Estrés oxidativo y reproducción femenina

El oxígeno es un elemento necesario de la vida aeróbica, y el metabolismo oxidativo representa una fuente principal de energía. Las células tienen un sistema de defensa contra especies reactivas de oxígeno (ROS) bajo condiciones aeróbicas, y en individuos sanos, hay un balance apropiado entre pro-oxidantes y antioxidantes. El estrés oxidativo (EO) ocurre con la generación de excesivas ROS o cuando los mecanismos de defensa antioxidantes son debilitados.  Las ROS biológicamente más importantes  son el anión superóxido (O₂^-_*), el peróxido de hidrógeno (H₂O₂), el radical hidroxilo (_*OH), el peroxilo (ROO_*), el alkoxilo (RO_*) y el  hidroperoxilo (HO_2*). Los radicales libres  son inestables y altamente reactivos, pero se vuelven estables al adquirir electrones de los lípidos, ácidos nucleicos, proteínas, carbohidratos o moléculas cercanas, causando una cadena de reacciones que resulta en daño celular y enfermedad. El EO  puede causar daño del ADN, peroxidación de lípidos y daño de proteínas. En condiciones normales,  hay dos tipos de anti-oxidantes en el cuerpo: antioxidantes enzimáticos y antioxidantes no enzimáticos. Los antioxidantes enzimáticos incluyen a la superóxido dismutasa (SOD), la glutatión peroxidasa (GPx), la catalasa (CAT) y la glutatión reductasa (GSR), las cuales pueden causar la reducción de H₂O₂ a agua y alcohol. Los antioxidantes no enzimáticos son conocidos como antioxidantes sintéticos o suplementos dietéticos, incluyendo vitamina C, vitamina E, β-carotenos, selenio, zinc, taurina y glutatión.

   Las ROS son una espada de doble filo, no solo juegan roles importantes como mensajeros secundarios en muchas cascadas de señalización intracelular,  también ejercen efectos  indispensables en procesos patológicos que involucran la generación de ROS. La mayoría de ROS es producida cuando los electrones escapan de la cadena mitocondrial respiratoria. Más de 2% del oxígeno consumido puede ser dirigido a la formación de ROS por las mitocondrias, especialmente en los complejos I y III. El anión superóxido es formado por la adición de un electrón al dioxigeno, pero es inestable en soluciones acuosas debido a que es capaz de reaccionar espontáneamente consigo mismo produciendo peróxido de hidrogeno (H₂O₂) y oxigeno molecular.   El O₂^-  puede reducir Fe³⁺ a Fe²⁺ y transformarse en O₂. El H₂O₂ no es un radical libre, pero es muy peligroso para la célula porque es capaz de cruzar las membranas biológicas y convertirse en el radical hidroxilo (_*OH) que es altamente reactivo. La principal fuente de radicales _*OH es la reacción Haver-Weiss  (O₂^- + H₂O₂  → O₂ + OH^- + _*OH) seguida por la reacción tipo Fenton (Fe²⁺ + H₂O₂ →Fe³⁺ + OH^- + _*OH).

   Es conocido que SOD, CAT, GPx y GSR pertenecen al mecanismo primario de defensa contra las ROS. La SOD cataliza la dismutación de O₂^-_* para producir H₂O₂ y O₂  en una tasa 10⁴ veces mayor que la dismutación espontánea en el pH fisiológico. La CAT es la enzima que remueve H₂O₂ de la célula cuando se encuentra en altas concentraciones (2H₂O₂ → 2H₂O + O₂). La GPx es una enzima que requiere glutatión como un co-sustrato y cataliza la reducción de H₂O₂ e hidroxiperóxidos orgánicos libres (H₂O₂ + 2GSH → GSSG + H₂O) (ROOH + 2GSH → GSSG + ROH + H₂O). La GSR es una proteína citoplasmática  con una distribución tisular similar a la de GPx. La enzima reduce al glutatión oxidado, utilizando NADPH generada por varios sistemas (GSSG + NADPH + H⁺ → 2GSH + NADP⁺).

   El mecanismo de defensa secundario que protege contra las ROS  incluye a la enzima con actividad peroxidasa llamada fosfolípido hidroperoxidasa, la cual  es capaz de reducir lípidos hidroperóxidos sin la acción de la fosfolipasa A2. Adicionalmente, diferentes oxidoreductasas catalizan reacciones de reducción de tiol y otros grupos cuando estas moléculas son dañadas oxidativamente. Las enzimas nucleares para reparación de ADN son consideradas sistemas de defensa contra el daño oxidativo provocado por radicales libres. La vitamina  E, el mayor anti-oxidante soluble en lípidos presente en todas las membranas celulares, protege contra la peroxidación de lípidos. El radical tocoferil también puede ser reducido directamente por el acople redox ácido ascórbico-GSH. El β-caroteno actúa en bajas presiones de oxígeno y ejerce más eficientemente la acción de rescatar  radicales libres con la vitamina E. Por otra parte, la vitamina E protege los doble enlaces conjugados del β-caroteno de la oxidación.  

   El EO es descrito como un desbalance en la generación de ROS. Estas ROS son radicales libre de oxigeno producidos por la reducción de oxigeno molecular y generados por productos de la respiración y el metabolismo aeróbicos. Estas moléculas son capaces de activar y modular varias rutas de señalización incluyendo aquellas involucradas en el crecimiento, la diferenciación y el metabolismo de las células. Ellas también pueden inducir daño oxidativo celular interactuando con el ADN y macromoléculas intracelulares como proteínas y lípidos de membrana para provocar un mal funcionamiento celular que puede ser el inicio de procesos patológicos.

   El EO es considerado responsable del inicio o desarrollo de  patologías que afectan  procesos reproductivos femeninos como resorción embrionaria, perdida del embarazo recurrente, preeclampsia, restricción del crecimiento intrauterino y muerte fetal. El nivel normal de ROS juega un importante rol regulador a través de varias rutas de transducción de señal en la foliculogénesis, maduración del oocito y desarrollo feto-placentario. Sin embargo, algunas veces las ROS pueden ejercer efectos perjudiciales cuando son expresadas de manera muy abundante. Ellas tienen una estrecha relación con los eventos reproductivos, por lo tanto, el control de  la generación de ROS es un proceso importante. Las ROS son elementos centrales de la señalización celular, la expresión de genes, el mantenimiento de la homeostasis redox y las rutas de transducción de señal involucradas en la función, crecimiento, diferenciación y muerte de las células.

   El desarrollo de los folículos ováricos es un proceso continuo de cinco estadios en la hembra de los mamíferos. Durante estos estadios, el endometrio experimenta algunos cambios. En el ciclo estral de la rata, los estrógenos y la progesterona son secretados por el ovario y provocan cambios en el útero. Adicionalmente, la temperatura corporal basal también cambia, mientras el grosor del endometrio subyace a la correspondiente transformación. La combinación del espermatozoide con el ovulo comprende tres etapas: disolución de la corona radiada, disolución de la zona pelúcida y fertilización del ovulo y reacción cortical. El proceso ocurre en la región ampular de la trompa de Falopio. El embarazo comienza cuando se forma el ovulo fecundado. Estrógenos y progesterona aumentan durante el embarazo, mientras la gonadotropina coriónica humana (hCG) aumenta primero y luego disminuye. Por otra parte, la implantación del embrión es un proceso que incluye contacto, disolución, invasión, envoltura y reparación. El desarrollo del blastocito entre  la ovulación y la implantación después de la ovulación es común en muchas especies de mamíferos. 

   Las ROS afectan una variedad de funciones fisiológicas del ovario, incluyendo la producción de esteroides, la maduración del oocito, la formación del blastocisto, la luteolisis y el mantenimiento del cuerpo lúteo (CL) en el embarazo. El EO es un importante modulador de la fisiología de las células germinales y células del estroma en el ovario. Las concentraciones de ROS pueden jugar un rol mayor en la implantación y fertilización del ovulo. Por otra parte, la expresión de SOD ha sido demostrada en el ovario, la Cu-Zn SOD ha sido identificada en células granulosas de folículos en crecimiento y folículos de De Graff maduros, así como también la MnSOD, la cual  ha sido detectada en células luteales. Las ROS ejercen efectos positivos y negativos en los ovarios de mamíferos. En el ciclo ovárico,  diferentes marcadores de EO son afectados negativamente. Macrófagos, leucocitos y citoquinas presentes en el líquido folicular son fuentes de ROS. Las ROS están involucradas en el crecimiento folicular, en parte, a través de la regulación de la angiogénesis que es un proceso complejo promovido por los estrógenos, los cuales regulan algunos factores celulares como el factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF). Las ROS producidas a partir de la acción de la NADP(H) oxidasa tienen un rol significativo en la señal VEGF.

  La cantidad apropiada de ROS es requerida para la ovulación. Las ROS producidas por el folículo preovulatorio son consideradas inductores críticos de la ovulación. La privación de oxígeno estimula la angiogénesis folicular, la cual es importante para el crecimiento y desarrollo de los folículos ováricos. El desarrollo del folículo primordial a folículo antral es acompañado por un marcado incremento en la función metabólica de las células granulosas, especialmente un gran incremento en la actividad de la citocromo p450 con biosíntesis de esteroides.   Grandes cantidades de ROS son producidas durante el transporte de electrones, lo cual indica que la función de las  células granulosas está relacionada con el estado pro-oxidante en los folículos. Las ROS son inducidas en el folículo preovulatorio con oscilación de prostaglandinas, citoquinas, enzimas proteolíticas y esteroides, lo cual resulta en alteraciones del flujo sanguíneo y la eventual ruptura del folículo. Con excepción del folículo dominante, liberado para la fertilización, los otros folículos en crecimiento experimentan apoptosis, un proceso que es promovido por las ROS. En paralelo, la síntesis de estrógenos inducida por la hormona estimulante del folículo (FSH) y la regulación al alza de CAT y GSH en los folículos en crecimiento resisten el proceso de apoptosis para mantener el balance de la función ovárica.  Las ROS son generadas en el CL y están involucradas en la luteolisis. Por otra parte, ROS y antioxidantes están  relacionados con la síntesis de progesterona en el CL.

   La excesiva privación de oxígeno causa daño a los folículos. La Cu-Zn SOD aumenta en el CL durante las fases luteales temprana y media, pero disminuye durante fase de regresión del CL, lo cual podría explicar el incremento en la concentración de ROS durante la regresión y este cambio en la actividad  de la Cu-Zn SOD es similar al cambio de la concentración de progesterona. La fase luteal tardía se caracteriza por elevados niveles de lípidos peróxidos y una disminución del antioxidante SOD.  Otra posible explicación para la disminución de Cu-Zn SOD durante la fase de regresión es un incremento en prostaglandina F_2α (PGF_2α) o macrófagos; o una disminución del flujo sanguíneo del ovario. Las ROS estimulan la secreción de PGF2α a través de la activación del NFκB. La PGF_2α estimula la producción del anión superóxido por las células luteales y los leucocitos en el CL.  La reducción del flujo sanguíneo causa daño tisular por producción de ROS. Sin embargo, la concentración de Mn SOD aumenta en el CL durante la regresión, rescatando las ROS producidas en las mitocondrias por reacciones inflamatorias y citoquinas. Por lo tanto, la completa disrupción del CL provoca una significativa disminución de MnSOD en las células y muerte inminente. La disminución de los niveles estrógenos y progesterona provoca una disminución de la expresión de SOD  que genera el EO en el útero que resulta en el sangramiento  endometrial. Los niveles controlados de ROS, sin embargo, están asociados con actividad angiogénica en el endometrio y causan la regeneración en cada ciclo menstrual.  Las ROS también participan en la ovulación y la ruptura folicular. La generación de los dos procesos es el resultado de una cascada de cambios vasculares o de una cascada proteolítica. El entrecruzamiento de  entre ambas cascadas   es mediado por ROS, citoquinas y VEGF. Las células granulosas y las células luteales responden al H₂O₂  con eliminación de la acción de las gonadotropinas  e inhibición de la secreción de progesterona. El H₂O₂ disminuye la esteroidogénesis dependiente -y no dependiente- de cAMP. Por otra parte, las ROS atacan el carbono 8 de la guanina en el ADN para generar 8-hidroxi-deoxiguanosina (8-OHDG), la cual es un derivado oxidado de la deoxiguanosina y sus niveles son altos en los oocitos viejos. La 8-OHDG causa mutaciones de base en la replicación de ADN que resultan  en mutaciones de G a T y G:C a T:A. Por tanto, la 8-OHDG es un marcador de EO.

   El EO ha sido implicado en diferentes enfermedades de la mujer, incluyendo el síndrome de ovarios poliquísticos (PCOS), la anormalidad endocrina más común de la mujer en edad reproductiva. Es un desorden que caracteriza por hiperandrogenismo, disfunción ovulatoria y ovarios poliquísticos. Varios estudios reflejan la presencia de EO en las pacientes con PCOS. La disminución en el consumo de O₂ mitocondrial y en los niveles de GSH acompañada con el incremento en la producción de ROS, explican la disfunción mitocondrial en las pacientes con PCOS. La hiperglucemia genera incrementos en la producción de ROS por las células mononucleares, las cuales activan la liberación de factor de necrosis tumoral-α (TNF-α) y factor nuclear kappa B (NF-κB). El TNF-α es un conocido mediador de la resistencia a la insulina. El EO resultante crea un ambiente inflamatorio que incrementa la resistencia a la insulina causando una remodelación extracelular anormal en el ovario, la formación de múltiples quistes, anovulación crónica e infertilidad.  

   El embarazo en sí es un estado de EO debido a la actividad metabólica aumentada de las mitocondrias placentarias y el incremento en la producción de ROS por la mayor demanda metabólica del feto en crecimiento. Los aniones superóxido producidos por las mitocondrias placentaria parecen ser la principal fuente de ROS  que contribuye al EO en la placenta, apoyada por la producción mitocondrial de lípidos peróxidos y radicales libres que aumenta a medida que progresa la gestación.  Las concentraciones fisiológicas de glucocorticoides endógenos favorecen el desarrollo fetal, pero los niveles elevados de glucocorticoides en el útero (por estrés materno) afectan adversamente al feto con la “programación” de anormalidades que se manifiestan principalmente en el postparto. Por otra parte, el EO provoca disfunción de células endoteliales. En el útero, la disfunción de células endoteliales resulta en muchas enfermedades incluyendo preeclampsia y endometriosis. Hay muchas causas que inducen disfunción de células endoteliales. EL TNF-α, una citoquina plasmática, causa daño de células  endoteliales, pero el antioxidante Mn-SOD neutraliza los aniones superóxido generados por el TNF-α.

   EL NFκB es el punto nodal de rutas de señalización estimuladas por la inflamación y juega un rol significativo en la respuesta inmune, aunque también es un factor de transcripción redox sensible. La ruta NFκB es activada cuando ocurre estrés en el embrión, lo cual  incrementa una variedad de citoquinas pro-inflamatorias que resulta en la activación del proceso de apoptosis en la placenta. Por lo tanto, el NFκB controla la supervivencia celular a través del aumento de la transcripción de genes anti-apoptosis. En la mayoría de células, el NFκB es inactivo y se mantiene en el citoplasma unido a proteínas de la familia IκB. Cuando la ruta NFκB es activada, la proteína IκB es degradada y el complejo NFκB entra al núcleo para modular la expresión de genes.  

   En conclusión, el EO influye en los procesos reproductivos de la mujer. La excesiva producción de ROS provoca eventos de EO. Las ROS incluyendo el anión superóxido, el peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo causan daño en el ADN, per-oxidación de lípidos y daño en las proteínas. El sistema antioxidante (SOD, GPx, entre otros) es activado cuando ocurre leve EO. El desbalance entre pro-oxidantes y antioxidantes puede provocar enfermedades reproductivas femeninas causadas por el EO, incluyendo PCOS, endometriosis y preeclampsia, entre otras. Muchas rutas de señalización intracelular involucradas en la reproducción femenina son afectadas por el EO. Cuando los niveles de ROS exceden la capacidad de recuperación antioxidante, el sistema redox puede reparar moléculas oxidadas y dañadas usando NADPH como fuente natural de electrones. Entonces, un alto potencial redox es un prerrequisito para el mantenimiento del sistema reproductivo en estado sano.

Fuente: Lu J et al (2018). A novel and compact review on the role of  oxidative stress in female reproduction. Reproductive Biology and Endocrinology 16:80.