RESUMEN:

El factor de crecimiento parecido a la insulina tipo I (IGF-I) y su receptor celular especifico (IGF-IR) son de gran importancia para el crecimiento y desarrollo normal del organismo. El IGF-I participa en muchos procesos fisiológicos normales, que van desde el crecimiento durante etapas tempranas del período embrionario, hasta la regulación de funciones específicas de varios tejidos y órganos en etapas posteriores del desarrollo. Induce a la diferenciación celular, estimula ciertas funciones enzimáticas en tejidos especializados, como la pulpa dental, el hueso, los músculos y en células derivadas de los sistemas hematopoyético y linfoide, y también regula la apoptosis. Para realizar estas funciones, el IGF-I necesita unirse a su receptor celular específico, siendo internalizado y degradado por proteólisis endosomal. En este artículo se presenta una revisión de las principales funciones y del mecanismo de acción del IGF-I.

INTRODUCCIÓN:

El crecimiento, considerado como un aumento en el tamaño, es uno de los aspectos fundamentales del desarrollo. En los mamíferos, el crecimiento se encuentra genéticamente controlado. El crecimiento postnatal está principalmente influenciado por hormonas, particularmente por la hormona del crecimiento (HC), mientras que durante la embriogénesis, el crecimiento está regulado por moléculas polipeptídicas, como los factores de crecimiento. (1,2)

Actualmente, se han reconocido varios factores de crecimiento que regulan los procesos de desarrollo, entre los cuales se encuentran el Factor de Crecimiento Epidermal (EGF), el Factor de Crecimiento Fibroblástico (FGF), el Factor de Crecimiento Derivado de las Plaquetas (PDGF) y el Factor de Crecimiento Parecido a la Insulina tipo I (IGF-I). (3)

La insulina es requerida por todo tipo de células para un crecimiento, proliferación y metabolismo óptimo. (4) El IGF-I es un polipéptido capaz de sustituir a la insulina en ese papel, y es parte de una familia que ha crecido mucho en los últimos años, formada por péptidos relacionados con la insulina que se encuentran ampliamente expresados en humanos y animales, los cuales regulan el crecimiento y la diferenciación celular en tejidos en desarrollo, así como también, la función celular en tejidos maduros. (5,6)

Las funciones biológicas atribuidas al IGF-I sólo pueden llevarse a cabo cuando éste se une a su receptor celular específico (IGF-IR), el cual se expresa en la superficie de la membrana celular y pertenece a la familia de los receptores tirosina-kinasa. (7)

El propósito de este artículo es presentar una revisión de las funciones y mecanismo de acción del IGF-I y su receptor celular, en los procesos fisiológicos normales, incluyendo la formación y mineralización dentaria, para poder comprender su papel en las nuevas tendencias de reparación y regeneración de tejidos como la pulpa dental.

ACCIÓN BIOLÓGICA DEL IGF-I:

El IGF-I es de gran importancia tanto en el desarrollo embrionario como en el crecimiento postnatal, y es esencial para el proceso de señalización para la iniciación del ciclo celular, lo que genera proliferación celular. (8) Se ha demostrado que el IGF-I se expresa en tejidos fetales, sugiriendo que juega un papel importante en la diferenciación temprana y en el desarrollo. (9)

Estudios de mutagenicidad de los genes que codifican para el IGF-I, han mostrado la importancia que tiene el sistema de factores de crecimiento en el crecimiento normal de los animales. Así mismo, se ha establecido que postnatalmente, el IGF-I es un mediador de la HC. Sin embargo, el crecimiento embrionario se da por el mecanismo de acción del IGF-I al unirse con su receptor (IGF-IR) y es independiente de la HC, ya que animales experimentales en ausencia de esta hormona por extirpación de la glándula pituitaria, no presentan crecimiento prenatal anormal. (1)

El IGF-I estimula y regula ciertas funciones en tejidos y órganos durante el desarrollo postnatal, así como la actividad enzimática en tejidos especializados como hueso, músculos, complejo pulpodentinal y en células derivadas de los sistemas hematopoyético y linfoide. Además tiene la capacidad de regular la muerte celular programada o apoptosis. (10)

La sobreexpresión del IGF-I en osteoblastos conduce a un incremento en la velocidad de formación ósea y en la densidad mineral del hueso. Sorpresivamente, el incremento en la densidad ósea asociada con el IGF-I ocurre sin cambios en el número de osteoblastos u osteoclastos. (11)

El IGF-I en la formación y mineralización dentaria:

Los estudios de IGF-I en tejido dentario han demostrado que la simbiosis de la HC junto con el IGF-I generan la diferenciación de células odontogénicas como células blanco para la HC, donde el IGF-I actúa como segundo mensajero en la diferenciación de algunas poblaciones celulares. (12)

En cultivos primarios de tejido pulpar de perros, el IGF-I estimuló la proliferación celular. También se observó que algunas células pulpares se diferenciaron en células parecidas a odontoblastos. (8)

Existe inmunoreactividad marcada del IGF-I en incisivos de ratas, específicamente en ameloblastos y odontoblastos secretores. La distribución y la intensidad de la inmunoreactividad del IGF-I varió con la etapa de desarrollo dental. Esto sugiere que el IGF-I participa en los procesos de formación y mineralización dentaria. (12)

En cultivos primarios de células pulpares humanas, el IGF-I demostró estimular la mitogénesis. (13) A través de radioinmunoanálisis, se ha encontrado expresión extracelular de IGF-I en pulpas humanas tanto de dientes con formación radicular completa como incompleta, aunque en una proporción significativamente mayor en los dientes con desarrollo radicular completo. Estos resultados hacen suponer que en el tejido pulpar de dientes con formación radicular incompleta, existe gran cantidad de receptores celulares para el IGF-I, lo que acorta la vida media del factor en el medio extracelular. (14)

RECEPTOR CELULAR ESPECÍFICO PARA IGF-I:

Los efectos biológicos de la insulina y el IGF-I son mediados por dos receptores diferentes, pero estructuralmente muy similares; ambos se expresan en la superficie de la membrana celular, y pertenecen a la familia de los receptores tirosina-kinasa. (7) El IGF-IR es un tetrámero, formado por dos subunidades a y dos subunidades b unidas por puentes disulfuro. Las subunidades a están localizadas extracelularmente y median la unión al ligando, mientras que las subunidades b, se encuentran intracelularmente y son las que poseen la actividad tirosina-kinasa. (15)

Una comparación en la secuencia de aminoácidos entre el receptor para la insulina y el IGF-IR revelo un 84% de identidad en el dominio tirosin kinasa, y un 44% de identidad en su extremo carboxilo. (7)

Estudios de sustitución de aminoácidos han sido exitosos en identificar regiones especificas del IGF-IR que juegan un papel crítico en la proliferación celular o en la inhibición de la apoptosis, encontrándose que tanto el dominio tirosina-kinasa como el extremo carboxilo, son importantes en la función del IGF-IR. (16)

Un estudio similar reportó resultados diferentes, al concluir que el extremo carboxilo no está involucrado en la regulación de la actividad tirosina-kinasa o en la estimulación de la mitogénesis. (7)

Es importante anotar, que el papel del extremo carboxilo de las subunidades b, no está del todo esclarecido, ya que otros autores reportan que esta parte del receptor para la insulina y del IGF-IR son divergentes, pero parece ser que ambos juegan un papel mínimo en la regulación de la actividad tirosina-kinasa y en los efectos celulares. (15)

La expresión del IGF-IR en las células se encuentra altamente regulada por varias condiciones fisiológicas y patológicas. Por ejemplo, los niveles de mRNA para el IGF-IR están estrechamente regulados por el estado nutricional. En algunos tejidos, los niveles locales de IGF-I se reducen luego de una disminución en la ingesta de calorías. También es posible que el incremento en la expresión del IGF-IR sea secundario a la reducción de la concentración local del IGF-I. De manera similar, los niveles de IGF-IR en cultivos celulares son afectados por la concentración de IGF-I en el medio, encontrado una reducción en el número de receptores al haber un nivel elevado de IGF-I, puesto que al unirse el IGF-I con el IGF-IR, este ultimo se internaliza en la célula junto con el IGF-I. (17)

Mecanismo de Acción:

Se ha demostrado que los factores de crecimiento se combinan con su receptor específico para formar los complejos factor de crecimiento-receptor, los cuales determinan la magnitud de la señalización celular, la cual a su vez, depende de la concentración del factor de crecimiento, de la concentración del receptor y de la afinidad con la que interactúen. (18)

La unión del IGF-I con la porción extracelular del receptor, desencadena la fosforilación de las subunidades b y otras proteínas celulares, estimulando la actividad tirosina-kinasa, la cual es esencial para la transducción de la señal. Esto se comprobó mediante un estudio que reporto que los receptores deficientes de kinasa, son biológicamente inactivos. (19)

Luego de formado el complejo factor de crecimiento-receptor y de haberse activado el sistema tirosina-kinasa, éste complejo es internalizado en el citoplasma celular en forma de vacuolas, para que posteriormente sea degradado por proteínas endosomales (proteólisis endosomal). (19) Esto explica porqué cuando hay deficiencia de receptores, la vida del factor de crecimiento a nivel extracelular se alarga, mientras que cuando existe gran cantidad de receptores, la vida extracelular del factor de crecimiento se acorta. Estos cambios en la concentración de los receptores pueden inducir cambios en la sensibilidad de las células blanco. (18)

Por esta razón, al cuantificar el IGF-I presente en tejido pulpar humano de dientes con desarrollo radicular completo e incompleto a través de radioinmunoanálisis (RIA), se encontró mayor expresión de IGF-I en el tejido pulpar de los dientes con desarrollo radicular completo que en el incompleto, ya que en éste último existe alta actividad celular, lo que sugiere que el IGF-I se encuentra presente pero ya unido a un receptor celular específico e interiorizado en la célula, por lo que no pudo ser detectado por medio del RIA. (14)

La activación del IGF-IR así como del receptor para la insulina, resulta en una fosforilación del sustrato-1 del receptor para la insulina (IRS-1), el cual parece ser un elemento común en la señalización por IGF-I y por la insulina. (7)

El IGF-IR puede unirse al IGF-I y al IGF-II con gran afinidad, y a la insulina con mucho menos afinidad. En pacientes con resistencia severa a la insulina, se han encontrado mutaciones genéticas naturales en el receptor para la insulina, las cuales no se han reportado en el caso del IGF-IR. (16)

Durante el proceso de formación dental, principalmente en la proliferación y diferenciación celular, hay una expresión elevada de IGF-IR en las células de la lamina basal. El nivel de concentración de complejos factor de crecimiento-receptor, determinan la magnitud de la señalización celular. (12)

DISCUSIÓN:

La expresión del IGF-IR se encuentra regulada por diversos estímulos, incluyendo hormonas, estado nutricional y otros factores de crecimiento. (2,4,13,17) Estructuralmente, el IGF-IR es similar al receptor celular para la insulina. La función de este último en la transducción de señales ha sido ampliamente estudiada en comparación con la del IGF-IR. La información disponible sugiere que la relación estructura-función del IGF-IR en la transducción de señales, es similar a la del receptor para la insulina. (5,6,7,15)

Las bases moleculares de la transducción de señales por el receptor para la insulina y por el IGF-I resultan un enigma. Ambos receptores muestran una remarcable similitud estructural en sus dominios citoplasmáticos y comparten al menos un substrato común, el IRS-1. (5,6,7,16,19)

Sin embargo, la insulina y el IGF-I realizan diferentes efectos en el metabolismo celular y en el crecimiento in vivo. La información disponible al respecto sugiere que ésta diferencia en los efectos biológicos se debe más a la expresión diferencial y a una diferente unión del ligando a cada receptor, que a vías de señalización divergentes. (1,10,16,19)

Estos y otros estudios permiten mejorar el entendimiento de la relación entre estructura y función del IGF-IR. Más aún, estos hallazgos facilitarán la identificación de agentes que pueden aumentar la función del IGF-IR para inhibir la apoptosis o para estimular o reducir la proliferación celular, lo cual puede ser útil en la terapia para ciertas neoplasias. (9,10,15,17,19)

En el campo de la endodoncia, el conocimiento del mecanismo de acción del IGF-1 y su receptor, permitirán en un futuro, instaurar terapéutica en la búsqueda de la regeneración pulpar. (4,8,12,13,14)

Los fenómenos de reparación y regeneración de tejidos conectivos y de tejidos mineralizados, dependen de la acción sobre los precursores de células mesenquimatosas, acción que es regulada por el IGF-I, proporcionando bases sólidas para estudios de regeneración de la pulpa dental.

REFERENCIAS:

1. Baker, J., Liu, J., Robertson, E., Efstratiadis, A. Role of Insulin-like Growth Factors in Embryonic and Postnatal Growth. Cell, 1993; 75: 73-82.
2. Melmed, S. Insulin-like Growth Factor I – A prototypic peripheral-paracrine hormone. Endocrinology, 1999; 146(9): 3879-80.
3. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. Molecular biology of the cell. 4a. Edición, editorial Garland Science, New York, 2002.
4. Nagata, T., Ishida, H., Kido, J., Wakano, Y. Effects of Insulin and Parathyroid Hormone on DNA synthesis and Ornithine Decarboxylase activity in Cultured Bovine Dental Pulp. J Endod, 1989; 15(3): 101-5.
5. White, M., Kahn, R. The Insulin Signaling System. J Biol Chem, 1994; 269(1): 1-4.
6. Czech, M. Signal Transmission by the Insuline-like growth factors. Cell, 1989; 59: 235-238.
7. Gronborg, M., Wulff, B., Rasmussen, J., Kjeldsen, T., Gammeltoft, S. Structure-Function Relationship of the Insulin-like Growth Factor-I Receptor Tyrosine Kinase. J Biol Chem, 1993; 268(31): 23435-40.
8. Onishi, T., Kinoshita, S., Shintani, S., Sobue, S., Ooshima, T. Stimulation of proliferation and differentiation of dog dental pulp cells in serum-free culture medium by insulin-like growth factor. Arch Oral Biol, 1999, 44: 361-71.
9. Wass, J. Actual and Potential Clinical Uses of IGF-I. Journal of Pediatric Endocrinology, 1993, 6(3-4): 329-31.
10. D’ercole, J. Insulin-like growth factors and their receptors in growth. Endocrinology and Metabolism clinics of North America, 1996, 25(3): 573-90.
11. Butler, A. y LeRoith, D. Tissue-Specific Versus Generalized Gene Targeting of the IGF-I and IGF-IR genes and their roles in Insulin-like Growth Factor Physiology. Endocrinology 142(5): 1685-8
12. Joseph, B. Expression and Regulation of Insulin-Like Growth Factor-I in the rat incisor. Growth Factors, 1993, 8: 267-75.
13. Denholm, I., Moule, A., Bartold, P. The behaviour and proliferation of human dental pulp cell strains in vitro, and their response to the application of platelet-derived growth factor-BB and insulin-like growth factor-1. Int Endod J, 1998, 31: 251-8.
14. Angel, P., Diaz, A. y Orozco, M. Diferencias en la cantidad de Factor de Crecimiento Parecido a la Insulina (IGF-I) en tejido pulpar de dientes con desarrollo radicular completo e incompleto. Tesis de Grado. Pontificia Universidad Javeriana. Colombia, 2001.
15. Sepp-Lorenzino, L. Structure and function of the insulin-like growth factor I receptor. Breast Cancer Research and Treatment, 1998, 47: 235-53.
16. LeRoith, D. Insulin-like Growth Factor I Receptor Signaling – Overlapping or Redundant Pathways?. Endocrinology, 2000, 141(4): 1287-8.
17. Hernandez-Sanchez, C., Werner, H., Roberts, C., Woo, E., Hum, D., Rosenthal, S., LeRoith, D. Differential Regulation of Insulin-like Growth Factor-I (IGF-I) Receptor Gene Expression by IGF-I and Basic Fibroblastic Growth Factor. J Biol Chem, 1997 272(8): 4663-70.
18. Wilson, J., Foster, D. Textbook of Endocrinology. W. B. Saunders. 7a. edición, 1985.
19. Takahashi, Y., Kazuyuki, T., Kadowaki, H., Katsumata, K., Fukushima, Y., Yazaki, Y., Akanuma, Y., Kadowaki, T. Roles of Insulin Receptor Substrate-1 and Shc on Insulin-like Growth Factor I Receptor Signaling in Early Passages of Cultured Human Fibroblasts. Endocrinology, 1999, 138(2): 741-50.