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En un estudio de 2023 sobre hipoxia y metabolismo de la glucosa, nuestro laboratorio demostró cómo los organismos reconfiguran su metabolismo para adaptarse a bajos niveles de oxígeno, como los que se encuentran en altitudes elevadas. Una de las observaciones más llamativas de ese trabajo fue una disminución drástica en el azúcar en sangre.

Ese estudio se centró en ratones expuestos a hipoxia. Al analizar datos epidemiológicos de Estados Unidos, se observa el mismo patrón en personas que viven incluso a altitudes moderadas: niveles más bajos de glucosa en sangre, mejor tolerancia a la glucosa y un riesgo reducido de diabetes.

Esto nos llevó a preguntarnos a dónde iba toda esa glucosa de la sangre. La explicación más tradicional habría sido la señalización de la insulina, que indica a las células musculares y grasas que extraigan glucosa de la sangre. Pero, sorprendentemente, los escaneos PET/TC mostraron que, incluso después de analizar todos los órganos principales, el 70% del aumento en la eliminación de glucosa en ratones hipóxicos seguía sin explicarse. Algo más estaba sucediendo, algo que describimos hoy en Cell Metabolism.

El sumidero perdido

Comenzamos a sospechar que la glucosa estaba siendo consumida por una célula dentro del propio torrente sanguíneo.

Los glóbulos rojos (eritrocitos) parecían una respuesta improbable, pero atractiva. Nunca se les ha considerado reguladores de la homeostasis de la glucosa. No tienen núcleos ni mitocondrias. Están compuestos principalmente de hemoglobina con relativamente pocos mecanismos conocidos para regular activamente su metabolismo.

Sin embargo, también son el tipo de célula más abundante del cuerpo y su número aumenta drásticamente en la hipoxia crónica. Los eritrocitos dependen totalmente de la glucosa para obtener energía, ya que no pueden realizar el metabolismo oxidativo. Y son invisibles en los escaneos PET porque están en constante movimiento.

Para probar esta idea provocativa, recurrimos a técnicas “de la vieja escuela” para ver si los eritrocitos eran realmente la pieza que faltaba en el rompecabezas. Primero, evitamos el aumento de eritrocitos inducido por la hipoxia extrayendo repetidamente sangre de ratones hipóxicos, manteniendo su recuento de eritrocitos en niveles normales. Esto por sí solo fue suficiente para normalizar la glucosa en sangre e invertir la hipoglucemia.

Luego, hicimos lo contrario y transfundimos eritrocitos a ratones normales que respiraban aire normal. Simplemente agregar más eritrocitos fue suficiente para reducir su nivel de azúcar en sangre. En ese momento, supimos que estábamos en el camino correcto, por lo que nos sentimos muy seguros con nuestra hipótesis.

Comprendiendo el mecanismo

Curiosamente, durante nuestros experimentos anteriores, notamos que los eritrocitos individuales de ratones hipóxicos capturaban significativamente más glucosa que los eritrocitos de animales criados en condiciones normales. Una explicación sencilla sería un aumento de los transportadores de glucosa.

Utilizando citometría de flujo, descubrimos que los eritrocitos de ratones hipóxicos tenían una abundancia significativamente mayor de transportadores de glucosa GLUT1 por célula. Pero esto fue desconcertante porque los glóbulos rojos maduros no tienen núcleo, lo que significa que no pueden transcribir genes ni producir nuevas proteínas. Así que nos preguntamos cómo llegaron esas proteínas GLUT1 adicionales.

Los glóbulos rojos se producen constantemente en la médula ósea y tienen una vida útil de un par de meses. Queríamos probar si los eritrocitos nacidos en la médula ósea hipóxica estaban siendo programados para producir más GLUT1 durante su desarrollo y luego mantener ese nivel más alto de transportador una vez maduros y en circulación.

Este fue un experimento particularmente divertido. Etiquetamos todos los eritrocitos preexistentes con biotina durante tres días consecutivos y luego trasladamos a los ratones a hipoxia. A partir de ese momento, no se produjo una etiquetación adicional con biotina, por lo que cualquier nuevo glóbulo rojo que madurara en la médula ósea no estaría etiquetado. Después de cuatro semanas, separamos los eritrocitos viejos y nuevos y medimos sus niveles de GLUT1.

Curiosamente, solo los recién sintetizados mostraron una regulación al alza de GLUT1. Las células viejas no mostraron ningún cambio. Esto nos indicó que, una vez que los eritrocitos maduran y entran en circulación, conservan la capacidad de captación de glucosa con la que nacieron, pero la hipoxia reprograma la médula ósea para producir una nueva población de eritrocitos hambrientos de glucosa.

Eritrocitos como sensores de oxígeno

Habíamos descubierto cómo la glucosa entraba más rápidamente en los eritrocitos hipóxicos, pero no qué sucedía con ella en su interior. Para averiguarlo, inyectamos glucosa marcada en ratones y rastreamos su conversión en los eritrocitos. Los eritrocitos hipóxicos metabolizaron la glucosa mucho más rápido que los eritrocitos normales, convirtiéndola en cuestión de minutos en 2,3-DPG (2,3-difosfoglicerato). Esta molécula se une a la hemoglobina y ayuda a liberar oxígeno a los tejidos, exactamente lo que el cuerpo necesita a mayor altitud.

Considerando lo agudo que era este mecanismo, parecía que los eritrocitos maduros estaban reaccionando en tiempo real a la falta de oxígeno. Fue entonces cuando nos pusimos en contacto con Angelo D’Alessandro (Universidad de Colorado) y Allan Doctor (Universidad de Maryland), ambos expertos líderes en biología de los glóbulos rojos. Estuvieron muy entusiasmados y quisieron ayudarnos a profundizar en el mecanismo.

Juntos descubrimos algo que se había propuesto hace décadas, pero que no se había estudiado realmente en este contexto fisiológico. En condiciones de oxígeno normal, las enzimas glucolíticas clave, incluida la GAPDH, se secuestran en la membrana de los eritrocitos al unirse a una proteína llamada Banda 3, frenando la glucólisis. Pero cuando los niveles de oxígeno bajan, la hemoglobina libera su oxígeno y cambia de forma. Esa hemoglobina desoxigenada ahora puede competir por los sitios de unión de la Banda 3, liberando las enzimas glucolíticas y permitiéndoles construir más 2,3-DPG.

Confirmamos este mecanismo utilizando proteómica de reticulación, microscopía STED y ensayos de ligación de proximidad tanto en eritrocitos de ratón como de humanos. Esto indica que este elegante interruptor metabólico se conserva entre especies.

Implicaciones para la diabetes

Una vez que comprendimos el mecanismo, probamos si podría funcionar terapéuticamente. Tres enfoques revirtieron la hiperglucemia en modelos de ratones diabéticos: exponer a ratones diabéticos a hipoxia, transfundir eritrocitos a ratones diabéticos en oxígeno normal y tratar a ratones con una dieta rica en grasas con HypoxyStat, una molécula pequeña que nuestro laboratorio desarrolló y que causa hipoxia tisular en entornos de oxígeno normal al aumentar la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.

Por supuesto, las transfusiones de eritrocitos no son una terapia ideal a largo plazo. Pero los hallazgos sugieren posibles direcciones, como la ingeniería de eritrocitos para que sean más ávidos de glucosa o la focalización de la renovación de eritrocitos para cambiar las poblaciones hacia células más jóvenes y metabólicamente activas.

Quedan grandes interrogantes. El estudio nos hizo preguntarnos cuál es el destino final de la glucosa en los eritrocitos una vez que se produce el 2,3-DPG. Y, lo que es más importante, si los eritrocitos son capaces de consumir glucosa a esta escala, ¿qué otros aspectos de la fisiología de todo el cuerpo hemos pasado por alto?

Este proyecto avanzó inusualmente rápido, en menos de un año desde la hipótesis hasta la presentación. Esto se debió en parte al uso de enfoques más antiguos que han caído en desuso, como la flebotomía, la transfusión y el rastreo con biotina. También se debió a que reconocimos cuándo necesitábamos experiencia especializada y encontramos a los colaboradores adecuados.

En general, este viaje nos enseñó el coraje de perseguir hipótesis “locas” y nos recordó que, a veces, la verdad se esconde a plena vista.