Male Fertility Is in the Bones: First Evidence That Skeleton Plays a Role in Reproduction

ScienceDaily (Feb. 18, 2011) — Researchers at Columbia University Medical Center have discovered that the skeleton acts as a regulator of fertility in male mice through a hormone released by bone, known as osteocalcin.

Researchers have found an altogether unexpected connection between a hormone produced in bone and male fertility. The study shows that the skeletal hormone known as osteocalcin boosts testosterone production to support the survival of the germ cells that go on to become mature sperm.

The research, led by Gerard Karsenty, M.D., Ph.D., chair of the Department of Genetics and Development at Columbia University Medical Center, is slated to appear online on February 17 in Cell, ahead of the journal's print edition, scheduled for March 4.

Until now, interactions between bone and the reproductive system have focused only on the influence of gonads on the build-up of bone mass.

"Since communication between two organs in the body is rarely one-way, the fact that the gonads regulate bone really begs the question: Does bone regulate the gonads?" said Dr. Karsenty.

Dr. Karsenty and his team found their first clue to an answer in the reproductive success of their lab mice. Previously, the researchers had observed that males whose skeletons did not secrete a hormone called osteocalcin were poor breeders.

The investigators then did several experiments that show that osteocalcin enhances the production of testosterone, a sex steroid hormone controlling male fertility. As they added osteocalcin to cells that, when in our body produce testosterone, its synthesis increased. Similarly, when they injected osteocalcin into male mice, circulating levels of testosterone also went up.

Conversely, when osteocalcin is not present, testosterone levels drop, which causes a decline in sperm count, the researchers found. When osteocalcin-deficient male mice were bred with normal female mice, the pairs only produced half the number of litters as did pairs with normal males, along with a decrease in the number of pups per litter.

Though the findings have not yet been confirmed in humans, Dr. Karsenty expects to find similar characteristics in humans, based on other similarities between mouse and human hormones.

If osteocalcin also promotes testosterone production in men, low osteocalcin levels may be the reason why some infertile men have unexplained low levels of testosterone.

Skeleton Regulates Male Fertility, But Not Female

Remarkably, although the new findings stemmed from an observation about estrogen and bone mass, the researchers could not find any evidence that the skeleton influences female reproduction.

Estrogen is considered one of the most powerful hormones that control bone; when ovaries stop producing estrogen in women after menopause, bone mass rapidly declines and can lead to osteoporosis.

Sex hormones, namely estrogen in women and testosterone in men, have been known to affect skeletal growth, but until now, studies of the interaction between bone and the reproductive system have focused only on how sex hormones affect the skeleton.

"We do not know why the skeleton regulates male fertility, and not female. However, if you want to propagate the species, it's probably easier to do this by facilitating the reproductive ability of males," said Dr. Karsenty. "This is the only rationale I can think of to explain why osteocalcin regulates reproduction in male and not in female mice."

Other Novel Functions of Osteocalcin Reported Earlier

The unexpected connection between the skeleton and male fertility is one of a string of surprising findings in the past few years regarding the skeleton. In previous papers, Dr. Karsenty has found that osteocalcin helps control insulin secretion, glucose metabolism and body weight.

"What this work shows is that we know so little physiology, that by asking apparently naïve questions, we can make important discoveries," Dr. Karsenty says. "It also shows that bone exerts an important array of functions all affected during the aging process. As such, these findings suggest that bone is not just a victim of the aging process, but that it may be an active determinant of aging as well."

Next Steps and Potential Drug Development

Next, the researchers plan to determine the signaling pathways used by osteocalcin to enhance testosterone production.

And as for potential drug development, since the researchers have also identified a receptor of osteocalcin, more flexibility in designing a drug that mimics the effect of osteocalcin is expected.

Whether it's for glucose metabolism or fertility, says Dr. Karsenty, knowing the receptor will make it easier for chemists to develop a compound that will bind to it.

"This study expands the physiological repertoire of osteocalcin, and provides the first evidence that the skeleton is a regulator of reproduction," said Dr. Karsenty.

Cientistas querem usar engenharia de tecidos contra o infarto

Projeto de pesquisa conjunta entre cientistas da USP e do MIT busca na engenharia de tecidos uma solução para a recuperação de doenças isquêmicas.

Todos contra o infarto

Um infarto do miocárdio pode acarretar ao paciente um dano tão grande que o restabelecimento do fluxo sanguíneo por meio de técnicas convencionais talvez não seja suficiente.

Para reparar tal estrago, seria necessário criar novos vasos ou até mesmo substituir o tecido danificado.

Esse é o desafio que José Eduardo Krieger e sua equipe da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (FMUSP), enfrentarão ao lado de um grupo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos.

Fruto de um intercâmbio entre as duas universidades, a ideia do intercâmbio é desenvolver alternativas para inibir, ou ao menos retardar, a deterioração das células do tecido cardíaco após o infarto do miocárdio.

"O tratamento evitaria novos infartos e reduziria o tempo de recuperação do paciente", disse Krieger.

Tratamentos para o infarto

Hoje, ao sofrer um infarto do miocárdio, uma pessoa pode ser submetida a três tipos de tratamentos.

Dependendo do quadro clínico, o médico pode optar pelo uso de medicamentos ou pela hemodinâmica, na qual é inserido um balão ou stent na artéria por meio de um cateter.

Outro procedimento é a vascularização cirúrgica ou, em alguns casos, o especialista pode recorrer à combinação dos tratamentos.

Engenharia de tecidos

"A nova técnica utiliza o conceito de engenharia de tecidos para combinar células e uma matriz biopolimérica para prevenir a morte das células próximas ao infarto e ao mesmo tempo estimular a formação de novos vasos", explicou Krieger.

"As células injetadas com os biopolímeros têm maior chance de permanecer no local, como se estivéssemos utilizando uma cola. Além disso, os biopolímeros agem como potentes biorregulatórios e secretam fatores que poderão contribuir para o processo de reparação do tecido danificado", completou o professor Elazer Edelman, do Centro de Engenharia Biomédica do MIT-Harvard, parceiro no projeto.

O grupo está desenvolvendo uma mistura gelatinosa que permite reter as células no local desejado, dentro do miocárdio ou em seu entorno, além de estimular fatores de crescimento nas células residentes.

Biopolímeros

Em linhas gerais, esses biopolímeros funcionam como uma espécie de cola. "Os benefícios dessa técnica seriam uma recuperação mais rápida da pessoa que sofreu o infarto e o restabelecimento da função do miocárdio", disse Krieger.

Com esses plásticos biológicos, feitos a partir de fibrina ou colágeno (retirados do próprio paciente) ou materiais sintéticos, os pesquisadores dos Estados Unidos e do Brasil esperam estimular a formação de novos vasos e, ao mesmo tempo, reduzir o processo da fibrose.

"O mecanismo ainda não foi totalmente elucidado. Precisa ser mais investigado. Mas podemos adiantar que a melhora associada à fibrose e a preservação da forma e tamanho do ventrículo permitem especular que há influência da sinalização parácrina nesse processo", afirmou Edelman.

A sinalização parácrina é um tipo de sinalização que tem como alvo apenas as células que estão na vizinhança da célula emissora do sinal.

Modelos animais

No laboratório do MIT, os cientistas estão priorizando experimentos com células humanas. No InCor, os testes são realizados com células de suínos.

O grupo de Krieger observou que, ao serem injetadas no coração, as células mesenquimais (importantes na formação de novas células) derivadas do tecido adiposo do porco são capazes de prevenir a deterioração das células no modelo de isquemia cardíaca - isso em ratos.

Agora, a equipe brasileira está testando a mesma hipótese no modelo suíno, considerado o mais próximo do humano. Krieger destaca que tanto o uso de biopolímeros como a terapia celular não são mais invasivos do que os tratamentos convencionais.

"Durante a recuperação, se o paciente possui uma massa de tecido cardíaco muito grande, ele pode progredir para um quadro de insuficiência cardíaca. E é isso que desejamos inibir ou, pelo menos, retardar", afirmou.

Bactéria pode ajudar a controlar mosquito da dengue

Embora o foco principal da pesquisa seja a dengue, os efeitos da Wolbachia sobre oAedes aegypti indicam que outras doenças transmitidas por este mosquito também poderiam ser controladas.

Mosquitos infectados

Uma bactéria comum - encontrada em 60% dos insetos - pode ser eficaz no combate a doenças como dengue e malária.

Esta é a aposta de uma pesquisa coordenada pela Universidade de Queensland, na Austrália, que conta com a participação de um cientista do Centro de Pesquisa René Rachou, da Fiocruz Minas.

A nova estratégia consiste em infectar mosquitos vetores de doenças com a bactéria Wolbachia.

A bactéria fortalece o sistema imunológico do mosquito e diminui a longevidade do inseto. Assim, o mosquito Aedes aegypti não seria infectado pelo vírus da dengue e, mesmo se fosse, o inseto viveria por pouco tempo, reduzindo o risco de transmissão da doença para o homem.

Foco na dengue

Embora o foco principal da pesquisa seja a dengue, os efeitos da Wolbachia sobre oAedes aegypti indicam que outras doenças transmitidas por este mosquito também poderiam ser controladas.

Não está totalmente claro, entretanto, de que maneira a Wolbachia atua no organismo de mosquitos vetores.

"Apenas a presença da bactéria já aumenta a expressão de alguns genes de imunidade no inseto", diz o pesquisador Luciano Moreira, principal autor do trabalho.

De acordo com Moreira, outros fatores podem estar em ação. "Como esta bactéria é intracelular, assim como os vírus, pode ocorrer uma competição pelos nutrientes celulares", sugere.

Transmissão de bactéria

A Wolbachia tem a capacidade de se perpetuar de geração para geração. Isso porque a bactéria se localiza em vários tecidos do inseto, inclusive nos ovários, alcançando o ovo em formação e, assim, sendo transmitida para a prole.

"Essa cepa de bactéria causa a incompatibilidade citoplasmática, o que dá vantagem às fêmeas infectadas pela bactéria: cruzamentos de machos infectados com fêmeas não infectadas não produzem descendentes", explica Moreira, que atualmente faz pós-doutorado na Universidade de Queensland.

Os efeitos da bactéria no organismo dos insetos vão além. Algumas cepas da Wolbachiapodem, inclusive, induzir a produção de machos transexuais, tudo para ampliar a proliferação bacteriana.

"A feminização talvez seja a estratégia mais óbvia para que uma bactéria como aWolbachia seja transmitida pela mãe. Como os machos são 'sem-saída' para a herança de fatores do citoplasma, a conversão de machos para fêmeas dobra a chance de transmissão da bactéria para a geração seguinte. Até hoje, entretanto, esse efeito é o mais raro entre os causados pela Wolbachia", afirma Moreira.

Bactéria que protege contra vírus

Vale lembrar que jamais foram encontrados mosquitos Aedes aegypti que carregassem naturalmente bactérias Wolbachia.

O processo de inserção da bactéria nesses mosquitos levou mais de quatro anos.

Já outro vetor da dengue, o Aedes albopictus, hospeda naturalmente duas cepas diferentes de Wolbachia. Entretanto, ainda não se sabe se no A. albopictus a bactéria produz algum efeito inibidor do vírus da dengue. Esse efeito explicaria a posição do A. albopictus como vetor secundário.

A inspiração para a pesquisa veio de outro trabalho, no qual pesquisadores mostraram que a Drosophila, popularmente conhecida como mosca-das-frutas, quando infectada pela Wolbachia, ficava protegida contra vírus específicos.

"A partir daí nos interessamos em descobrir qual seria o efeito para importantes doenças, como a dengue e a malária", conta Moreira.

Dengue, Chikungunya e febre amarela

A pesquisa, que envolve cientistas de vários países e é coordenada pelo professor Scott O'Neill, prioriza o combate à dengue. Ela é financiada, principalmente, pela Fundação Bill e Melinda Gates.

Até o próximo ano, mosquitos A. aegypti infectados com a bactéria Wolbachia devem ser liberados em áreas atingidas pela dengue na Austrália.

"Tão logo seja comprovado que a bactéria é capaz de bloquear a doença nessas localidades, há planos de liberação no Vietnã e na Tailândia, onde também já existem trabalhos nesse sentido", diz Moreira.

A médio e longo prazo, a população do mosquito deve ser monitorada com o objetivo de detectar a presença da bactéria.

Embora o foco principal da pesquisa seja a dengue, os efeitos da Wolbachia sobre o A. aegypti indicam que outras doenças transmitidas por este mosquito também poderiam ser controladas.

Entre elas destaca-se a febre Chikungunya, que ocorre em áreas tropicais da África e é responsável por surtos na Índia, na Malásia e mesmo na Europa.

Trata-se de uma doença com sintomas semelhantes aos da dengue, como febre alta e dores nas articulações, sendo que estas dores podem durar de meses a anos após a infecção. Embora apresente hoje uma incidência menor, a febre Chikungunya tem potencial de se espalhar pelo mundo, já que é transmitida pelo mesmo mosquito da dengue.

"O efeito da Wolbachia no bloqueio da febre amarela, também transmitida pelo A. aegypti, está no momento sendo estudado e, possivelmente, deverá trazer resultados promissores", defende Moreira.

Vários laboratórios do mundo também já vêm tentando infectar mosquitos Anopheles, transmissores da malária, com a bactéria Wolbachia. "Em nosso trabalho, mostramos que os A. aegypti que contêm a bactéria se tornam menos suscetíveis à infecção pelo parasito da malária aviária, o que nos faz acreditar que, possivelmente, o mesmo possa ocorrer em relação ao parasito que causa a doença em humanos", comenta Moreira.

Estudo avalia efeitos do consumo restrito de proteínas durante a gestação

Mandarim-de-Lacerda: médico destaca que a herança perversa do diabetes para filhos, e até netos, trará um custo social para o Estado

A importância de uma alimentação balanceada para o funcionamento saudável do organismo não é novidade.Mas, agora, pesquisa realizada no Centro Biomédico da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (Uerj) apresenta um dado que reforça a necessidade da boa nutrição: o estilo da alimentação durante a gravidez tem efeitos não só para a mãe, mas pode ser determinante para a qualidade da saúde dos filhos, durante a vida adulta, e continuar influenciando até mesmo a saúde dos netos. O trabalho, coordenado pelo professor e médico Carlos Alberto Mandarim-de-Lacerda no Laboratório de Morfometria, Metabolismo e Doença Cardiovascular da universidade, mostrou que, em roedores, uma dieta materna carente em proteínas durante a gestação prejudica a formação de determinados órgãos dos filhotes – como o pâncreas – tanto na primeira geração (filhos), como na geração seguinte (netos), levando ao desenvolvimento precoce de diabetes tipo 2.

A explicação para o fenômeno, observada pela equipe do professor Mandarim-de-Lacerda, depois de oito anos de estudos, é simples. A alimentação materna com níveis insuficientes de proteínas, durante a gravidez, causa alterações estruturais no pâncreas dos filhotes ainda no útero materno. Mais especificamente, a formação das chamadas células beta do pâncreas, responsáveis pela produção de insulina, é prejudicada. “Os filhotes dessas mães e seus netos nascem com um número consideravelmente menor de células beta pancreáticas, em relação aos filhotes de mães alimentadas com um nível adequado de proteínas”, explica o professor. Para quantificar o número de células beta do pâncreas desses filhotes, os pesquisadores analisam a massa destas células nos cortes histológicos do órgão, com o uso de uma técnica chamada de estereologia, e comparam com a massa celular dos filhotes de mães normais (alimentadas com nível de proteína normal, grupo controle).

Com a produção reduzida do hormônio insulina, o organismo passa a ter dificuldade para metabolizar glicose, que acaba se acumulando no sangue e provoca o diabetes – um importante fator de risco associado ao desenvolvimento de doenças cardiovasculares, de deficiências na microcirculação, da insuficiência renal e até da cegueira. Essas alterações na formação das células beta pancreáticas trazem problemas para o resto da vida do recém-nascido. “As células beta do pâncreas normalmente são formadas apenas durante a gestação. Depois do nascimento, elas não podem mais ser formadas”, esclarece.

Por esse motivo, as alterações estruturais no pâncreas trazem efeitos praticamente irreversíveis, mesmo que os filhotes sejam alimentados normalmente após o nascimento até a maturidade. “Quando o indivíduo é jovem, mesmo que tenha menos células beta do que o normal, ele ainda consegue manter o equilíbrio nos níveis de glicose no sangue. Mas na medida em que, com o avanço da idade, elas vão morrendo naturalmente, o corpo não responde mais ao excesso de glicose e o indivíduo adulto apresenta diabetes tipo 2 invariavelmente mais cedo, e não apenas na terceira idade”, completa o chefe do laboratório, lembrando que o aumento da longevidade no País é um fator que vai contribuir para tornar esses efeitos mais nítidos. “Se uma criança nascer programada para ter diabetes tipo 2 aos 30 anos, ela vai chegar aos 50 com todas as complicações possíveis.”

Uma questão social

O estudo teve como desdobramento a publicação de um artigo na conceituada revista britânica Clinical Science e será tema de outro artigo a ser publicado, ainda neste semestre, na americana Mechanisms of Ageing and Development. Para Mandarim-de-Lacerda, que é Cientista do Nosso Estado, programa símbolo da Fundação, e que vem recebendo apoio da FAPERJ ao longo dos últimos anos por meio de editais, como o Apoio a Núcleos de Excelência (Pronex) e o Apoio às Universidades Estaduais do Rio de Janeiro, os resultados da pesquisa alertam para a necessidade de formulação de políticas de saúde pública que considerem o custo social dessa herança perversa. “Como os casos de desnutrição de mulheres grávidas no Brasil ainda persistem, é preciso contabilizar o custo que o Estado terá em um futuro próximo com o tratamento das gerações descendentes dessas mães que tiveram restrição proteica na gravidez”, destaca. 

O aumento dos casos de obesidade, que já é considerada uma epidemia no Brasil, inclusive nas classes sociais mais desfavorecidas, é outro fator que complica esse quadro. De acordo com dados divulgados pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) em agosto de 2010, mais da metade da população adulta brasileira está acima do peso. “Geralmente o obeso é um desnutrido, que geralmente se alimenta com refeições hipercalóricas e come pouca proteína”, explica o professor. Por isso, a população obesa feminina poderia ser enquadrada no grupo que sofre restrição proteica, principalmente durante a gravidez, “programando” seus filhos e netos para ter complicações precoces. Se a grávida desenvolver diabetes e for hipertensa, além de ter um consumo insuficiente de proteínas, os danos ao feto se potencializam. “Do ponto de vista da gestão da saúde pública, esse problema é uma equação que não fecha”, alerta.

Roedor para testes: ingestão regular de óleo de peixe por fêmeas desnutridas na gravidez pode evitar complicações transgeracionais

A ideia de criar essa linha de pesquisa no Laboratório de Morfometria, Metabolismo e Doença Cardiovascular da Uerj surgiu por influência da chamada Teoria de Barker. Na década de 1980, o epidemiologista David Barker observou que a população da Holanda na faixa dos 40 anos apresentava complicações, como diabetes, hipertensão, doenças cardíacas e dislipidemia, em níveis bem superiores em relação ao restante da população europeia. Barker localizou a origem dessa disparidade na Segunda Guerra, quando as mães dessa geração com a saúde comprometida precocemente sofreram privações alimentares. “Por serem filhos de mulheres que sofreram restrição proteica durante a gestação, eles provavelmente tinham menor número de células beta no pâncreas, de cardiomiócitos no coração e de glomérulos nos rins, ou seja, estavam programados para apresentar doenças antes do normal”, justifica Mandarim-de-Lacerda. Hoje, essa teoria é um fato aceito internacionalmente, com o nome de imprinting ouprogramming.

Óleo de peixe: benefícios

Outra vertente de pesquisa em curso no laboratório é a avaliação dos efeitos da ingestão regular de óleos comestíveis, como o óleo de peixe, na saúde dos animais. Em um dos diversos trabalhos nessa linha, Mandarim-de-Lacerda e sua equipe identificaram que o consumo de óleo de peixe por filhotes de mães submetidas a uma dieta pobre em proteínas durante a gravidez foi responsável por uma melhoria considerável do metabolismo. A pesquisa foi publicada na revista científica Journal of Nutritional Biochemistry. “O estudo mostrou evidências de que a ingestão regular de óleo de peixe, rico em lipídios poli-insaturados, pode reverter as alterações no fígado e no tecido adiposo geradas pela dieta materna com restrição proteica”, afirma.

Um segundo trabalho também com óleo de peixe, publicado no American Journal of Obstetrics and Gynecology, apresentou resultados animadores. Ele revelou que as fêmeas grávidas submetidas a uma dieta com restrição proteica e que, no mesmo período, ingeriram suplementos do óleo, tiveram filhotes normais. “Em relação à parte bioquímica do fígado e do tecido adiposo, esses filhotes nasceram sob as mesmas condições daqueles cujas mães receberam uma dieta equilibrada na gravidez”, relata. Sem dúvida, os experimentos com óleo de peixe apontam perspectivas positivas. Quem sabe, um dia, o consumo regular desse suplemento possa ser indicado como uma alternativa complementar para ajudar a reverter as complicações causadas pela restrição proteica durante a gestação.

Shining a Light on Trypanosome Reproduction

ScienceDaily (Feb. 17, 2011) — Compelling visual evidence of sexual reproduction in African trypanosomes, single-celled parasites that cause major human and animal diseases, has been found by researchers from the University of Bristol.

Professor Wendy Gibson and colleagues used fluorescently-tagged proteins to make trypanosomes light up like tiny light bulbs.

The research could eventually lead to new approaches for controlling sleeping sickness in humans and wasting diseases in livestock which are caused by trypanosomes carried by the bloodsucking tsetse fly.

Biologists believe that sexual reproduction evolved very early and is now ubiquitous in organisms with complex cell structure (the eukaryotes, essentially all living organisms except bacteria). However, real evidence is lacking for a large section of the evolutionary tree.

Trypanosomes represent an early and very distant branch of the eukaryote tree of life and until now it was unclear whether they do indeed reproduce sexually.

Offspring that result from sexual reproduction inherit half their genetic material from each parent. At the core of this process is meiosis, the cellular division that shuffles the parental genes and deals them out in new combinations to the offspring. In organisms which cause diseases, sexual reproduction can spread genes which make them more virulent, or resistant to drugs used for treatment, as well as creating completely new strains with combinations of genes not previously encountered.

Some time ago it was shown that genetic shuffling could occur when two different trypanosome strains were mixed in the tsetse fly, but it was far from clear that this was true sexual reproduction. Direct visualization of the process was difficult because it happened inside the insect.

To get round this problem, Professor Wendy Gibson and colleagues used fluorescently-tagged proteins to make trypanosomes light up like tiny light bulbs [see image]. The tagged proteins only function during meiosis in other well-studied eukaryotes such as yeast.

Professor Gibson said: "It seems that meiosis in trypanosomes has eluded observers because it occurs hidden inside the insect carrying the parasite -- a difficult and technically challenging system to work with. These new results will further our understanding of events at the very beginning of eukaryote evolution, and of the way that new strains of disease-causing microbes emerge."

The study, carried out by researchers from Bristol's Schools of Biological Sciences and Veterinary Sciences in collaboration with the University of Cambridge, is published this week inProceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

The research was funded by the Wellcome Trust.