más complejas. Como primera medida, es preciso anotar las debilidades propias de la medición de la insulina en sangre. En la actualidad existen diversos métodos para cuantificar las concentraciones plasmáticas de insulina (radio-inmunoanálisis y quimioluminisencia son los más usados). Sin embargo, se debe tener en cuenta que las concentraciones de insulina en la sangre venosa no corresponden necesariamente con la síntesis de la hormona en el páncreas ya que como se mencionó previamente, aproximadamente el 50% de la insulina producida viaja por el sistema vascular portal, es extraída por el hígado y nunca alcanza la circulación sistémica (26). Adicionalmente la medición de las concentraciones de insulina en ayunas no se correlacionan debidamente con las acciones de la insulina, posiblemente porque las mediciones se realizan en un estado basal en el que la extracción de glucosa ocurre principalmente en tejidos que no requieren la acción de la insulina para la entrada de la glucosa a las células (e.g., sistema nervioso central) (49). Así pues, aún con las limitaciones previamente mencionadas es frecuente encontrar en la clínica y en la literatura científica estimaciones de la sensibilidad a la insulina a partir de las concentraciones de glucosa e insulina en ayuno por la facilidad para obtener y analizar las muestras. Entre estas estimaciones las más reconocidas son aquellas en las que se realiza un modelo matemático que ejemplifica un estado de equilibrio en el metabolismo de los carbohidratos sobre el que se contrastan los valores de glucemia e insulinemia medidos. Ejemplo de estos índices, el modelo homeostático de medición (HOMA) que se discutirá a continuación..

(29) 17 Modelo homeostático de medición (HOMA) El HOMA (Homeostatic Model Assessment) es un modelo matemático que pretende predecir la sensibilidad a la insulina a partir de la relación entre la glucemia y la insulinemia. Este modelo se sustenta en la hipótesis que la hiperglucemia durante el ayuno demuestra la existencia de un defecto en la secreción y señalización de la insulina. Partiendo de la observación de sujetos sanos y sujetos con resistencia a la insulina se construyó el modelo en el que se asociaba un valor de glucemia a una insulinemia. Es así, como para cada nivel de función secretora del páncreas y sensibilidad tisular a la insulina, el modelo predice la glucemia e insulinemia correspondientes, por lo tanto al conocer la glucemia e insulinemia es posible estimar si existe algún defecto en la secreción y acción de la insulina (49). En su descripción original (49), Matthews y colaboradores indican una alta correlación del HOMA con el estándar de oro para la medición de la sensibilidad a las acciones de la insulina (r = 0,88; P < 0,001). Este estándar es el método directo de clamp euglucémico hiperinsulinémico (EHC). En investigaciones posteriores se ha encontrado correlaciones más débiles que han puesto en tela de juicio su fiabilidad (50). El problema principal con el HOMA radica en la asunción que la hiperglucemia en ayunas refleja una hiperglucemia también tras una ingesta de glucosa. Sin embargo, este paralelismo no es necesariamente así, ya que como se mencionó antes, durante el ayuno la extracción de glucosa ocurre en tejidos como el sistema nervioso que es independiente de las acciones de la insulina. Adicionalmente, teniendo en cuenta que existe una sensibilidad diferenciada entre el hígado y el músculo a las acciones de la insulina, es difícil extrapolar los resultados de HOMA a la sensibilidad que puedan tener los diferentes tejidos. La diferenciación entre sensibilidad hepática y periférica no se tiene en cuenta en el HOMA (50). El índice de resistencia a la insulina HOMA-IR se calcula de la siguiente forma: HOMA-IR = ( IA μIU/mL · GA mg/dL) / 405 Donde, IA es la insulinemia en ayunas y GA es la glucemia en ayunas. La constante 405 representa la relación normal entre estas dos variables en modelos obtenidos de sujetos sanos (49). Cuanto mayor sea el valor de HOMA-IR, mayor resistencia a la insulina. PRUEBA ORAL DE TOLERANCIA A LA GLUCOSA (OGTT) Tras comprender que las concentraciones en ayunas no representaban debidamente los fenómenos que ocurren tras la ingesta, se desarrollaron pruebas en las que se medían periódicamente las concentraciones de glucosa e insulina en las dos horas siguientes a una comida o una carga estándar de glucosa. En un test de carga oral de tolerancia a la glucosa (OGTT), los diferentes valores de glucemia obtenidos ofrecen una visión de la tolerancia tisular a las distintas concentraciones de glucosa. En el ámbito de la medicina clínica, la glucemia tras 2 horas de la carga de glucosa se corresponde con respuestas de normalidad (<100 mg/dL), intolerancia a los carbohidratos (100-200 mg/dL) o diabetes mellitus (> 200mg/dL) según las cifras alcanzadas (51). De otro lado los incrementos en la insulinemia en relación a los incrementos de glucemia tras la carga de glucosa se computan y califican bajo la presunción que los incrementos en la glucemia por unidad de insulina reflejan inversamente la sensibilidad a la insulina (i.e., a mayor relación glucemia/insulinemia, mayor resistencia a la insulina) (50, 52). A partir de la OGTT se han diseñado diversos índices de sensibilidad a la insulina, de estos el diseñado por Matsuda y colaboradores es el que mayor impacto en la literatura científica ha tenido. El índice de Matsuda se calcula de la siguiente forma:.

(30) 18 Índice de Matsuda = 10000 / √[(IA μIU/mL · GA mg/dL) · (IMEDIA x GMEDIA)] (52) Donde, IA es la insulinemia en ayunas, GA es la glucemia en ayunas, IMEDIA es la media de las insulinemias medidas durante el OGTT y GMEDIA es la media de las glucemias medidas durante la OGTT. La constante 10000 en el numerador se usa para obtener un valor de sensibilidad a la insulina entre 1 y12. Entre mayor sea el valor del índice, mayor sensibilidad a la insulina. La correlación del índice de Matsuda con el estándar de oro (EHC) se ha establecido como aceptable (r=0,73) (52). El principal problema con la OGTT es su pobre reproducibilidad, que ha sido evaluada por diferentes investigadores, indicando valores que oscilan entre el 14 y el 30% en el coeficiente de variación (CV) (50, 53). La gran variación intra-sujeto en la OGTT se ha atribuido entre otras causas a la gran variabilidad inter-diaria observadas en el vaciamiento gástrico y absorción de la glucosa. Un retraso en la absorción de glucosa, produce a su vez un retraso en la aparición de los picos de glucemia y por tanto de la respuesta del páncreas para secretar insulina. De otro lado, la influencia del control de la glucemia mediado por las incretinas también representa otra fuente de variabilidad en las respuestas a una carga de glucosa. Finalmente, la hiperglucemia per se, produce supresión de la producción endógena de glucosa y captación periférica de glucosa con independencia de la insulina por la simple acción de masas. Por lo tanto, resulta imposible establecer con certeza la captación periférica de glucosa que es mediada solamente por la hormona (54) sin usar un clamp. Así pues, la OGTT tiene especial utilidad en aquellos casos en los que es imprescindible evaluar la respuesta integrada del sistema digestivo y endocrino, y se constituye como una herramienta útil para estudios epidemiológicos en los que los grandes tamaños de la muestra permitan minimizar el efecto de la baja reproducibilidad (55). PRUEBA INTRAVENOSA DE TOLERANCIA A LA GLUCOSA (IVGTT) Teniendo en cuenta los problemas de reproducibilidad descritos con la OGTT, se diseñó una prueba de tolerancia a la glucosa en la que a través de una infusión intravenosa se administra la glucosa necesaria para medir la respuesta de las células β y de las acciones de la insulina. Bajo esta premisa se crearon modelos matemáticos que permiten calcular índices de sensibilidad a la insulina derivados de la IVGTT con una mejor reproducibilidad (14% CV) que la observada con la OGTT, y una buena correlación con el EHC (r=0,89; P < 0,05) (56). El modelo matemático creado por Bergman y colaboradores fue llamado Modelo Minimalista y permite estimar la captación de glucosa dependiente de insulina de aquella producto de la hiperglucemia (efectividad de la glucosa) per se (57). La desaparición de la glucosa desde el plasma depende de la capacidad secretora de las células β del páncreas y de la capacidad independiente de la insulina y de la hiperglucemia para estimular la captación de glucosa por los tejidos e inhibir la producción endógena de glucosa. El modelo se caracteriza por las siguientes premisas: i) Tras la carga intravenosa de glucosa la única entrada adicional de glucosa al plasma proviene de la producción endógena de glucosa. ii) La glucosa será extraída del plasma tanto por tejidos sensibles a la insulina (i.e., músculo y tejido adiposo) como tejidos independientes de la acción de la insulina (i.e., sistema nervioso central, órganos del lecho esplácnico). iii) La síntesis de insulina ocurre en un compartimento remoto al plasma y controla la salida de glucosa desde el plasma. El modelo matemático se puede resumir en la siguiente ecuación: KG=-(SG + X(t)) · G(t) + k.

(31) 19 Donde KG es la tasa de desaparición de la glucosa del plasma; SG es la efectividad de la hiperglucemia para inducir la salida de glucosa desde el plasma e inhibir la producción endógena de glucosa; X(t) es la capacidad de síntesis de insulina en el compartimento remoto; G(t) es la concentración de glucosa en función del tiempo; y k es una constante para implicar la producción de glucosa menos la captación de glucosa por el sistema nervioso central en el estado basal. De otro lado la producción remota de insulina (X(t)) se puede expresar en la siguiente ecuación Δ X(t) = p3 · I(t) - p2 · X(t) Donde Δ X(t) es el incremento en el tiempo en la concentración de insulina en el espacio remoto; p3 es la eficiencia para la transferencia de la insulina al compartimento remoto; I(t) es la insulinemia en función del tiempo; p2 representa la degradación de insulina en el espacio remoto. El índice de sensibilidad a la insulina obtenido (SI) equivale al cociente de p3/p2 y representa la desaparición fraccional de la glucosa por unidad de cambio en las concentraciones de insulina (50). Para la realización de la IVGTT se han estandarizado los procedimientos pues en un comienzo existía diversidad en las técnicas que dificultaba la interpretación de los datos. En 1992 Bingley y colaboradores (58), como parte del grupo ICARUS (Islet Cell Antibody Register User’s) publicaron los estándares para la realización del IVGTT que se resumen en la tabla 1. Para la obtención de los datos necesarios para recrear el modelo minimalista es preciso obtener 22 muestras en 240 minutos tras la infusión de glucosa (minuto +1, +3, +4, +5, +7, +8, +10, +14, +19, +22, +24, +27, +30, +40, +50, +70, +90, +120, +150, +180, +210 y +240). Tabla 1. Estandarización del protocolo para la realización de una IVGTT (58). Preparación previa: Tres días de dieta sin restricciones que contengan al menos 150 gramos de carbohidratos. Actividad física normal en los tres días previos a la prueba. La actividad física inusual debe evitarse 24 horas antes de la realización de la prueba. Ayuno: De 10-16 horas. Es permitido y recomendado beber agua durante el periodo de ayuno. Se debe evitar que los sujetos fumen durante el periodo de ayuno. Hora de iniciar las pruebas: De 0730 a las 1000 para evitar las variaciones circadianas. Dosis de la carga de glucosa: De 0,5 g/kg hasta un máximo de 35 gramos. Concentración de la glucosa infundida: Del 25%. Mecanismo de infusión: Manual o mecánica (bomba de infusión). Lo importante es asegurar un ritmo constante de infusión. Tiempo cero: Final de la infusión. Mínima cantidad de muestras a obtener: Dos muestras basales separadas por 5 minutos. Muestras +1, +3, +5 y +10 minutos tras la infusión si se pretende medir la respuesta aguda de la insulina. Cateterización: Es posible utilizar un solo catéter para la infusión de la glucosa y la obtención de las muestras en sangre si este es debidamente aclarado con solución salina tras la infusión de glucosa. El espacio muerto del catéter debe ser aclarado antes de obtener las muestras que serán medidas..

(32) 20. Aunque en sujetos normales el índice de sensibilidad a la insulina obtenido por el modelo minimalista tiene una buena correlación con el estándar de oro (EHC), esta correlación se hace menos consistente cuando se examinan sujetos con resistencia a la insulina (59). Con el propósito de resolver este problema, se ideó la administración de un bolo de insulina (0,03 U/kg), 20 minutos después de la infusión de glucosa para aumentar la respuesta plasmática de la insulina (60). Aunque esta intervención mejora los valores predictivos del modelo en personas con resistencia a la insulina su uso no ha sido estandarizado y no es frecuente verlo en la literatura científica. La IVGTT ofrece la ventaja de una ejecución más bien simple, donde solamente un catéter intravenoso debe ser insertado. Se evitan los problemas de hipoglucemia y se obtiene un índice de sensibilidad a la insulina independiente del efecto intrínseco de la hiperglucemia. Adicionalmente con una IVGTT se pueden obtener mediciones de la primera y segunda fase de la secreción de insulina. En su contra está que la IVGTT implica unas amplias excursiones en los valores de glucemia e insulinemia que difícilmente se pueden conseguir en condiciones fisiológicas por lo que no necesariamente replica lo que normalmente sucede cuando los sujetos se alimentan (50). Finalmente, en pacientes con un defecto importante en la secreción de insulina (pacientes con diabetes tipo 1 o con diabetes tipo 2 muy descompensada) no es posible obtener un índice de sensibilidad a la insulina. Aunque la IVGTT presenta ventajas adicionales sobre la OGTT, su uso se dificulta por las dificultades técnicas y los costes derivados de la gran cantidad de muestras a obtener y analizar y por la necesidad de un software que permita realizar los cálculos del modelo matemático. Teniendo en cuenta las limitaciones mencionadas, Tura y colaboradores (61) desarrollaron y validaron un índice empírico de sensibilidad a la insulina a partir de los datos de una IVGTT de tan solo 50 minutos de duración en la que solo es necesario obtener las muestras basales y 4 muestras durante la prueba (minuto +10, +20, +30, +40 y +50). Este índice empírico (CSI) se calcula de la siguiente manera: CSI= α [KG / (ΔAUCINS / T)] (61) donde α es una constante que representa la pendiente de la línea de regresión obtenida tras la comparación del factor KG / (ΔAUCINS / T) con SI (obtenido por el modelo minimalista) en un grupo de sujetos sanos (α = 0.604). KG es la tasa de desaparición de la glucosa (pendiente del logaritmo de la glucosa), ΔAUCINS es el área bajo la curva de la insulinemia por encima de los valores basales y T es el intervalo de tiempo estudiado (40 minutos, entre el minuto 10 y el 50) para los valores de glucosa e insulina en plasma. Este índice calculado resultó de la modificación de uno previamente diseñado por Galvin y colaboradores (62) en la década de los 90. El índice de Galvin no se popularizó al obtener unidades difíciles de comparar con las del estándar de oro y otros métodos reconocidos. Sin embargo, el CSI fue probado en poblaciones con diferentes grados de sensibilidad a la insulina y se encontró una alta correlación con el modelo minimalista (r = 0,91; P < 0,05) y con el estándar de oro, el EHC (r = 0,92; P < 0,05). Al igual que sucede con el modelo minimalista los diseñadores del CSI encontraron que su fiabilidad disminuía en poblaciones con alteración en el metabolismo de los carbohidratos (r = 0,86; P < 0,05). La fiabilidad de los datos y la mayor facilidad para realizar la IVGTT (50 minutos vs. 250 minutos), el menor número de muestras obtenidas (6 vs. 22) y la posibilidad de prescindir de un software para analizar un modelo matemático, posicionan al CSI como un sucedáneo confiable del EHC..