Restricción calórica y reproducción femenina

La restricción calórica (RC) es una intervención dietética que restringe la ingesta de energía e induce subnutrición sin mal nutrición. La RC también es llamada restricción/deficiencia de energía, restricción de alimento, restricción dietética y balance energético negativo. En los años de la década 1930, McCay y colaboradores  descubrieron que la RC prolongaba la vida de las ratas que fueron sometidas a restricción en la ingesta de alimentos en el destete o dos semanas después del destete. Actualmente, se considera que  RC prolonga la duración del tiempo de vida y retarda las alteraciones perjudiciales relacionadas con la edad en diversas especies, desde levaduras hasta mamíferos.

   Una hipótesis reciente explica el efecto extensor de la longevidad de la RC con base en una teoría del envejecimiento que indica que los recursos energéticos son desviados de la reproducción al mantenimiento somático. La RC inhibe las funciones reproductivas en invertebrados y vertebrados de ambos sexos, y este efecto es significativamente mayor en modelos animales de laboratorio. Está demostrado que los factores reproductivos con más gasto de energía sufren mayores reducciones. En la mayoría de experimentos, las hembras están expuestas a más costos reproductivos que los machos en condiciones de RC, pero tienen una prolongación más significativa en el tiempo de vida que los machos. Es bien conocido que la RC altera la reproducción femenina, pero también puede beneficiarla. Un estudio reciente reporta que la RC que se inicia en la adultez mantiene las actividades del eje reproductivo en ratones hembras. 

   En todos los mamíferos examinados, las dos poblaciones principales de neuronas kisspeptina (Kiss1) están localizadas en el núcleo arqueado (ARC) y el área preóptica rostral (APO) del hipotálamo. Las neuronas Kiss1 del ARC (Kiss1^ARC) también son referidas como neuronas KNDy porque co-expresan el autoregulador positivo neuroquinina B (NKB) y el autoregulador negativo dinorfina (DYN). Las neuronas Kiss1 inervan positivamente a las neuronas GnRH en el ARC y la APO a través del receptor Kiss1 (Kiss1r). Una diferencia en las neuronas Kiss1 de  roedores y humanos es que la población rostral en roedores está localizada colectivamente en el área rostral periventricular del tercer ventrículo (RP3V), la cual consiste en el núcleo anteroventral periventricular (AVPV) y el núcleo periventricular (PeN). Las neuronas Kiss1 del APO en humanos residen más dispersamente.  Otra diferencia es que en roedores, las neuronas Kiss1^ARC  están implicadas en la retroalimentación negativa de los estrógenos mientras las neuronas Kiss1^AVPV están implicadas en la retroalimentación positiva. Por el contrario, en humanos, tanto la retroalimentación negativa como la retroalimentación  positiva son mediadas por las neuronas Kiss1^ARC.

   Algunas neuronas metabotrópicas del hipotálamo son  capaces de regular el eje hipotálamo-hipófisis-ovario (HHO). En el hipotálamo de ratas hembras adultas, las neuronas hormona liberadora de corticotropina (CRH) inhiben directamente a las neuronas Kiss1^ARC y Kiss1^AVPV a través de receptores CRH. Las neuronas orexigénicas neuropéptido Y (NPY)/péptido relacionado con el agouti (AgRP) en el ARC son negativas para el eje HHO. En ratones, las neuronas AgRP inhiben a las neuronas Kiss1^ARC y Kiss1^AVPV, pero no transmiten ningún  neurotransmisor o neuropéptido a las neuronas GnRH. Aunque las neuronas GnRH de roedores hembras expresan receptores NPY Y4 estimuladores y receptores Y1 inhibidores, los mayores efectos del NPY sobre las neuronas GnRH son mediados por los receptores Y1. Las neuronas GnRH de ratas adultas también expresan receptores Y5 inhibidores. Las neuronas anorexigénicas, proopiomelanocortina (POMC)/transcripto regulado por cocaína y anfetamina (CART) del ARC son positivas para el eje HHO. En ratones hembras, el efecto excitador de las neuronas POMC sobre las neuronas GnRH es mediado predominantemente por un péptido derivado de la POMC, la hormona estimulante de melanocitos-α (MSHα), la cual excita a las neuronas GnRH a través de receptores melanocortina 3 (MC3R) y 4 (MC4R). Sin embargo, la MSHα inhibe a las neuronas CRH vía MC4R. Los experimentos en ratones hembras demuestran que el péptido AgRP, el cual es un antagonista de receptores melanocortina,  atenúa la activación mediada por MC4R de las neuronas GnRH. Por otra parte, en ratones hembras, las neuronas POMC inervan negativamente a las neuronas NPY/AgRP y esta inervación es aumentada por el estradiol (E2). El péptido CART despolariza postsinápticamente las neuronas Kiss1^ARC y GnRH en ratas hembras. Entonces, en condiciones de estatus energético normal, las neuronas CRH y NPY/AgRP inhiben el eje HHO mientras las neuronas POMC/CART activan el eje HHO.

   La leptina es un factor anorexigénico derivado de los adipocitos. El efecto estimulador de la leptina sobre el eje HHO es dominante en el hipotálamo. La leptina activa directamente neuronas Kiss1^ARC en ratones y otras especies. La deficiencia de leptina en ratones disminuye el nivel de mARN Kiss1 en el ARC y la cantidad de Kiss1^AVPV. Aunque las neuronas GnRH no expresan receptores de leptina (LepR) en roedores, la leptina puede estimularlas indirectamente a través de las neuronas del núcleo premamilar (NPM) del hipotálamo. Generalmente, las neuronas POMC/CART del ARC expresan LepR facilitadores mientras las neuronas NPY/AgRP del ARC expresan LepR inhibidores.  La leptina también puede ejercer efectos estimuladores sobre las neuronas GnRH vía CART en ratas hembras adultas. Sin embargo, la mayor parte de estudios en modelos de roedores indica que la señal de los receptores NPY-Y1/Y5 y la señal mediada por MC3R/MC4R son independientes de leptina.

   La ghrelina es un péptido circulante derivado del estómago que antagoniza funcionalmente con la leptina. La ghrelina predominantemente inhibe el eje HHO a través de tres vías: (i) La ghrelina inhibe directamente a las neuronas Kiss1^AVPV y GnRH en ratas hembras. (ii) La ghrelina promueve la liberación de CRH en monas Rhesus que indirectamente pueden reprimir a las neuronas GnRH. (iii) La ghrelina estimula neuronas NPY y concomitantemente inhibe neuronas POMC en roedores. Aunque la ghrelina primariamente suprime la secreción de gonadotropinas en animales hembras y mujeres, beneficia la secreción basal de hormona luteinizante (LH) y hormona estimulante del folículo (FSH) en ratas hembras. En placenta de ratón, la ghrelina modula negativamente el desarrollo embrionario temprano.

   La insulina es una hormona anorexigénica que activa el eje HHO. Aunque los estudios in vitro en ratones reportan que la insulina puede modular directamente neuronas GnRH, los estudios in vivo de ratones adultos proporcionan una evidencia opuesta. La insulina activa neuronas Kiss1^ARC  en ratones a través de receptores de insulina. En animales de laboratorio, la insulina también excita neuronas POMC y suprime neuronas NPY/AgRP en el ARC. Adicionalmente, en ratones, la insulina estimula directamente las células gonadotropas de la hipófisis para aumentar la expresión de mARN LH.

   El factor de crecimiento similar a insulina-1 (IGF-1) es capaz de activar el eje HHO. (1) La infusión intracerebroventricular o la inyección periférica de IGF-1 en roedores hembras prepuberales puede activar directamente las neuronas Kiss1^AVPV y GnRH, provocando pubertad precoz. (2) Los experimentos en ratas hembras demuestra que bajos niveles circulantes de IGF-1 causados por RC inhiben las células gonadotropas de la hipófisis y reprimen la secreción de LH, FSH y, por tanto,  de estrógenos en el ovario. (3) La señal IGF-1 en ovinos induce la activación de folículos primordiales. Adicionalmente, en ovario de mamíferos, el IGF-1 estimula la esteroidogénesis, solo o en sinergia con las gonadotropinas.

   El balance energético negativo en mamíferos hembras inhibe el eje HHO suprimiendo la secreción pulsátil de GnRH en el hipotálamo y atenuando la liberación pulsátil de LH por la hipófisis, lo cual resulta en infertilidad. Los experimentos en roedores hembras adultas indican que la extensión de esta inhibición es diferente entre el ayuno agudo y la RC crónica. El primero inhibe marginalmente al eje HHO porque cambia la expresión de genes relacionadas con KNDy, pero suprime la expresión de Kiss1R en las neuronas GnRH. La RC crónica inhibe totalmente el eje HHO porque no solamente disminuye la expresión de Kiss1^ARC, NKB, Kiss1^AVPV y Kiss1R sino que también incrementa la expresión de DYN. En condiciones de RC, los diversos cambios en los reguladores centrales y periféricos contribuyen a la inhibición del eje HHO. La RC activa neuronas NPY/AgRP y disminuye la expresión de neuronas POMC/ CART en el ARC, lo cual resulta en inhibición del eje HHO. En animales de laboratorio (principalmente roedores), la CR activa neuronas CRH por dos vías. Una es que los ependimocitos en el cuarto ventrículo detectan los altos niveles de cuerpos cetónicos inducidos por la RC y la baja disponibilidad de glucosa y ácidos grasos. Los ependimocitos envían la información de deficiencia de energía a las neuronas nordrenérgicas A2 en el núcleo del trato solitario (NTS). La otra ruta es que las señales del ayuno del tracto digestivo superior estimulan las neuronas A2 del NTS a través del nervio vago. Estas dos rutas convergen en las neuronas CRH que reciben el impulso estimulador de las neuronas A2 del NTS y liberan altos niveles de CRH que inhiben a las neuronas Kiss1^ARC. Los ependimocitos también pueden estimular a las neuronas nordrenérgicas A6 en el NTS y activar neuronas CRH. Estas neuronas CRH inhiben neuronas Kiss1^AVPV.

   Las alteraciones de hormonas periféricas también inhiben el eje HHO en condiciones de RC. En mamíferos (principalmente roedores), la RC disminuye los niveles plasmáticos de leptina, insulina e IGF-1. Estos cambios hormonales reprimen la liberación pulsátil de LH, contribuyendo al efecto inhibidor de la RC sobre el eje HHO. Sin embargo, en ratas hembras adultas, la hipoleptinemia no es la señal crucial que provoca inhibición de neuronas Kiss1^ARC y la liberación de LH durante la RC. Aunque la ghrelina plasmática disminuye durante el ayuno, aumenta en la RC crónica. El incremento de ghrelina durante el ayuno suprime la liberación pulsátil de LH. Adicionalmente, la CR disminuye los niveles plasmáticos de E2 en roedores y rumiantes, lo cual es consistente con la inhibición del eje HHO. La RC aumenta la retroalimentación negativa (ratones) y atenúa la retroalimentación positiva (monas Rhesus) del E2 sobre el eje HHO. El E2, como factor anorexigénico, es capaz de inhibir las neuronas NPY/AgRP y activar neuronas POMC en el ARC. Por tanto, el bajo nivel de E2 causado por la RC también contribuye a la inhibición del eje HHO. La RC crónica en roedores hembras adultas, reduce los niveles plasmáticos de LH en presencia de estrógenos, pero los aumenta en ausencia de estrógenos, sugiriendo que la existencia de estrógenos es necesaria en el efecto de la RC sobre el eje HHO.

   La pubertad se inicia con la reactivación del pulso generador de GnRH. Experimentos recientes han descubierto que la pubertad en mamíferos hembras es retrasada por la RC y se restaura una vez que se regresa  al régimen de alimentación ad-libitum. La reducida expresión de neuronas Kiss1 en el hipotálamo durante el período prepuberal puede ser el mecanismo clave de la RC para retrasar el inicio de la pubertad. Los experimentos en roedores hembras inmaduros encontraron que la señal AMPK-kisspeptina regula el inicio de la pubertad. La AMPK hipotalámica es activada (fosforilada) por la RC y esto retrasa el inicio de la pubertad. Más específicamente, la RC incrementa el nivel de pAMPK en las neuronas Kiss1^ARC y por tanto suprime la expresión del gen Kiss1 en el ARC. Sin embargo, el efecto de la pAMPK hipotalámica sobre las neuronas Kiss1^AVPV aún no se conoce. Adicionalmente, los experimentos en ratas hembras descubrieron que la RC difiere la maduración puberal atenuando la señal del receptor de neuroquinina-3 (NK3R) que es un auto-regulador positivo de neuronas Kiss1^ARC. Por otra parte, los estudios en roedores y humanos demostraron que la leptina es un factor permisivo del inicio de la pubertad y el efecto inhibidor de la RC sobre el inicio de la pubertad es mediado por la supresión de la señal leptina/LepR-kispeptina/Kiss1R-GnRH en ratas hembras. La ruta leptina-αMSH-kisspeptina-GnRH en ratas y ratones es también un posible mecanismo de retardo  puberal causado por la RC. Un alto nivel plasmático de ghrelina también puede retardar el inicio de la pubertad, pero las ratas hembras son menos sensibles al efecto de la ghrelina que las ratas machos. El descubrimiento que la producción de AMPK hipotalámica es reprimida por señales anorexigénicas (Por ejemplo, leptina, insulina, E2) mientras es inducida por señales orexigénicas (por ejemplo, ghrelina), puede ser también un mecanismo para el retraso de la pubertad por la RC.

   Los estudios en roedores hembras con RC de inicio en la etapa adulta descubrieron que la CR retarda el envejecimiento ovárico a través del mantenimiento de la reserva de folículos que contienen oocitos y la buena calidad de los óvulos. Aunque la RC reduce la fertilidad, los roedores retienen la capacidad reproductiva y prolongan la vida reproductiva. Por tanto, cuando los roedores con RC regresan a la alimentación ad-libitum, su rendimiento reproductivo (fertilidad, fecundidad y tasa de supervivencia postnatal de las crías) es mayor. El mantenimiento del pool de folículos puede reducir la fertilidad y prevenir la insuficiencia ovárica prematura. En comparación con el grupo control alimentado ad-libitum, la RC en roedores hembras adultos incrementa significativamente el número de folículos primordiales (FPM). Este hallazgo indica que la RC reduce la tasa de activación de FPM y, por tanto, inhibe la transición de FPM a folículo primario. Por otra parte, el número de folículos secundarios, folículos antrales y el cuerpo lúteo disminuyen dramáticamente en los roedores con RC. Esta observación sugiere que la RC suprime el desarrollo del folículo ovárico en diferentes estadios, la maduración del folículo y la ovulación. La RC inhibe la atresia folicular y los ratones y ratas hembras con RC tienen una cantidad significativamente baja de folículos atrésicos. Aunque en los ratones con RC se observa una baja fertilidad, la capacidad de fertilidad está aumentada.

   La RC aumenta la expresión de los genes SIRT1, FOXO3a, NRF1 y SIRT6 en ovario de roedores. Más específicamente, SIRT1, FOXO3a y SIRT6 son expresados predominantemente en los oocitos y también en las células granulosas. Debido a que el complejo SIRT1, FOXO3a, NRF1 se forma en el promotor del gen SIRT6, pueden regular al alza la expresión de SIRT6. La activación de la señal SIRT1, FOXO3a, NRF1, SIRT6 es una de las rutas por las cuales  la RC puede inhibir la transición de FPM a folículos primarios. La regulación al alza de SIRT1 por la RC es importante porque también puede regular a la baja la expresión de los genes p53 y mTOR complejo 1 (mTORC1) en ovario de roedores. La proteína p53 es expresada en células granulosas apoptóticas de folículos atrésicos de rata y un nivel reducido de p53  disminuye la cantidad de células granulosas apoptóticas y folículos atrésicos en ovario de rata. La SIRT1 suprime la señal mTORC1-p70S6 quinasa (S6K1)-proteína ribosomal S6 (rpS6), preservando a los FPM en estado de quiescencia. La señal intra-oocito más crítica que controla la activación de FPM es PI3K-AKT y la siguiente represión de la fosforilación de FOXO3a. La proteína FOXO3a no fosforilada se mantiene en el núcleo y con ello contribuye a que  los FPM estén en estado de quiescencia y por tanto mantiene el pool de folículos ováricos. La preservación del pool de FPM por la RC está asociado con un bajo nivel de IGF-1 en  ovario de rata. El IGF-1 activa FPM a través de la ruta PI3K-AKT en el ovario. Por tanto, la RC puede preservar el pool de FPM en ovario de rata inhibiendo la señal IGF-1-PI3K-AKT, la cual también puede regular al alza la expresión de mTORC1.

   El mantenimiento por la RC de la buena calidad del oocito tiene un efecto beneficioso sobre la maduración meiótica, la fertilización, el desarrollo embrionario pre-implantación y la calidad del embrión.  En ratones adultos, la RC regula al alza a la SIRT3 mitocondrial en el oocito, la cual protege al oocito de la síntesis mitocondrial  de especies reactivas de oxígeno (ROS). Por tanto, un alto nivel de SIRT3 atenúa el estrés oxidativo que afecta la calidad del oocito con la edad. Adicionalmente, la RC previene la ocurrencia de disfunción mitocondrial relacionada con la edad. En humanos, el alto tamaño del pool de FPM y la lenta tasa de depleción de oocito son determinantes esenciales del retardo en el inicio de la menopausia. Dado que la RC incrementa el número de FPM y suprime el desarrollo de folículos en roedores, puede tener un efecto similar en los folículos humanos. Por tanto, la RC puede retrasar el inicio de la menopausia y prolongar la vida reproductiva de humanos. Sin embargo, otros estudios reportan que la RC adelanta la edad de la menopausia natural en mujeres sobre todo si la RC ocurre en la vida temprana.

   La RC retarda la ovulación en ratones hembras, monas Rhesus, búfala heifer y mujeres. Hay dos posibles mecanismos de la inhibición de la ovulación por RC. Uno es que en las mujeres, la RC reduce la secreción de FSH por debajo del nivel basal. La deficiencia de FSH no puede estimular el crecimiento de folículos secundarios y por consiguiente la generación de folículos dominantes. Por tanto, la producción de E2 es muy baja para disparar un pulso de LH. Adicionalmente, el bajo nivel intra-ovárico de IFG-1 causado por la RC impide la síntesis de E2, inhibiendo la generación de pulsos de LH. El otro mecanismo es que la RC inhibe los pulsos de gonadotropinas porque altera la respuesta hipotalámica a la retroalimentación positiva del E2.

   La RC reduce el nivel plasmático  de E2 porque inhibe la síntesis de E2 en el ovario. Un posible mecanismo es que la RC reduce la producción de E2 en el folículo dominante. Otro posible mecanismo está relacionado con la señal IGF1/IGF1R intra-ovario. El IGF-1 incrementa la síntesis de E2 y también puede activar a la aromatasa inducida por FSH que cataliza la síntesis de E2 en roedores y humanos. La RC suprime la señal IGF-1/IGF-1R. Menos conocido es el efecto de la RC sobre la síntesis de progesterona (P4). Una hipótesis señala que la RC inhibe la producción de P4 porque las mujeres con RC tienen menos cuerpo lúteo donde la mayor parte de P4 es sintetizada. Adicionalmente, un bajo nivel de IGF-1 puede disminuir la síntesis de P4 porque el IGF-1 promueve la producción de P4.

   Hay pocos experimentos sobre el efecto de la RC en el útero. Básicamente, la reducción de los niveles plasmáticos de E2 y P4 causada por la RC altera el desarrollo y función del endometrio. La razón es que antes de la ovulación  el E2 estimula la rápida proliferación del estroma endometrial y las células epiteliales. El E2 también promueve el crecimiento y la vascularización de las glándulas endometriales. Después de la ovulación, P4 produce un endometrio altamente secretor y la decidualización de las células del estroma para preparar un ambiente apropiado para la implantación del embrión. En las mujeres en edad reproductiva, la RC está relacionada con irregularidades menstruales y este deterioro es más serio si la RC se inicia tempranamente.

   En mamíferos, la RC durante el embarazo provoca baja nutrición materna, la cual resulta en restricción del crecimiento intrauterino a través de la reducción de la disponibilidad de nutrientes para el feto, alterando el ambiente hormonal a que está expuesto el feto y causando cambios epigenéticos en el genoma fetal. Estos cambios no solo dañan la salud del feto, también incrementan la susceptibilidad a enfermedades crónicas en la vida postnatal. Este efecto perjudicial es más obvio en la gestación temprana, el período más vulnerable del embarazo.

   Aproximadamente 5-10% de las mujeres en edad reproductiva tienen síndrome de ovarios poliquísticos (PCOS). La RC ejerce un efecto beneficioso en pacientes obesas con PCOS. En mujeres adultas jóvenes obesas con PCOS, la pérdida de peso inducida por la RC mejora la sobre producción de andrógenos, restaura los ciclos ovulatorios, mejora la función menstrual y atenúa la resistencia a la insulina. Otro efecto beneficioso de la RC en mujeres es sobre el cáncer de mama, la RC disminuye la susceptibilidad al cáncer de mama. Por el contrario, la excesiva ingesta calórica incrementa el riesgo de desarrollar cáncer de mama. Los investigadores proponen que la combinación de moderada RC y ejercicio físico es una estrategia prospectiva para prevenir el cáncer de mama.

   En conclusión, la RC afecta significativamente la reproducción femenina vía mediadores hipotalámicos (CRY, NPY, AgRP) y periféricos (leptina, ghrelina, insulina, IGF-1), los cuales pueden regular la homeostasis energética. Aunque la CR reduce la fertilidad en mamíferos hembras, ejerce efectos positivos como preservación de la capacidad reproductiva. Hay tres diferencias entre roedores y humanos. (1) La CR en roedores incrementa la capacidad reproductiva y prolonga la vida fértil. Por el contrario, la CR adelanta el inicio de la menopausia en mujeres. (2) La alteración placentaria es reversible en ratones mientras es irreversible en mujeres cuando la RC tiene lugar en el embarazo. (3) La RC prenatal acorta la vida reproductiva e incrementa la fertilidad en las crías de ratas hembras, pero no afecta las actividades reproductivas en las crías humanas. Como efectos beneficiosos de la RC en mujeres se mencionan el mejoramiento de la condición perjudicial del PCOS acoplado con obesidad y la disminución de la morbilidad de cáncer de mama.

Fuente: Sun J et al (2021). Caloric restriction in female reproduction: is it beneficial or detrimental? Reproductive Biology and Endocrinology  19:1.