ROS y hormonas reproductivas masculinas

Las especies reactivas de oxígeno (ROS), producidas por factores exógenos y endógenos,  son derivados inestables del oxígeno altamente reactivos que contiene al menos un átomo de oxígeno y tienen  una  vida media en el rango de nanosegundos a milisegundos. Estas moléculas  juegan un rol clave en la alteración de las funciones reproductivas masculinas.  Las modificaciones en el estilo de vida, los avances tecnológicos, los niveles de contaminación ambiental, el consumo de alcohol, el tabaquismo y el estrés físico están entre las principales cusas exógenas de producción de ROS. Los múltiples mecanismos del metabolismo que involucran a la membrana celular, mitocondrias, peroxisomas y retículo endoplásmico pueden producir ROS endógenas. Los antioxidantes defienden contra los excesivos niveles de ROS  a través de mecanismos enzimáticos (superóxido dismutasa, catalasas y peroxidasas) y no enzimáticos (vitaminas, esteroides, etc). En los casos donde se presenta un desbalance entre oxidantes (ROS) y antioxidantes con predominio de oxidantes, ocurre estrés oxidativo (EO), el cual pone a las células y el cuerpo bajo estrés. Como resultado, los elevados niveles de ROS pueden inducir peroxidación de lípidos, disrupción de ADN, ARN y proteínas en los espermatozoides y otras células testiculares.

   Los altos niveles de ROS pueden incrementar la posibilidad de infertilidad no solo directamente a través de la inducción de EO, sino también indirectamente por acciones sobre la liberación de hormonas en el eje hipotálamo-hipófisis-gónada (HHG). Las ROS reducen los niveles de hormonas sexuales masculinas y provocan disrupción  del balance hormonal que regula las funciones reproductivas masculinas, causando infertilidad. Estos “disruptores endocrinos” no solo interfieren en la comunicación entre el testículo y la unidad hipotálamo-hipófisis, sino que también provocan disrupción de las relaciones del eje HHG con otros ejes hormonales. El testículo, como órgano sexual masculino primario, no solo está relacionado con la espermatogénesis sino también con la secreción de varias hormonas, las cuales son requeridas para la regulación de la secreción de gonadotropinas, la formación del fenotipo masculino durante la diferenciación sexual y la conducta sexual normal. Por tanto, las ROS, al interferir con la liberación hormonal normal, causan disrupción de las funciones reproductivas esenciales.

   La hormona liberadora de  gonadotropinas (GnRH) secretada por el hipotálamo regula la liberación y secreción por la hipófisis anterior de las gonadotropinas, hormona luteinizante (LH) y hormona estimulante del folículo (FSH),  que a su vez regulan las funciones testiculares. Por otra parte, los esteroides gonadales ejercen mecanismos reguladores de retroalimentación sobre la unidad hipotálamo-hipófisis para el establecimiento de la homeostasis fisiológica  y el mantenimiento de las funciones reproductivas normales. Los receptores de FSH están localizados en la membrana de las células de Sertoli, mientras los receptores de LH están localizados en las células de Leydig. Las gonadotropinas coordinan la síntesis de testosterona, mantienen la espermatogénesis normal y la densidad y salud de los espermatozoides. Otras hormonas como el estradiol (E2) y la prolactina (PRL) también intervienen en el mantenimiento de la función reproductiva masculina. El E2 producido por el testículo y por conversión periférica de precursores androgénicos, es un potente inhibidor de las gonadotropinas. La PRL inhibe la liberación de GnRH y por consiguiente reduce la secreción de gonadotropinas.  Adicionalmente, las inhibinas A y B, hormonas diméricas producidas por las células de Sertoli, exhiben retroalimentación negativa sobre la secreción de FSH. La hormona anti-mülleriana (AMH), una glucoproteína dimérica estructuralmente relacionada con las inhibinas, es producida por las células de Sertoli embrionarias y es  responsable de la regresión de los conductos de Müller durante las primeras ochos semanas de la embriogénesis. La dehidroepiandrosterona (DHEA), hormona esteroide secretada por la corteza adrenal, también interviene en la función reproductiva masculina. Más aun, la melatonina producida por la glándula pineal, regula positivamente la secreción de gonadotropinas y testosterona. Las interacciones entre el eje hipotálamo-hipófisis-tiroides (HHT) y el eje HHG potencialmente influyen en el desarrollo en el desarrollo testicular, principalmente por la participación de las hormonas tiroideas y la FSH. Entonces, además del control central a través del eje HHG, las principales hormonas reproductivas masculinas actúan individualmente o a través de diferentes ejes endocrinos para influir en las funciones reproductivas masculinas. En consecuencia, cualquier disrupción de estas redes puede afectar adversamente la fertilidad masculina.  

   Las ROS son capaces de arrebatar electrones a otras moléculas para activar un estado electrónicamente  estable. En este proceso, la otra molécula pierde un electrón, lo cual da lugar a la formación de un nuevo radical. A continuación, este radical reacciona con otra molécula vecina, la cual pasa al estatus de radical a través de una reacción llamada “reacción de radicales en cadena” hasta que dos radicales reaccionan uno con otro formando un enlace estable. Estas reacciones amplifican el grado de alteraciones en las estructuras celulares. El humano contiene abundantes mitocondrias particularmente en la pieza media del flagelo. Una oxidoreductasa dependiente de NADH (en la membrana interna mitocondrial) y una NAD (P) H-oxidasa (en la membrana plasmática) son las dos principales fuentes de superóxido (O₂*^-). La mayor parte de ROS generada en el espermatozoide humano es O₂*^- el cual es un producto de fosforilación oxidativa por adición de un electrón al oxígeno intracelular y es creado entre los complejos I y III de la cadena transportadora de electrones. El H₂O₂ es una molécula no cargada, membrana-permeable, considerado el mayor iniciador del daño peroxidativo de la membrana plasmática de las células germinales. En presencia de metales de transición como hierro o cobre, O2*^- y H₂O₂ pueden generar el extremadamente reactivo radical hidroxil OH* a través de la reacción de Haber-Weiss, la cual consiste en una reducción del ion férrico (Fe³⁺) a ion ferroso (Fe²⁺). En una segunda etapa, llamada reacción de Fenton, el Fe²⁺ es oxidado a Fe³⁺ por H₂O₂ con la generación de radicales hidróxido (OH^-) y OH*. El radical O₂*^- tiene la capacidad para interactuar con óxido nítrico (NO) para formar peroxinitrito (ONOO^-), el cual puede provocar apoptosis o muerte celular necrótica.

   Para producir la energía necesaria para la motilidad, el espermatozoide utiliza las mitocondrias. En la mitocondria, la disrupción del potencial de membrana provoca la fuga de electrones en la cadena transportadora de electrones y por consiguiente forma ROS. La NADPH oxidasa dependiente de Ca²⁺, llamada NOX5, está presente en la región acrosomal y en la pieza media del espermatozoide humano. La NOX5 es uno de los mayores  generadores de ROS y puede inducir EO. Esta enzima es activada cuando el Ca²⁺ se une a su N terminal citoplasmático  y causa cambios conformacionales a la célula a través del EO. Durante la espermatogénesis, el espermatozoide en desarrollo expulsa su citoplasma. Cuando ocurre disrupción de la espermiogénesis y/o  el exceso de citoplasma no es completamente expulsado (exceso de citoplasma residual), el exceso de citoplasma será retenido alrededor de la pieza media. Como el citoplasma contiene la maquinaria enzimática para producir ROS, cualquier impedimento en la eliminación del exceso de citoplasma podría disparar la producción de cantidades intrínsecas  de ROS en exceso, lo cual, a su vez, podría provocar daño oxidativo de la membrana plasmática y el ADN del espermatozoide.  

   La próstata y la vesícula seminal son las mayores fuentes de leucocitos peroxidasa-positivos (leucocitos polimorfonucleares) y macrófagos. Las respuestas inflamatorias disparan la generación de ROS en estas células aproximadamente  100 veces más que la cantidad producida en condiciones normales. Esta elevada producción de ROS es parte de los mecanismos naturales de defensa de estas células, donde la producción de NADPH a través de la ruta de hexosa monofosfato es elevada.  La participación de leucocitos en la inflamación está estrechamente conectada con la leucocitoespermia acompañante, una condición  definida por la Organización Mundial de la Salud como muestras de semen que contienen más de un millón de leucocitos peroxidasa positivos por ml de semen. El varicocele, una condición  causada por una dilatación anormal de las venas en el plexo pampiniforme alrededor del cordón espermático, también está asociado con los elevados niveles seminales de ROS.

   El estrés psicológico es una causa de infertilidad masculina idiopática   y varios estudios han descrito una correlación entre estrés y alteración de los parámetros del semen. El estrés psicológico puede incrementar los niveles circulantes  de cortisol y noradrenalina. Estas hormonas tienen un impacto significativo en el incremento de los niveles intracelulares de ROS/especies reactivas de nitrógeno (RNS) que tienen efectos perjudiciales sobre las microestructuras celulares y la activación de los sistemas inmune e inflamatorio. El estrés psicológico inhibe las funciones reproductivas masculinas afectando directamente la acción de los glucocorticoides sobre las células de Leydig. Como resultado, disminuyen los niveles circulantes de testosterona a través de la supresión de la síntesis de andrógenos y la inducción de apoptosis de las células de Leydig. Las elevaciones de glucocorticoides inducida por el estrés pueden disminuir directamente los niveles de testosterona sin alterar los niveles de LH. Sin embargo, en caso de estrés crónico, se vuelve aparente una disminución en los niveles de LH y GnRH.    

   En hombres, los testículos están suspendidos en el escroto fuera del cuerpo para tener una temperatura 2 a 4 ºC más baja que la temperatura corporal. Esto es un requerimiento para la espermatogénesis normal. Sin embargo, el estrés de calor en los testículos disminuye la calidad del semen. El estrés de calor es responsable de aumentar la producción de ROS y disminuir la actividad de las enzimas antioxidantes, incrementando la actividad de la NADPH oxidasa y causando disrupción de la homeostasis mitocondrial. Varios estudios reportan que condiciones clínicas como criptorquidia, varicocele y enfermedades febriles agudas pueden incrementan la temperatura testicular y suprimir la espermatogénesis. La activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) y el consecuente incremento en las concentraciones plasmáticas de glucocorticoides son dos de las más importantes respuestas al estrés de calor. El estrés de calor testicular provoca una disminución en los niveles circulantes de testosterona y LH pero incrementa los niveles de cortisol, también provoca apoptosis de células de Leydig y reducción de la síntesis de testosterona. Más aún, el incremento de la temperatura testicular afecta adversamente la función de las células de Sertoli, la producción de la proteína ligadora de andrógenos, la espermatogénesis y los parámetros del semen. Entonces, el estrés de calor eleva la generación de ROS en el tracto reproductivo masculino afectando el metabolismo celular directamente y a través de los niveles de las hormonas del estrés.  El incremento en la producción de ROS resultante, a su vez, daña las células germinales  testiculares y otras células endocrinas para causar disrupción del balance hormonal y por consiguiente alterando la fertilidad masculina.   

   La exposición a contaminantes ambientales afecta adversamente el potencial reproductivo masculino. La infertilidad masculina causada por la exposición a contaminantes ambientales como  cadmio, mercurio, bisfenol A y dioxina es un problema mundial. Estos contaminantes deterioran los parámetros del semen, la integridad del ADN  a través de la disrupción de la función de las células de Leydig y Sertoli, la biosíntesis de hormonas, la expresión de genes y las modificaciones epigenéticas. Los contaminantes ambientales comúnmente actúan como “disruptores endocrinos químicos” (EDC) que interfieren con las funciones hormonales normales, aumentan el nivel circulante de cortisol por inducción de EO y reducen los niveles circulantes de testosterona. El incremento en los niveles de cortisol disminuye la secreción de gonadotropinas a través de la interacción entre los ejes HHG e HHA. Por lo tanto, La LH falla en estimular las células de Leydig, lo cual resulta en disminución de la producción de testosterona, mientras la disminución de FSH afecta la función normal de las células de Sertoli. Estos tóxicos también interfieren con las comunicaciones y adhesiones celulares entre célula de Sertoli-célula de Sertoli y célula de Sertoli-célula germinal a través de la ruta de señalización fosfatidlinositol-3 quinasa (PI3K)/cSrc/quinasa de adhesión focal (FAK), la cual provoca disfunción reproductiva y disrupción de la secreción hormonal.

   La exposición de larga duración a radiaciones electromagnéticas puede generar ROS en los órganos reproductivos, lo cual no solo disminuye la motilidad, viabilidad y morfología normal de los espermatozoides sino que también altera los perfiles de las hormonas reproductivas. Los teléfonos celulares, el modem de internet y otras radiaciones ambientales u ocupacionales aumentan la generación de ROS en los órganos reproductivos masculinos. Las radiaciones electromagnéticas afectan el eje HHA e incrementan la secreción de hormona adrenocorticotrópica (ACTH) por la hipófisis anterior y por consiguiente aumentan la producción de cortisol por las adrenales. Estas radiaciones también pueden disminuir la secreción de testosterona por las células de Leydig a través de la disrupción del eje hormonal reproductivo masculino. Las radiaciones electromagnéticas afectan significativamente los niveles circulantes de LH, peo no los de FSH y PRL. Por otra parte, las ondas electromagnéticas afectan directamente la glándula pineal, deteriorando el efecto biológico de la melatonina sobre el pulso de GnRH en el hipotálamo, lo cual influye en la secreción de LH y FSH y afecta negativamente la síntesis de testosterona en el testículo.

   El ejercicio esporádico y exhaustivo, contrario al ejercicio regular que aumenta las defensas antioxidantes, puede provocar la generación de excesivas ROS. Aunque los mecanismos redox exactos se mantienen elusivos, se ha visto que las mitocondrias, la NADPH oxidasa y la xantina oxidasa son las mayores fuentes endógenas de ROS en el músculo esquelético. Algunos estudios demuestran que la actividad física moderada puede incrementar los niveles de LH, FSH y testosterona, lo cual está asociado con el incremento de energía y fuerza en el músculo. A pesar del impacto del ejercicio moderado, los datos sugieren que el ejercicio vigoroso puede disminuir los niveles de LH, FSH y testosterona así como los parámetros del semen.

   La obesidad es un desorden de salud complejo que afecta severamente el balance hormonal.  La obesidad causa disrupción de los niveles circulantes de leptina, grelina, adiponectina, orexinas, obestatina y otras hormonas metabólicas. En este contexto, la generación de ROS inducida por leptina en células endoteliales humanas resulta del aumento de la oxidación de ácidos grasos mitocondrial. La leptina podría aumentar la activación del eje HHG y por consiguiente incrementar la liberación de GnRH, FSH y LH. Más aún, la leptina puede afectar directamente las gónadas directamente debido a la expresión de su receptor en el tejido gonadal.  El aumento en los niveles de ROS parece causar un  incremento en los niveles de grelina, lo cual puede, a su vez, resultar en obesidad y mayor producción de ROS.  Los niveles circulantes de adiponectina se correlacionan negativamente con la producción de testosterona y ROS. Las orexinas (hipocretinas) estimulan la producción de testosterona porque estimulan la actividad de las enzimas esteroidogénicas en las células de Leydig y también atenúan el daño celular inducido por ROS. 

   Hay una relación inversa entre la ingesta de alimentos ricos en antioxidantes  y la incidencia de enfermedades. Muchos compuestos antioxidantes de las plantas han sido identificados como radicales libres o atrapadores de oxígeno. Los estudios demuestran que los hombres que consumen dietas ricas en pescado, frutas, vegetales, legumbres, granos y ácidos grasos omega-3 y omega-6 tienen mejores parámetros del semen en comparación con los hombres que consumen  grasas, cafeína (>800 mg/día), carne roja, carne procesada, pizza, bebidas azucaradas y dulces en su dieta. Es bien conocido que las dietas ricas en grasas y proteínas provocan un  incremento en  la generación de ROS y por consiguiente EO. Esto a su vez impacta negativamente en la calidad del semen a través de la alteración de los niveles de hormonas. Las terapias antioxidantes pueden tener un impacto beneficioso sobre los parámetros  del semen, probablemente protegiendo al semen de las ROS, reduciendo el EO y mejorando los parámetros básicos de la esperma. Esta mejoría puede ser establecida por la estimulación de la síntesis de testosterona y la secreción de FSH y LH.

   El consumo de alcohol promueve la generación de ROS a través de su ruta metabólica en el hígado estimulando la actividad de enzimas citocromo p450, alteración de los niveles de ciertos metales (particularmente hierro libre o cobre) en el cuerpo y reducción de los niveles de antioxidantes. Debido a la contribución crítica del hierro y el cobre en la producción de OH*, el incremento de los niveles de estos metales promueve la generación de ROS y EO. Las evidencias en animales y humanos demuestran que el alcohol está asociado con altos niveles de estradiol, el cual aumenta la liberación de beta-endorfina que está relacionada con los efectos del consumo de alcohol. El consumo crónico de alcohol reduce los niveles de testosterona, LH y FSH. Entre las células  testiculares, las células de Sertoli son las más afectadas por el consumo crónico de alcohol. Dado que las células de Sertoli contribuyen al tamaño testicular, el consumo crónico de alcohol eventualmente causa atrofia testicular, degeneración de células  germinales, disminución del tamaño de la luz de los túbulos seminíferos, abundancia de vacuolas de lípidos,  dilatación de vasos sanguíneos y apoptosis de células de Sertoli.

   La administración de opioides está asociada con producción de ROS, disrupción de la espermatogénesis y reducción del rendimiento sexual. La producción de Ros provoca inflamación y daño del ADN. Los opioides endógenos y exógenos inhiben la secreción de GnRH debido a la disrupción de las funciones del eje HHG. Por tanto, los niveles de testosterona son subnormales en los consumidores de opioides. La pérdida de integridad del eje HHG puede provocar hipogonadismo clínico. Por otra parte, el tabaquismo es una causa bien conocida de subfertilidad/infertilidad masculina. Un mecanismo mayor para este efecto es la producción de ROS por interferencia con el manejo de oxígeno por el testículo, lo cual compromete los requerimientos metabólicos de la espermatogénesis. El tabaquismo puede aumentar el EO directamente a través de la producción de radicales de oxígeno en el humo del cigarro e indirectamente a través del debilitamiento de las defensas antioxidantes. Los estudios indican que la exposición al humo del cigarro puede cambiar los niveles plasmáticos de testosterona, LH y FSH así como también alterar la calidad del semen.

   En hombres viejos, las células de Leydig son dañadas oxidativamente debido a la excesiva generación de ROS y a la disminución de la concentración y actividad de las enzimas antioxidantes. La sobre producción de ROS está asociada con infertilidad masculina porque reduce la actividad de varias enzimas de la biosíntesis de testosterona.  Por otra parte, las infecciones del tracto reproductivo masculino son una causa importante de disrupción de la función reproductiva e infertilidad. Estas infecciones pueden incrementar los niveles de ROS en el tracto genital masculino que afectan la próstata, la vesícula seminal y el epidídimo. Las infecciones del tracto reproductivo indirectamente causan degeneración de células germinales y disrupción de la espermatogénesis.

   El EO puede causar peroxidación de lípidos en las células de Leydig y células germinales, daño a las lipoproteínas, agregación y fragmentación de proteínas e inhibición de las enzimas de la esteroidogénesis. El EO causa una reducción en la producción de testosterona como resultado del daño a las células de Leydig u otras estructuras endocrinas como la hipófisis anterior. El EO está asociado con un incremento en el número de espermatozoides inmaduros a través de un efecto indirecto sobre la producción de hormonas relacionadas con la espermatogénesis. Durante el EO, el E2 y la inhibina testiculares son producidos intensamente. La exposición a las ROS incrementa la actividad de la enzima aromatasa, lo cual resulta en más producción de E2.

   En conclusión, los reguladores hormonales de las funciones reproductivas masculinas pueden ser afectados por la disrupción del balance entre la producción de ROS y el mecanismo de defensa antioxidante en el sistema reproductivo masculino. La generación descontrolada de ROS puede dañar directamente los tejidos reproductivos o puede interferir con los mecanismos reguladores del eje HHG y sus interacciones con otros ejes endocrinos, para afectar adversamente la función reproductiva masculina y por consiguiente inducir infertilidad masculina. 

Fuente: Darbandi M et al (2018). Reactive oxygen species and male reproductive hormones. Reproductive Biology and Endocrinology 16:87.