Ácidos biliares: lo bueno, lo malo y lo feo

En los vertebrados, el equilibrio del colesterol se consigue modulando tanto la síntesis como la excreción. La excreción de colesterol está mediada por los ácidos biliares, las moléculas anfipáticas solubles en agua que se forman a partir del colesterol en el hepatocito. Además de su papel en la homeostasis del colesterol, los ácidos biliares también son detergentes funcionales que inducen el flujo biliar y transportan los lípidos en forma de micelas mixtas en el tracto biliar y el intestino delgado. Las funciones de los ácidos biliares en la salud y las disfunciones en la enfermedad son el objetivo de este artículo.

La bilis como fluido secretor y excretor.

La bilis, un fluido secretado por el hígado en el intestino de los vertebrados, es un fluido tanto digestivo como excretor. Como fluido digestivo, la bilis contiene ácidos biliares, potentes tensioactivos digestivos que favorecen la absorción de lípidos. Como fluido excretor, la bilis contiene sustancias que no pueden ser eliminadas eficazmente en la orina porque son insolubles o están unidas a proteínas. Entre ellas se encuentran, además de los ácidos biliares (que no sólo son tensioactivos digestivos, sino también productos finales del metabolismo del colesterol), la bilirrubina (producto final del metabolismo del hemo), el colesterol (derivado de una síntesis que supera las necesidades del organismo) y metales pesados como el hierro y el cobre (derivados de una absorción que supera las necesidades del organismo). La secreción biliar también proporciona una vía de excreción para los esteroides lipofílicos y los metabolitos de los medicamentos. La bilis también tiene una alta concentración de fosfolípidos, que consisten principalmente en fosfatidilcolina (PC) y que forman micelas mixtas con los ácidos biliares. Estas micelas mixtas contienen microdominios anfipáticos que pueden solubilizar el colesterol. La formación de micelas mixtas también disminuye la actividad monomérica de los ácidos biliares y evita que destruyan la membrana apical de las células epiteliales biliares. La IgA, una inmunoglobulina, y el moco se secretan en la bilis, donde su función es impedir el crecimiento y la adhesión de las bacterias. Por último, la bilis contiene tocoferol, que puede prevenir el daño oxidativo del epitelio biliar y del intestino delgado (5).

Metabolismo de los ácidos biliares.

Los ácidos biliares se forman en los hepatocitos pericentrales a partir del colesterol mediante un proceso multienzimático. En la biosíntesis de los ácidos biliares C24 (presentes en la mayoría de los vertebrados), la cadena lateral del colesterol sufre una escisión oxidativa que da lugar a la conversión de una fracción de isooctano en una fracción de ácido isopentanoico. Se añaden uno o dos grupos hidroxilos al núcleo. Aunque el patrón de hidroxilación varía entre las especies, la hidroxilación es siempre en una cara de la molécula, y el producto final tiene invariablemente una cara hidrofóbica y una cara hidrofílica, dando lugar a una molécula anfipática.

La composición de las moléculas de ácidos biliares que circulan es a menudo compleja y está fuera del alcance de este artículo. La complejidad se debe a que los ácidos biliares circulantes tienen dos entradas. La primera consiste en los ácidos biliares formados a partir del colesterol en el hepatocito; se denominan ácidos biliares primarios y suelen estar formados por al menos dos ácidos biliares. La segunda entrada consiste en ácidos biliares formados por bacterias en el colon mediante la eliminación del grupo hidroxi en C-7. Estos ácidos biliares se denominan ácidos biliares secundarios. Se absorben en el colon y circulan junto con los ácidos biliares primarios. La bilis es, por tanto, una mezcla de ácidos biliares primarios formados en el hepatocito y de ácidos biliares secundarios formados en el colon. Todos los ácidos biliares, ya sean primarios o secundarios, que se segregan en la bilis se conjugan con glicina o taurina. Dicha conjugación aumenta la solubilidad acuosa a pH ácido, aumenta la resistencia a la precipitación por Ca2+ y hace que los ácidos biliares sean impermeables a las membranas celulares (7, 8).

Mejora de la absorción de los lípidos de la dieta por parte de los ácidos biliares.

Los triglicéridos de la dieta son hidrolizados por la lipasa pancreática en moléculas de ácidos grasos y 2-monoglicéridos que son insolubles a pH fisiológico. La capacidad de los ácidos biliares para solubilizar eficazmente estos productos de la lipólisis se conoce desde hace casi un siglo, y el descubrimiento de que dicha solubilización podía explicarse por la formación de micelas mixtas fue una magnífica aplicación de los conceptos de la ciencia de los coloides a un proceso fisiológico. Trabajos recientes realizados mediante dispersión de neutrones indican que las micelas mixtas de la bilis (que contienen ácidos biliares, PC y colesterol) y del contenido del intestino delgado (que contiene ácidos biliares, ácidos grasos y monoglicéridos) tienen una disposición molecular idéntica. En ambos tipos de micelas, la forma del agregado polimolecular es cilíndrica. Los lípidos polares están dispuestos radialmente con sus cabezas hidrofílicas orientadas hacia la fase acuosa. Las moléculas de ácidos biliares están dispuestas perpendicularmente entre sus cabezas polares. La cara hidrofóbica de la molécula de ácido biliar descansa como una cuña entre las cabezas de las cadenas alquílicas de las moléculas de PC (o ácido graso); la cara hidrofílica de la molécula de ácido biliar está orientada hacia el medio acuoso (4). La transformación de bicapas o vesículas lipídicas en micelas mixtas por los ácidos biliares se ilustra en la Fig. 2.

En el intestino delgado, la solubilización micelar aumenta la concentración acuosa de ácidos grasos y monoglicéridos en un factor de ~1.000. La micela mixta se difunde más lentamente que los monómeros, pero el gran aumento de la concentración acuosa causado por la formación de la micela acelera la difusión por un factor de al menos 100. Esto es importante porque la absorción de ácidos grasos por parte del enterocito es tan rápida que la difusión se convierte en un factor limitante en el proceso global de absorción (8). La digestión y absorción eficiente de las grasas es especialmente importante en el lactante, en el que las grasas son una fuente importante de calorías.

Los ácidos biliares no solubilizarán los lípidos de la dieta en forma de micelas mixtas a menos que los ácidos biliares estén por encima de una concentración crítica, denominada concentración crítica de micelización. La concentración relativamente alta de ácidos biliares en el lumen del intestino delgado durante la digestión es el resultado de varios factores. En primer lugar, los ácidos biliares conjugados son ácidos fuertes que están totalmente ionizados en el pH intestinal y, por tanto, son impermeables a las membranas celulares, y la molécula de ácido biliar es demasiado grande para atravesar las uniones paracelulares. En segundo lugar, la conservación eficiente de los ácidos biliares mediante la absorción activa (mediada por el transportador) desde el intestino delgado da lugar a una reserva de ácidos biliares que cicla varias veces con cada comida. (Este movimiento de moléculas desde el tracto biliar al intestino delgado y de vuelta al hígado, seguido de la resecación en la bilis, se denomina circulación enterohepática). La circulación enterohepática de los ácidos biliares proporciona un gran flujo de moléculas tensioactivas que supera en gran medida la velocidad a la que se sintetizan los ácidos biliares a partir del colesterol. Por ejemplo, la secreción de ácidos biliares con una comida tiene una media de 5 mmol/h. La síntesis de ácidos biliares a partir del colesterol es de ~0,02 mmol/h. El último factor que contribuye a la alta concentración luminal de ácidos biliares es la altísima concentración de bilis de la vesícula biliar (hasta 300 mM), al menos en las especies que tienen vesícula biliar. La alta concentración de la bilis de la vesícula biliar es el resultado de la eliminación de agua por parte del epitelio de la vesícula biliar cuando la bilis se almacena en la vesícula.

La gran reserva de reciclaje de ácidos biliares cumple así una función de transporte de lípidos tanto en el tracto biliar como en el intestino delgado. En la bilis, la función de transporte de la micela «excretora» (ácidos biliares, PC y colesterol) ayuda a la excreción del colesterol y otras moléculas lipofílicas. En el intestino delgado, la micela «absorbente» ayuda a la absorción de triglicéridos y vitaminas liposolubles. Ambos tipos de micelas pueden unir cationes polivalentes y promover su transporte.

Las funciones de los ácidos biliares en el hígado y el tracto biliar.

La gran reserva de reciclaje de ácidos biliares también tiene funciones dentro del hepatocito. Los ácidos biliares que regresan del intestino son eliminados eficazmente de la sangre venosa portal por el hepatocito. La extracción de primer paso depende de la estructura del ácido biliar, pero para todos los ácidos biliares supera el 60%. La captación está mediada por proteínas transportadoras basolaterales que actualmente se están caracterizando a nivel molecular (10). Tras la captación, los ácidos biliares no permanecen en el hepatocito, sino que son rápidamente bombeados al canalículo biliar por un transportador canalicular energizado por ATP que ha sido recientemente clonado (2). El transporte a través de la membrana canalicular es extraordinariamente concentrativo, ya que se cree que la concentración monomérica de ácidos biliares en el hepatocito es de 1-2 μM, mientras que la de la bilis canalicular es de al menos 1.000 μM. Los ácidos biliares se bombean al espacio canalicular, que es semipermeable. Como resultado de los efectos osmóticos de las concentraciones transitoriamente elevadas de ácidos biliares, el agua y los iones filtrables fluyen hacia el espacio canalicular, principalmente a través de las uniones paracelulares. De este modo, se genera la bilis canalicular. (La teoría osmótica de la formación de la bilis fue propuesta hace unos sesenta años por Ivor Sperber y ha sido confirmada por múltiples líneas de evidencia experimental; el mecanismo de formación de la bilis es idéntico al mecanismo de bombeo de la bomba Alza.)

Los canalículos, que tienen un extremo ciego en la región pericentral del lóbulo hepático, están rodeados por una espiral de microfilamentos de actina. Estos se contraen, conduciendo la bilis canalicular hacia los conductos biliares e iniciando el flujo biliar. Después de inducir el flujo de bilis hacia el lumen canalicular, los ácidos biliares también inducen la secreción de lípidos biliares al adsorberse a moléculas de PC que han sido transportadas a través de la membrana canalicular por una PC-«flippase» (11). Las moléculas de PC forman burbujas vesiculares que brotan de la cara luminal de la membrana canalicular, y la energía para la formación de las vesículas quizá sea proporcionada por las contracciones canaliculares. Los ácidos biliares se adsorben a estas vesículas, separándolas de la cara luminal de la membrana canalicular (11). A medida que la bilis desciende por el tracto biliar, las vesículas se convierten en micelas mixtas por la continua adsorción de moléculas de ácidos biliares. Aún no se sabe cómo se transporta el colesterol a la bilis canalicular. La conversión de vesículas en micelas mixtas por los ácidos biliares se muestra en la Fig. 3.

Alrededor de la mitad de la bilis secretada por el hígado entra en la vesícula biliar, donde se concentra en un factor de tres a seis. Durante el almacenamiento y la concentración en la vesícula biliar, se eliminan el agua y los electrolitos y la bilis se acidifica mediante el intercambio Na+/H+. Con una comida, la vesícula biliar se contrae, el esfínter de Oddi se relaja bajo estímulos neurohormonales y la bilis entra en el intestino delgado. El PC se hidroliza y se absorbe; el colesterol se precipita de la solución, favoreciendo su eliminación. Los ácidos biliares forman ahora micelas mixtas con ácidos grasos y monoglicéridos. La micela excretora se ha convertido en una micela absorbente.

Transporte de ácidos biliares.

La circulación enterohepática implica, pues, el transporte transcelular de moléculas de ácidos biliares, mediado por transportadores de membrana, y el flujo interorgánico, mediado por la motilidad intestinal y el flujo sanguíneo. El transporte vectorial de membrana se produce en el hepatocito y en el enterocito ileal, y el flujo interorgánico se produce en la circulación venosa portal y sistémica, en el tracto biliar y en el intestino delgado.

Ya se han descrito las bombas químicas presentes en el hepatocito. La evidencia de la presencia de un sistema de transporte activo en el enterocito ileal fue proporcionada por Lack y Weiner, quienes demostraron, utilizando sacos intestinales evertidos, que los ácidos biliares conjugados se mueven hacia arriba de manera dependiente del Na+. Recientemente, el trabajo de Dawson y sus colegas (1) ha llevado a la clonación del cotransportador Na+-ácido biliar presente en la membrana apical del enterocito ileal. El transportador de ácidos biliares del íleon comparte homología con el transportador de ácidos biliares dependiente de Na+ del hepatocito, situado en la membrana sinusoidal, pero es una proteína diferente. La salida de los ácidos biliares del enterocito ileal a través de la membrana basolateral y hacia la sangre venosa portal implica una segunda proteína transportadora con productos de intercambio aniónico que sigue estando mal caracterizada.

La circulación enterohepática de los ácidos biliares está bajo control homeostático tanto a nivel del hepatocito, con respecto a la biosíntesis de ácidos biliares, como del enterocito ileal, con respecto al transporte de ácidos biliares. A nivel del hepatocito, una disminución del retorno de ácidos biliares al hepatocito va seguida de un aumento de la biosíntesis de ácidos biliares; la señal parece ser la concentración intracelular de ácidos biliares. Normalmente, la síntesis de ácidos biliares está regulada a la baja. Con la interrupción de la circulación enterohepática, la biosíntesis de ácidos biliares aumenta hasta 15 veces. Dado que los ácidos biliares se derivan del colesterol, el aumento de la biosíntesis de ácidos biliares debe ir acompañado de una cantidad equivalente de biosíntesis de colesterol.

La homeostasis a nivel del enterocito ileal no se conoce bien. Existen pruebas convincentes de la retroalimentación negativa (disminución del transporte con el aumento de la carga) en el hámster y el conejillo de indias; la retroalimentación negativa del transporte ileal también está presente en los seres humanos, porque la secreción de ácidos biliares no aumenta cuando se alimenta con ácidos biliares.

Lo malo

La retención inadecuada de los ácidos biliares y el metabolismo del colesterol.

La utilidad fisiológica de la circulación enterohepática de los ácidos biliares ha fascinado a los fisiólogos durante siglos. Borelli, el legendario fisiólogo animal, predijo la existencia de la circulación enterohepática en el siglo XVII. La prueba experimental de la circulación enterohepática esperó a los estudios realizados en el perro con fístula biliar en 1870 por Moritz Schiff en Ginebra. (Schiff se había visto obligado a abandonar su laboratorio en Florencia (Italia) y a huir a Suiza tras ser juzgado por los antiviviseccionistas; en su juicio, hizo una elocuente defensa de la necesidad y la justificación moral de la experimentación con animales.)

La opinión de que los ácidos biliares conjugados eran moléculas detergentes funcionales que solubilizaban los lípidos, favoreciendo así su absorción, era bien aceptada por los fisiólogos hace medio siglo, aunque todavía no se hubiera descrito la formación de micelas mixtas. Se consideraba que la circulación enterohepática era una adaptación fisiológica extraordinaria que ponía a disposición de la digestión un gran flujo de moléculas detergentes con mínimos requisitos de biosíntesis. Sin embargo, esta opinión de que la circulación enterohepática eficiente era «buena» para el organismo se ha modificado en la última década, en gran parte como resultado de los avances en el conocimiento del metabolismo del colesterol y las lipoproteínas. Ahora parece cada vez más probable que la conservación intestinal eficiente de los ácidos biliares también tenga un aspecto «malo». Brown y Goldstein, en su trabajo seminal sobre el receptor de las lipoproteínas de baja densidad (LDL), señalaron que el deterioro de la función de este receptor provocaba hipercolesterolemia. La regulación de este receptor podría lograrse aumentando las demandas de colesterol del hepatocito, ya que éste parece defender la homeostasis del colesterol a toda costa. Observaron que los secuestradores de ácidos biliares inducían la biosíntesis de ácidos biliares y de colesterol, lo que a su vez regulaba la actividad del receptor de LDL. Así pues, en el adulto, la conservación intestinal eficiente de los ácidos biliares puede considerarse mala en el sentido de que regula a la baja la biosíntesis de colesterol y la actividad del receptor de LDL, lo que a su vez conduce a niveles plasmáticos de colesterol LDL más elevados.

Incluso antes de la elegante descripción de Brown y Goldstein, las empresas farmacéuticas habían identificado el transporte activo de los ácidos biliares por el íleon como un proceso fisiológico al que había que dirigirse para tratar la hipercolesterolemia. El primer agente, el secuestrador de ácidos biliares colestiramina, provocó un aumento del triple de la biosíntesis de colesterol y ácidos biliares y redujo los niveles de colesterol LDL en plasma. Aunque la colestiramina ha demostrado ser segura y eficaz para la prevención de eventos coronarios en pacientes con hipercolesterolemia familiar, su uso no está muy extendido debido a efectos secundarios indeseables como el estreñimiento. Se están desarrollando secuestradores más potentes y con menos efectos secundarios. Un segundo enfoque es la síntesis de inhibidores del cotransportador Na+-ácido biliar presente en la membrana apical de los enterocitos ileales. Se ha demostrado que tales agentes inhiben la absorción de ácidos biliares, reducen el colesterol plasmático y disminuyen la aterosclerosis en el conejo Watanabe alimentado con colesterol y que se sabe que tiene receptores LDL defectuosos (13).

Los feos

Los ácidos biliares como agentes citotóxicos.

Las propiedades anfipáticas de los ácidos biliares que hacen que sean tan potentes solubilizadores de los lípidos de la membrana son también responsables de que los ácidos biliares sean citotóxicos cuando están presentes en concentraciones anormalmente altas tanto intracelulares como extracelulares. Los efectos citotóxicos de los ácidos biliares pueden provocar síntomas angustiosos o incluso la muerte. Este es el lado «feo» de los ácidos biliares.

Citotoxicidad causada por el aumento de las concentraciones intracelulares de ácidos biliares.

En el hepatocito sano, la captación de ácidos biliares a través de la membrana basolateral y la exportación a través de la bomba de exportación canalicular están estrechamente acopladas. Este eficiente acoplamiento, junto con la presencia de proteínas de unión en el citosol, mantiene las concentraciones monoméricas de ácidos biliares dentro del hepatocito en concentraciones extremadamente bajas, <3 μM. Cuando la exportación canalicular es defectuosa, ya sea por un defecto innato o adquirido en el transporte canalicular o cuando hay una obstrucción física al flujo biliar, los ácidos biliares se acumulan dentro del hepatocito. Cuando su concentración supera la capacidad de unión de las proteínas de unión, los ácidos biliares inducen la apoptosis y la necrosis, probablemente por daño a las mitocondrias (14). En los pacientes con enfermedad hepática colestásica, la magnitud del daño en los hepatocitos causado por la acumulación intracelular de ácidos biliares puede disminuirse mediante la ingesta de un ácido biliar no tóxico (ursodiol), que se acumula en la reserva de ácidos biliares circulantes y disminuye la citotoxicidad de la mezcla de ácidos biliares que circula por el hepatocito (12).

Ciertos errores congénitos de la biosíntesis de ácidos biliares conducen a un aumento de la síntesis de precursores de ácidos biliares. Estos se acumulan dentro del hepatocito porque no son sustratos para la bomba de exportación canalicular y causan la muerte del hepatocito. Los bebés con estas condiciones extremadamente raras desarrollan una ictericia progresiva después del nacimiento. El diagnóstico suele realizarse mediante la identificación por espectrometría de masas de los intermedios en orina o plasma. El tratamiento con ácidos biliares naturales suprime la síntesis de los intermediarios tóxicos, induce un flujo biliar normal, restaura la concentración de ácidos biliares en el intestino delgado y salva la vida.

En principio, los ácidos biliares deberían acumularse en el enterocito ileal cuando el transporte basolateral está deteriorado, y dicha acumulación debería causar la muerte del enterocito. Sin embargo, esta situación aún no se ha inducido experimentalmente ni se ha identificado clínicamente.

Citotoxicidad causada por el aumento de las concentraciones extracelulares de ácidos biliares.

En la salud, la conservación ileal eficiente, junto con la rápida modificación bacteriana de los ácidos biliares que entran en el colon, hace que la concentración acuosa de ácidos biliares en el contenido colónico sea bastante baja, <1 mM. Cuando el transporte ileal de ácidos biliares es defectuoso, ya sea por una ausencia congénita del transportador ileal de ácidos biliares o por una resección o enfermedad ileal, se produce un aumento compensatorio de la biosíntesis hepática, y una cantidad mucho mayor de ácidos biliares pasa al colon. La elevada concentración intraluminal induce la secreción de electrolitos y agua, que se manifiesta clínicamente como diarrea. La administración de secuestradores de ácidos biliares reduce la elevada concentración intraluminal de ácidos biliares y proporciona un beneficio sintomático (6).

Estados de deficiencia de ácidos biliares.

Una deficiencia de ácidos biliares en el intestino se produce cuando la circulación enterohepática de ácidos biliares está obstruida o cuando se interrumpe por una conservación intestinal deficiente. Si la malabsorción de ácidos biliares es lo suficientemente grave, el aumento compensatorio de la biosíntesis de ácidos biliares es insuficiente para restaurar la secreción de ácidos biliares en el intestino. (En los seres humanos, el hígado puede aumentar su síntesis de ácidos biliares sólo ~15 veces. La tasa máxima de biosíntesis de ácidos biliares es de ~6 g/día, que es menos de la mitad de la tasa de secreción diaria normal de ácidos biliares). La disminución de la secreción de ácidos biliares conduce a una solubilización micelar defectuosa de los lípidos de la dieta, y esto contribuye a la malabsorción de lípidos en estos pacientes. Si se administran ácidos biliares conjugados por vía oral, se restablece la solubilización micelar y mejora la absorción de lípidos. Se está probando la utilidad clínica de esta terapia de sustitución de ácidos biliares conjugados (3).

Conclusión

La aclaración del metabolismo, la circulación enterohepática y las funciones de los ácidos biliares, así como las alteraciones de estos procesos en la enfermedad, ha supuesto un esfuerzo multidisciplinar que ha abarcado desde la bioquímica física hasta los ensayos clínicos. En mi opinión, estos esfuerzos han estado en las mejores tradiciones de la fisiología integrativa.