Alcohol y Endocrinología Conferencista: Catherine Rivier, Ph.D. Instituto Salk Laboratorios de la Fundación Clayton para Biología de Péptidos La Jolla, CA, EEUU Editor: Joanne Weinberg, Ph.D. Departamento de Anatomía, Facultad de Medicina Universidad de British Columbia Vancouver, CANADÁ Apoyado por: NIH Grants NIAAA 08924 y NIAAA 06420. 1
ENDOCRINOLOGÍA A Y EL PRINCIPIO DE HOMEOSTASIS Un aspecto esencial de los organismos mamíferos es que sus células se deben comunicar entre ellas. Lo realizan por medio de impulsos nerviosos y señales sanguíneas. La endocrinología se ocupa del estudio de estos mensajeros químicos transportados por la sangre (hormonas), y de las sustancias secretadas por células de glándulas endocrinas y tejidos, que regulan la actividad de otras células en el cuerpo. Rol de las hormonas: 1. Para que el cuerpo funcione adecuadamente, sus variadas partes y órganos se deben comunicar entre ellas para: Asegurar que se mantenga un medio interno constante (es decir, homeostasis). Permitir que el organismo responda adecuadamente a cualquier cambio en su medio interno o externo. La capacidad de tejidos especializados de funcionar en esta manera integrada es posible por dos mecanismos de control que están enlazados funcionalmente: 1. El sistema nervioso, que transmite señales electroquímicas como un tráfico en doble sentido entre el cerebro y los tejidos periféricos, o entre tejidos en circuitos reflejos. Se puede entender como un sistema alámbrico. 2. El sistema endocrino, que libera mediadores químicos llamados hormonas a la circulación y/o a los tejidos adyacentes. Se puede entender como un sistema inalámbrico. La endocrinología se ha definido como la rama de la ciencia biológica que se relaciona con las acciones de las hormonas y con los órganos en los que se forman las hormonas. ORGANIZACIÓN DE LA EXPOSICION Descripción general de los sistemas endocrinos: Cuáles son sus funciones? Influencia del alcohol en los sistemas endocrinos: mecanismos generales. Ejes hipotalámico-hipofisiario-suprarrenal (HHA) e hipotalámico-hipofisiario-gonadal (HHG). LA ENDOCRINOLOGÍA Y EL PRINCIPIO DE LA HOMEOSTASIS Un aspecto esencial de los organismos de los mamíferos es que sus células se deben comunicar entre sí. Esto lo realizan mediante impulsos nerviosos y señales transportadas en la sangre. La endocrinología se ocupa del estudio de estos mensajeros químicos transportados por la sangre (hormonas), y de las sustancias secretadas por células de glándulas endocrinas y tejidos, que regulan la actividad de otras células en el cuerpo. El papel de las hormonas: Para que el cuerpo funcione correctamente, sus distintas partes y órganos deben comunicarse entre sí para: 1. Asegurar que se mantenga un ambiente interno constante (es decir, homeostasis); 2. Permitir que el organismo responda debidamente ante cualquier cambio en su entorno interno o externo. La capacidad que tienen los tejidos especializados de funcionar de esta manera integrada es posible por la acción de dos mecanismos de control que están enlazados funcionalmente: 1. El sistema nervioso, que transmite señales electroquímicas, como tránsito de doble sentido, entre el cerebro y los tejidos periféricos, o entre los tejidos en circuitos reflejos. Se puede entender como sistema alámbrico. 2. El sistema endocrino, que libera mediadores químicos (hormonas) a la circulación o a los tejidos adyacentes. Se puede entender como sistema inalámbrico. La endocrinología se ha definido como la rama de la ciencia biológica que se relaciona con las acciones de las hormonas y con los órganos en los que se forman las hormonas. 2
GLÁNDULAS ENDOCRINAS Las glándulas endocrinas (glándulas sin conductos) son órganos especializados que fabrican hormonas y las secretan directamente al torrente sanguíneo. Esto contrasta con las glándulas exocrinas, como las salivales, que liberan sus productos en conductos que llegan al lumen de otros órganos (como el intestino). Principales glándulas endocrinas Pituitaria (hipófisis) Suprarrenal Tiroides Paratiroides Gónadas (testículos y ovarios) Pineal Páncreas Tracto gastrointestinal Hormonas ACTH, TSH, LH, FSH, GH, PRL corticoides tiroxina (T4), triyodotironina (T3) hormona paratiroídea testosterona, estrógeno, progesterona melanotonina insulina, glucagón, somatostatina, etc. gastrina, colecistokinina, motilina, etc. FUNCIÓN N DE LAS HORMONAS Reproducción Crecimiento y desarrollo Mantención del medio interno (contenido electrolítico de los fluidos corporales, presión arterial y frecuencia cardíaca, equilibrio ácido-base, temperatura, etc.) Producción, utilización y almacenamiento de energía NATURALEZA QUÍMICA DE LAS HORMONAS Derivadas de péptidos y aminoácidos - Glicoproteínas (TSH, LH, FSH) - Péptidos (ACTH) - Proteínas sin azúcar (insulina) Derivadas de aminoácidos únicos (catecolaminas, serotonina, histamina) LAS GLÁNDULAS ENDOCRINAS Las glándulas endocrinas (glándulas sin conductos) son órganos especializados que fabrican hormonas y las secretan directamente al torrente sanguíneo. Lo dicho contrasta con las glándulas exocrinas, como las glándulas salivales, que liberan sus productos en conductos que van hacia el lumen de otros órganos (como el intestino). Glándulas endocrinas principales Hormonas pituitaria (hipófisis) ACTH, TSH, LH, FSH, GH, PRL suprarrenales corticoides tiroides tiroxina (T4), triyodotironina (T3) paratiroides hormona paratiroídea gónadas (testículos y ovarios) testosterona, estrógeno, progesterona pineal melanotonina páncreas insulina, glucagón, somatostatina, etc. tracto gastrointestinal gastrina, colecistoquinina, motilina, etc. FUNCIÓN DE LAS HORMONAS Reproducción Crecimiento y desarrollo Mantención del medio interno (contenido electrolítico de los líquidos corporales, presión arterial y ritmo cardíaco, equilibrio ácido-base, temperatura, etc.) Producción, uso y almacenamiento de energía NATURALEZA QUÍMICA DE LAS HORMONAS (a) Péptidos y derivados de aminoácidos (b) Glicoproteínas (TSH, LH, FSH) (c) peptidos (ACTH (d) Proteínas sin azúcar (insulina) (e) Derivados de aminoácidos únicos: catecolaminas, serotonina, histamina 3
Lóbulo Parietal 3 ventrículo Lóbulo Frontal Cuerpo Calloso Tálamo Lóbulo Occipital Cerebelo Hipotálamo 4 ventrículo Pituitaria EL HIPOTÁLAMO La diapositiva 1 ilustra un corte sagital de cerebro humano. El hipotálamo es la base del diencéfalo y se ubica debajo del tálamo, como su nombre lo indica. Forma las paredes y la parte inferior del tercer ventrículo del cerebro. El hipotálamo endocrino está conectado con el resto del sistema nervioso central y a la vez recibe su influencia por medio de contactos sinápticos desde otros elementos neuronales. La información fluye desde otros centros cerebrales y se retransmite al hipotálamo por vías que liberan neurotransmisores, como catecolaminas, serotonina, etc. Así se codifica la información que viene de la periferia y se transmite al hipotálamo, lo que permite que esta estructura prepare las reacciones endocrinas correspondientes, dirigidas a reestablecer la homeostasis. EJE HIPOTALÁMICO-HIPOFISIARIO HORMONAS HIPOTALÁMICAS Función principal Factor liberador de corticotropina (CRF) Hormona liberadora de gonadotropina Hormona liberadora de la hormona del crecimiento Hormona inhibidora de la liberación de somatotropina (somatostatina) Hormona liberadora de TSH (TRH) ACTH LH FSH GH GH TSH HORMONAS DE LA HIPOFISIS ANTERIOR Adrenocorticotropina (ACTH) Gonadotropinas (LH, FSH) Prolactina Hormona del crecimiento (GH) Hormona tiroestimulante (TSH) Esteroidogénesis suprarrenal Esteroidogénesis gonadal Síntesis láctea (cuerpo lúteo) Control de procesos metabólicos Síntesis de hormona tiroídea 4
Hipotálamo 3V NPV Eminencia Media VP CRF corticotropos Pituitaria ACTH INFLUENCIA DEL ALCOHOL EN LOS SISTEMAS ENDOCRINOS: MECANISMOS GENERALES El alcohol podría actuar influyendo sobre lo siguiente: Síntesis, almacenamiento y liberación de hormonas Transporte hormonal: Moléculas solubles en agua: transporte en el plasma sin mecanismos específicos de transporte; Hormonas más insolubles: mecanismos de transporte (proteínas de transporte; como sólo las hormonas libres, no ligadas, entran en las células, estas proteínas actúan como reservorios). Regulación hormonal mediante mecanismos de retroalimentación. Mecanismos de acción hormonal: interacción con los receptores, efecto sobre segundos mensajeros. Diapositivas 2 y 3: EL EJE HIPOTALÁMICO-HIPOFISIARIO Las neuronas del hipotálamo que sintetizan CRF y vasopresina se encuentran en una zona denominada núcleo paraventricular (PVN). Estos cuerpos celulares envían axones a la eminencia media, donde se liberan péptidos desde las terminaciones nerviosas y son trasladados por los vasos del sistema portal. Cuando llegan a la hipófisis anterior, estos péptidos actúan sobre sus respectivos receptores y estimulan la secreción de ACTH. 5
Anatomía de la Glándula Pituitaria ARTERIA HIPOFISIARIA SUPERIOR HIPOTÁLAMO VENAS PORTA ACTH. 6
El eje Hipotálamo-Hipófisis-Suprarrenal CRF VP PITUITARIA ACTH suprarrenales esteroides suprarrenales Luego de su liberación a la circulación sistémica, la ACTH actúa sobre la corteza de las glándulas suprarrenales, las que fabrican y secretan los glucocorticoides (corticosterona en roedores, cortisol en seres humanos). Estos glucocorticoides ejercen una influencia clásica de retroalimentación negativa sobre la hipófisis, donde inhiben el efecto del CRF y VP, y sobre el PVN, donde inhiben la síntesis de CRF. Así, cuando un estímulo ha llevado a la liberación de CRF y ACTH, la producción de glucocorticoides terminará por poner fin a esta liberación, con lo que se asegura la mantención de la homeostasis. 7
tránsito intestinal ingesta y apetito CRF atención emocionalidad funciones inmunes actividad simpática Eje HHS funciones reproductivas IMPORTANCIA DEL CRF Y DE LOS GLUCOCORTICOIDES EN LA HOMEOSTASIS El CRF y los esteroides que produce la glándula suprarrenal (glucocorticoides) ejercen una plétora de efectos al interior del organismo. Los efectos más importantes se ilustran en las diapositivas 5 y 6. Estos efectos tan diversos destacan la importancia de entender cómo funciona el eje HHS, los efectos que ejercen en él diversos estímulos y los mecanismos mediante los cuales se ejercen dichos efectos. 8
presión arterial tono vascular protección contra reacciones normales de defensa supervivencia neuronal funciones inmunes suministro de carbohidratos corticoides ánimo función reproductiva feedback negativo con el eje HHS. 9
pg/acth/ml 1200 1000 800 vehículo EtOH 1 g/kg EtOH 3 g/kg 600 400 200 0 015 30 60 120 180 tiempo (min) EFECTO DEL ALCOHOL EN EL EJE HIPOTÁLAMO-HIPÓFISIS-SUPRARRENAL Estos estudios se realizaron con el fin de investigar el efecto del alcohol sobre la liberación de ACTH, y la relación entre la cantidad de alcohol que se inyecta y la reacción de esta hormona. También se realizaron para determinar las posibles diferencias entre el efecto de las inyecciones intraperitoneales (ip) y el de las intragástricas (ig). La diapositiva 7 ilustra la respuesta de ACTH en el tiempo, ante la inyección ip de dos dosis diferentes de alcohol, en ratas machos intactas. Esta respuesta fue dosis-dependiente, en el sentido de que la dosis más grande de alcohol indujo la mayor liberación de ACTH. La respuesta también fue tiempo-dependiente, en el sentido que la respuesta de ACTH fue más prolongada frente a la dosis mayor de alcohol. Cada punto representa la media + SEM de 5-6 animales. **, P < 0,01 versus el vehículo (última línea). 10
. Correlación Entre ACTH y alcohol plasmático 1000 ip 800 ig Alcohol (% p/v) pg/acth/ml 600 400 200 0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ip: r = 0,84 ig: r = 0,79 1 2 3 g EtOH/kg 0 0 1 2 3 g EtOH/kg La diapositiva ilustra la relación que hay entre la liberación de ACTH y los niveles de alcoholemia (BAL), luego de la inyección ip o ig de alcohol. Los datos de la ACTH representan la liberación hormonal acumulada en un lapso de 60 minutos. Los datos de BAL ilustran los valores máximos de cada dosis. Cada barra representa la media +/- SEM de 5-6 animales. *, P < 0,05 y **, P < 0,01 versus vehículo ( 0 alcohol). 11
NPV La diapositiva representa un cerebro de rata y el sitio donde se hizo el corte. Este corte se llama coronal e indica que se hizo a lo largo de una sección longitudinal que pasa por el cerebro, perpendicular al plano medio. El alcohol podría actuar a nivel de: - Aferentes del PVN - El propio PVN (síntesis y liberación de los secretagogos; respuesta a los neurotransmisores) - Eminencia media (liberación de secretagogos, efecto de neurotransmisores) - Hipófisis (receptores, segundos mensajeros, mecanismos moleculares intracelulares) - Glándulas suprarrenales (incluso episodios relacionados con la retroalimentación esteroidal) Hipotálamo: el alcohol estimula la síntesis de CRF. Estos experimentos se realizaron para investigar la reacción neuronal del PVN a la inyección ip de alcohol (3 g/kg). 12
La diapositiva ilustra imágenes de un corte coronal del PVN de rata. A la izquierda se ve un boceto de este núcleo y a la derecha, una sección del mismo núcleo teñida para mostrar las características anatómicas principales. El tercer ventrículo (3V) está en el centro, y el PVN se sitúa a cada lado, con forma de alas de mariposa. Se ilustran también varias zonas del PVN, incluso la porción parvocelular (pc), que contiene las neuronas productoras de CRF y de VP, con terminales en la eminencia media, y la porción magnocelular (mc), que contiene neuronas productoras de VP, pero no de CRF. 13
Vehículo Vehículo NPV EtOH EtOH CRF VP La diapositiva ilustra la capacidad que tiene el alcohol de estimular la síntesis de CRF y VP, según lo demuestran los aumentos de los niveles heteronucleares en ARN de CRF y de VP, en las neuronas del PVN. Las respuestas máximas de CRF y VP, que se ilustran aquí, se midieron 20 minutos y 5 minutos después de la administración de alcohol. Glándulas suprarrenales: Actualmente, no hay evidencia convincente de que el alcohol altere los receptores de ACTH o la liberación de la síntesis de corticoides mediante influencia directa sobre las suprarrenales. El papel del CRF y la VP en la modulación de la respuesta de ACTH al alcohol. Si el alcohol induce la liberación de CRF y VP, es razonable preguntar si estos péptidos modulan la respuesta de la ACTH al alcohol. Para probar esta hipótesis, se puede medir niveles plasmáticos de ACTH en ratas inyectadas con anticuerpos que inmunoneutralizan el CRF y la VP endógenos, o con antagonistas de sus receptores. 14
pg ACTH/ml 2000 vehicle vehículo 1750 CRF ab VP ab 1500 CRF + VP ab 1250 P<0.01 1000 750 500 250 0 vehículo vehicle 2.0 g EtOH/kg En la diapositiva se muestran grupos de ratas a las cuales se administró alcohol; se les inyectó previamente (-1 h) anticuerpos (ac) contra CRF o VP. Los estudios indican que el retiro de CRF endógeno redujo la respuesta de ACTH en > 85%, peroqueel retiro de la VP endógena produjo un efecto significativo, pero menos potente. El retiro de ambos péptidos suprimió totalmente la respuesta de ACTH. Se concluye, a partir de estos datos, que el CRF endógeno es un mediador central de la respuesta de ACTH al alcohol, pero que la VP la media sólo parcialmente. Cada barra representa la media +/-SEMde5-7animales.*,P<0,05y**,P<0,01 versus el vehículo correspondiente. 15
pg ACTH/ml 2000 1500 1000 vehículo vehículo/shocks EtOH/shocks 500 0 0 60 120 180 240 tiempo (min) Efecto de una exposición previa a alcohol. En general, la exposición a un estímulo altera la capacidad del eje HHS para responder posteriormente al mismo estímulo o a estímulos diferentes.por consiguiente,una exposición previa a alcohol modifica la respuesta del eje HHS a los episodios posteriores. Debido a la influencia multifacética de las hormonas del eje HHS (CRF, POMC, esteroides suprarrenales), los cambios inducidos por el alcohol en este eje tienen consecuencias de largo alcance en la salud del organismo. En esta diapositiva, las ratas recibieron la inyección del vehículo o de alcohol (1,8 g/kg, ip) tres horas antes de ser expuestas a un estresor neurogénico (descargas eléctricas suaves en las patas). Las ratas tratadas previamente con alcohol mostraron una respuesta significativamente más baja de la ACTH ante las descargas eléctricas. Cada punto representa la media +/- SEM de 6 ratas. **, P<0,01 versus tratamiento previo con el vehículo. 16
Decreased Menor respuesta ACTH de ACTH response a IL-1β to IL-1β en ratas in adult adultas rats expuestas exposed a una to an dieta alcohol de alcohol diet 600 vehicle vehículo 500 4 µgil-1β/kg pg ACTH/ml 400 300 200 100 0 control Dieta control diet Dieta alcohol de alcohol diet (7 d) (7 d) En la diapositiva que se muestra mas arriba, se dio a las ratas una dieta alcohólica durante siete días, luego se les inyectó la citoquina proinflamatoria interleuquina-1b (IL-1b). Otra vez, los animales que habían estado previamente expuestos a alcohol exhibieron una respuesta significativamente mitigada de ACTH ante esta señal inmune. Cada barra representa la media +/- SEM de 5-6 ratas. **, P<0,01 versus dieta de control. 17
HIPERACTIVIDAD de CRF (alcohol prenatal) HIPOACTIVIDAD de CRF (alcohol postnatal crónico) células NK CRF cerebro? macrófagos ACTH? macrófagos corticosteroids corticoides infección respuesta apropiada inflamación Consecuencias a largo plazo de la exposición al alcohol. Ya hemos visto que el CRF y los glucocorticoides tienen efectos amplios. Aquí ilustramos, en un bosquejo, algunas de las consecuencias de un eje HHS hipoactivo (a la derecha) o hiperactivo (a la izquierda). Este resultado puede deberse, respectivamente, a tratamiento postnatal prolongado con alcohol (derecha) o exposición al alcohol durante el desarrollo embrionario (izquierda). Referencias: S. Hiller-Sturmhöffel y A. Bartke. The endocrine system : An overview. Alcohol Health and Research World 22: 153-164, 1998. Rivier. Alcohol stimulates ACTH secretion in the rat: Mechanisms of action and interactions with other stimuli. Alcoholism: Clin Exper Res. 20: 240-254, 1996. Rivier y Lee. Acute alcohol administration stimulates the activity of hypothalamic neurons that express corticotropin-releasing factor and vasopressin. Brain Res 726:1-10, 1996. 18
LHRH LH y FSH Ovario Testículo estradiol progesterona óvulo espermio testosterona EL EJE HIPOTALÁMICO-HIPOFISIARIO-GONADAL Las neuronas del hipotálamo sintetizan la hormona liberadora de hormona luteinizante (LHRH). Estos cuerpos celulares envían axones a la eminencia media, donde la LHRH se libera desde los terminales nerviosos y se transporta en los vasos sanguíneos del sistema porta. Al llegar a la hipófisis anterior, la LHRH estimula la liberación de LH y, en menor grado, de FSH. Ambas gonadotrofinas se liberan a la circulación sistémica y llegan a las gónadas. Las gónadas (testículos y ovarios) tienen dos funciones principales: producción de esteroides (hombre: testosterona; mujer: estrógeno y progesterona) y producción de gametos (hombre: espermatozoides; hembra: óvulos). Estas funciones están controladas por LH y FSH. En el hombre, la LH es principalmente la que estimula la producción de testosterona en las células de Leydig; la LH y la FSH participan en el proceso de espermatogénesis que ocurre en el complejo túbulos seminíferos-células de Sertoli. En la mujer, la LH y la FSH participan en la síntesis y liberación de estrógeno y progesterona en las células de la granulosa y las células del cuerpo lúteo, en el ovario, y estimulan el crecimiento de los folículos ováricos y la ovulación. Los esteroides (testosterona, estrógeno y progesterona) regulan la producción de LHRH y gonadotrofinas mediante retroalimentación negativa y positiva, y mantienen los niveles debidos de todas las hormonas reproductivas. 19
LHRH (pg/muestra) 20 vehículo alcohol 15 (3 g/kg, ip) 10 5 0 1000 1200 1400 1600 1800 Hora del día (proestro) EFECTO DEL ALCOHOL EN EL SISTEMA REPRODUCTOR MASCULINO Se sabe que el alcohol inhibe algunos aspectos del sistema reproductor. En el caso del eje HHS, este efecto se podría ejercer: - En el hipotálamo (síntesis de LHRH) - En la eminencia media (liberación de LHRH desde los terminales del nervio) - En la hipófisis (bloqueo de la liberación de LH/FSH) - En las gónadas (bloqueo de la síntesis/liberación de esteroides) Hipotálamo: El alcohol inhibe la síntesis/liberación de LHRH. Este efecto se ilustra en la diapositiva que se muestra mas arriba, que indica que la liberación de LHRH en el proestro de ratas hembras fue bloqueada totalmente por el alcohol, inyectado a las 8:00 horas y 24:00 horas. La LHRH se midió con una sonda de microdiálisis colocada en la eminencia media. Cada punto representa la media +/- SEM de 4-5 ratas. **, P<0,01 versus el vehículo 20
ng LH/ml 4 vehículo alcohol (3 g/kg, ip) 3 2 1 0 0 30 60 90 120 tiempo (min) Hipófisis: El alcohol disminuye los niveles plasmáticos de LH. Este efecto se ilustra en los estudios realizados en ratas castradas, elegidas como modelo porque presentan concentraciones basales elevadas de LH. Cada punto representa la media +/- SEM de 4-5 ratas. **, P<0,01 versus el vehículo. 21
ng testosterona/ml 4 vehículo alcohol (3 g/kg, ig) 3 2 1 0 0 30 60 90 120 150 180 tiempo (min) Dado que los investigadores, en su mayoría, no han logrado detectar efectos del alcohol en los receptores de LHRH, es probable que el efecto del alcohol sobre la liberación de LH se deba principalmente a una secreción atenuada de LHRH. Cada punto representa la media +/- SEM de 5 ratas. **, P<0,01 versus el vehículo. Testículos: El alcohol también disminuye significativamente la liberación de testosterona, como se ve en esta diapositiva. Las causas de esta reducción son, probablemente, varias. Primero, se debe indudablemente, al menos en parte, a niveles reducidos de LH. Además, el alcohol podría alterar el número y los tipos de moléculas de azúcar presentes en la molécula de LH, lo que disminuiría su actividad biológica en los testículos. El alcohol también actúa directamente sobre la vía esteroidogénica en el testículo y así inhibe la síntesis/liberación de este esteroide. Este efecto se puede deber a una producción alterada de los compuestos intratesticulares que influyen en la esteroidogénesis, o a la inhibición de las enzimas esteroidogénicas necesarias para la producción de la testosterona. En conjunto, estos resultados indican que el alcohol puede inhibir la actividad del eje HHG por medio de varios mecanismos distintos. Referencias. K Ogilvie y C Rivier. Effect of alcohol on the proestrous surge of LH and the activation of LHRH neurons in the female rat. J Neurosci 17: 595-2604, 1997. ME Emanuele, J Tentler, NV Emanuele, MR Kelley. In vivo effect of acute EtOH on rat alpha and beta luteinizing hormone gene expression. Alcohol 8: 354-348, 1991. N LaPaglia, J Steiner, L Kirsteins, MA Emanuele, N Emanuele. The impact of acute ethanol on reproductive hormone synthesis, processing and secretion in female rats at proestrus. Alcohol: Clin Exper Res 21: 1567-1572, 1997. MA Emanuele and VN Emanuele. Alcohol s effects on male reproduction. Alcohol health and Research World 22: 195-201, 1998. 22