Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10400.6/4253
Título: High-energy diets and Diabetes Mellitus: a threat for male fertility
Autor: Rato, Luís Pedro Ferreira
Orientador: Oliveira, Carlos Pedro Fontes
Cavaco, José Eduardo Brites
Duarte, Ana Isabel Marques
Palavras-chave: Fertilidade masculina
Pre-diabetes
Diabetes mellitus
Diabetes mellitus Tipo 2
Metabolismo testicular
Células de Sertoli
Dietas de alta energia
Male fertility
Type 2 Diabetes mellitus
Testicular metabolism
Sertoli cells
High-energy diets
Data de Defesa: Mar-2015
Resumo: A sobrevivência do ser humano reside numa fertilidade saudável, no entanto, nos últimos anos tem-se observado um declínio na fertilidade masculina. Este problema tem particular incidência nas sociedades modernas, e a curto prazo estará presente nos países em desenvolvimento. Factores externos associados ao estilo de vida, tais como maus hábitos alimentares, particularmente a ingestão excessiva de dietas de alta energia, têm contribuído para o aumento de doenças metabólicas, nomeadamente a obesidade e a diabetes mellitus (DM). Na verdade, a combinação de factores como: mudanças na composição de alimentos; aumento do consumo de dietas de alta energia; consumo de alimentos com altos níveis de açúcar e gorduras saturadas de elevada palatibilidade; o sedentarismo e a falta de atividade física são a principal causa para o incremento destas patologias. A obesidade e a DM são problemas de saúde pública nos países desenvolvidos e a sua incidência tem vindo a aumentar rapidamente entre os homens em idade reprodutiva, contribuindo para o surgimento da subfertilidade e infertilidade nesses indivíduos. A desregulação metabólica e endócrina associada a estes estadios patológicos compromete a função reprodutora masculina, uma vez que o eixo hipotálamo-hipófise-testículo, também conhecido como eixo reprodutivo, é sensível a alterações metabólicas. O tecido testicular é composto por uma população heterogénea de células somáticas e germinativas. As células germinativas estão dependentes do apoio nutricional fornecido pelas células de Sertoli, e distúrbios metabólicos podem perturbar essa cooperação metabólica. O metabolismo das células testiculares, em particular o das células de Sertoli, apresenta características únicas, uma vez que estas células são capazes de metabolizar vários substratos (e.g.: glucose, ácidos gordos, corpos cetónicos). As células de Sertoli metabolizam preferencialmente a glucose, sendo que a maioria desta é convertida a lactato, e não oxidada através do ciclo de Krebs. Os mecanismos que regulam o metabolismo das células de Sertoli são essenciais para a espermatogénese, e este processo metabólico é controlado por vários fatores, entre eles a insulina e as hormonas esteróides sexuais. Doenças metabólicas, como a DM, apresentam na sua origem resistência à insulina e/ou ausência de insulina, bem como uma incapacidade de as células responderem de forma eficiente à estimulação por esta hormona. Dada a importância da insulina no metabolismo da glucose e o facto de as células de Sertoli expressam receptores específicos para esta hormona, avaliámos o comportamento metabólico das células de Sertoli em situações de privação de insulina. Nestas condições, as células de Sertoli alteram o seu metabolismo glicolítico, diminuíndo a taxa de produção de lactato através da modulação da expressão de proteínas associadas à produção e exportação de lactato, sugerindo que são afectadas na sua actividade metabólica em condições patológicas associadas à desregulação da insulina, como é o caso da DM. No entanto, a DM induz uma desregulação endócrina generalizada. Uma consequência directa da DM na função testicular é a inibição da síntese de testosterona (T). Neste trabalho, demonstramos que os esteróides sexuais, particularmente a testosterona (e o seu metabolito 5α-di-hidrotestosterona) e o 17β-estradiol (E2), modulam o metabolismo glicolítico das células de Sertoli, favorecendo o consumo de glucose, sem contudo promoverem a síntese de lactato. De facto, a produção de lactato, que é o principal substrato para o desenvolvimento das células germinativas, encontrava-se diminuída pela acção androgénica, o que poderá resultar num comprometimento da cooperação metabólica testicular. Quanto mais severo é o estado de progressão da DM, maior é a redução dos níveis da T. Desta forma, estudámos os efeitos da desregulação dos níveis da T induzidos por diferentes estadios da DM, pré-diabetes e diabetes mellitus tipo 2 no metabolismo glicolítico das células de Sertoli. Os resultados mostraram que quanto mais avançado é o estado da doença, mais a via glicolítica está comprometida, verificando-se igualmente uma alteração mais acentuada na maquinaria celular associada à produção de lactato em células em cultura com níveis de T associados à diabetes mellitus tipo 2. Curiosamente, as células de Sertoli em cultura em condições de T similares ao observado no estado de diabetes mellitus tipo 2 mostram que são capazes de adoptar mecanismos que promovem o uso de substratos alternativos, como é o caso do glicogénio. Ao nível do testículo, evidenciou-se que o estado de pré-diabetes induzido pelo consumo de dietas de alta energia também altera o metabolismo glicolítico. Nestas condições, a via glicolítica está favorecida devido ao aumento da expressão e actividade de proteínas essenciais que intervêm nessa via metabólica. Também a expressão de proteínas associadas à produção de lactato está aumentada, o que parece contribuir para o aumento observado no lactato testicular. No entanto, e apesar da adaptação metabólica evidenciada, os parâmetros reprodutivos são seriamente afectados, o que pode resultar do favorecimento de um ambiente testicular oxidativo. De facto, nessas condições observou-se uma diminuição significativa da expressão de proteínas envolvidas tanto na manutenção da biogénese mitocondrial, como na activação do sistema de defesa contra as espécies reactivas de oxigénio. O potencial antioxidante testicular diminuído, assim como, a alteração na respiração mitocondrial testicular contribuíram igualmente para uma deficiente capacidade bioenergética e um aumento do ambiente oxidativo. Já em estadios mais avançados da DM, como é o caso da diabetes mellitus tipo 2, observou-se que o metabolismo glicolítico testicular é seriamente comprometido. A actividade da lactato desidrogenase está severamente diminuída, contribuindo para uma diminuição do conteúdo em lactato neste tecido. Porém, nestas condições destaca-se a adaptação verificada no metabolismo testicular, que promoveu um aumento do conteúdo de glicogénio nos testículos. Estes resultados indicam que a diabetes mellitus tipo 2 induz uma reprogramação metabólica testicular, promovendo vias metabólicas alternativas. No entanto, os parâmetros espermáticos dos indivíduos que sofriam desta condição estavam comprometidos, visto que a motilidade e viabilidade dos espermatozóides estavam acentuadamente diminuídas e o número de espermatozóides com anomalias na morfologia era elevado. Em conclusão, este trabalho demonstra que as doenças metabólicas, particularmente a DM, podem contribuir para uma diminuição do potencial reprodutivo masculino induzindo alterações profundas no metabolismo celular do testículo, e em particular no metabolismo das células de Sertoli. O processo da espermatogénese é complexo e, do ponto de vista fisiológico, o metabolismo glicolítico é essencial para o sucesso deste evento celular. A regulação do metabolismo da glucose nas células de Sertoli é alvo de vários factores, e tanto nos estadios iniciais da DM, como nos estadios mais avançados, sofre alterações, sendo que são mais pronunciadas em estadios avançados da doença. De facto, verificou-se que em estadios iniciais da DM o metabolismo testicular tende a adaptar-se de modo a assegurar a produção de lactato para as células germinativas em desenvolvimento. Todavia com a progressão da doença, a produção desse metabolito energético é seriamente comprometida. De facto, estas alterações metabólicas progressivas estão ainda associadas a uma diminuição dos parâmetros espermáticos, que seguramente serão responsáveis pelo declínio da saúde reprodutiva masculina.
The survival of the human being lies in a healthy fertility, however, in last decades it has been observed a decline in male fertility. This problem has a particular focus in modern societies, but in the near future will be present in developing countries. External factors associated with lifestyle, such as erroneous eating habits, particularly the excessive intake of high energy diets, have contributed to the increase of metabolic diseases, including obesity and diabetes mellitus (DM). Indeed, the combination of factors such as: changes in the composition of foods, increased consumption of high-energy diets, consumption of foods with high levels of sugar and saturated fats, sedentary lifestyle and the lack of physical activity are the main cause for the increase of this pathology. Obesity and DM are public health problems in developed countries and its incidence has been increasing rapidly among men of reproductive age, contributing to the emergence of subfertility and infertility in these individuals. The metabolic and hormonal dysregulation associated with these pathological stages compromises the male reproductive function, since the hypothalamus-pituitary gonadal axis, also known as reproductive axis, is sensitive to the subtle metabolic disturbances. Testicular tissue consists of a heterogeneous population of somatic and germ cells, where germ cells are dependent on the nutritional support provided by Sertoli cells and any metabolic disorder may alter this metabolic cooperation. Metabolism of testicular cells, in particular of Sertoli cells, present some unique features. Sertoli cells are able to metabolize various substrates (e.g.: glucose, fatty acids, ketone bodies), preferentially metabolizing glucose, being the majority of it converted to lactate and not oxidized via Krebs’ cycle. The mechanisms that regulate the metabolism of Sertoli cells are essential for spermatogenesis and this metabolic process is regulated by several factors, among which insulin and sexual steroid hormones play an important role. Metabolic diseases, such as DM, present in its origin insulin resistance and/or absence, as well as an inability of cells to efficiently respond to insulin stimulation. Given the relevance of this hormone on glucose metabolism and the fact that Sertoli cells express the specific receptors for insulin, we evaluated the metabolic behavior of Sertoli cells under insulin deprivation conditions. In these circumstances, Sertoli cells altered their glycolytic metabolism, decreasing the rate of lactate production through the modulation of the expression of proteins associated with the production and export of lactate. This suggests that Sertoli cells are affected in their metabolic activity under specific pathological conditions associated with insulin deregulation, such is the case of DM. DM induces a generalized endocrine disruption. A direct consequence of DM on testicular function is the inhibition of the synthesis of testosterone (T) and the more severe is the state of DM, the greater the reduction in levels of T. In this work, we showed that the sex steroids, particularly testosterone (and its non aromatizable metabolite 5-dihydrotestosterone) and 17β-estradiol, modulate the glycolytic metabolism of Sertoli cells, favoring the increase of glucose consumption, although the production of lactate is not promoted. In fact, lactate production, which is the primary substrate of developing germ cells, is diminished by the androgenic action. We further studied the effects of T deficiency induced by different stages of DM, pre-diabetes and type 2 diabetes mellitus, in the glycolytic metabolism of Sertoli cells. Our results showed that the more advanced is the state of the disease, the more the glycolytic pathway is compromised. Interestingly, Sertoli cells cultured under T conditions similar to those of type 2 diabetes mellitus stage are able to adopt alternative mechanisms that promote the use of alternative substrates, such as glycogen. At testicular level, it was evidenced that the pre-diabetic state induced by high-energy diets consumption also alters the glycolytic metabolism. Under these conditions, the glycolytic pathway is favored, given the increased expression and activity of essential proteins involved in this metabolic pathway. The expression of proteins associated with the production of lactate is also increased, which may have contributed to the increase in the testicular lactate content. However, and despite the metabolic adaptation observed, the reproductive parameters were affected, which may result from the favoring of a high oxidative environment. In fact, in those conditions, we observed a significant decrease in the expression of proteins involved not only in the maintenance of mitochondrial biogenesis, as in the activation of the reactive oxygen species defense system. The decreased testicular antioxidant potential, as well as the altered mitochondrial respiratory function contributed to a deficient bioenergetic capacity and augmented oxidative environment. In more advanced states of disease, as is the case of type 2 diabetes mellitus, testicular glycolytic metabolism was seriously compromised. Lactate dehydrogenase activity was severely diminished contributing to lower testicular content of lactate. Moreover, in those conditions there seems to be an adaptation of the testicular metabolism, reflected in the content of glycogen in the testes, which was increased. These results implied a testicular metabolic reprogramming under type 2 diabetes mellitus conditions, which promoted alternative metabolic pathways. However, the sperm parameters of the individuals with type 2 diabetes mellitus were seriously compromised, since motility and viability were substancially decreased and the number of sperm with abnormal morphology was increased. In conclusion, this study showed that metabolic diseases, particularly DM, contribute to a decrease in male reproductive potential by promoting profound alterations in testicular cellular metabolism, and particularly in the metabolism of Sertoli cells. Spermatogenesis is a complex process and the glycolytic metabolism is pivotal for the success of this cellular event. Glucose metabolism in Sertoli cells is targeted by numerous regulatory factors and both the initial and the advanced stages of DM the metabolism of glucose is altered in these cells. Furthermore, the more pronounced effects were observed in the most advanced stages of DM. In fact, we observed that, in the prodromal stage of DM, testicular metabolism tends to adapt in order to ensure an adequate production of lactate for developing germ cells. However, in more advanced stages of that disease, lactate production is seriously compromised. Moreover, these metabolic changes were associated with a decline in the reproductive parameters, that may lead to infertility, and that surely will be accountable for the decline in male reproductive health.
URI: http://hdl.handle.net/10400.6/4253
Designação: Doutoramento em Biomedicina
Aparece nas colecções:FCS - DCM | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento

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