Hormonas Tiroideas y Cerebro. Notas Sobre La Relación Bocio y Cretinismo

Carlos Valverde-R. Departamento de Neurobiología Celular y Molecular. Instituto de Neurobiología. UNAM, México.

La neuroendocrinología contemporánea, cuyos inicios se remontan a las nociones seminales

de Claude Bernard (1813-1878), acaba de celebrar el primer centenario del revolucionario concepto planteado por Ernest Henry Starling (1866-1927) acerca de los mensajeros químicos u hormonas que coordinan las funciones del organismo. En su propuesta, Starling dice: “These chemical messengers, however, or “hormones” (from, hormôn, I excite or arouse) as we might call them, have to be carried from the organ where they are produced to the organ which they affect by means of the blood stream…” (1-4). El conocimiento actual acerca de la relación funcional que existe entre la glándula tiroides y sus singulares mensajeros químicos yodados por un lado, y el desarrollo y función del cerebro por el otro, se inserta en este fértil paradigma de mensajeros químicos y comunicación intercelular. Sin embargo, los antecedentes de esa relación son milenarios y tienen sus orígenes en la más lejana antigüedad. En este trabajo me propongo revisar brevemente los aspectos más significativos de esa historia. El estado actual de ese conocimiento se revisa y discute en el resto de los trabajos que componen estas memorias.

El Bocio. El Signo de una Glándula Desconocida

Entrelazado con el mito, la magia, el arte y la religión, el bocio o crecimiento anormal de la glándula tiroides se describe por primera vez hace poco más de 30 siglos. Efectivamente, durante un primer periodo que podríamos llamar protocientífico, y con nombres como galaganda, gongrona, guttur, struma, tumor gutturis, choiron, y bronchocele, se identifica la alteración mas frecuente de una glándula aun desconocida. El bocio es un signo conspicuo y patognomónico; es decir, es una manifestación claramente visible y característica o definitoria, de disfunción tiroidea. Este crecimiento, evidente aun para el lego, explica porque antes de que se conociera la glándula, el bocio y algunos remedios para su tratamiento, se registren ya en los escritos de la antigua medicina china, egipcia e hindú. Por ejemplo, hacia el 1600 a. C., los antiguos tratados de farmacopea y herbolaria china indican el uso de cenizas de algas y esponjas para el tratamiento del bocio. La prescripción, en la forma de polvo en cápsulas, o bien, disuelto en vino, debía tomarse dos veces al día en primavera y verano, y tres veces en el otoño y el invierno. Igualmente, en el famoso bajo relieve del templo de Dendera dedicado a Hathor, la diosa del amor, la figura de Cleopatra (69-30 a. C), la muestra con un evidente abultamiento del cuello (5-8).

Ya en nuestra era, el bocio y su tratamiento, sobretodo quirúrgico, aparece referido en la obra

de diversos autores que reúnen y sistematizan el conocimiento medico de su época. Sin embargo, solo unos cuantos de estos autores aportan información nueva y/o relevante al tema que nos ocupa. Así, por ejemplo, en su Historia Naturalis, que se compone de 37 volúmenes, Gaius Plinius Cecilius Secundus (Plinio el Viejo, 23-79 d. C) afirma: “Guttur homini tantum et suibus intumescit, aquarum qae potantu plerumque vitio” (la garganta del hombre y el cerdo se hincha, por el agua que ellos beben). Por cierto, este Plinio es mejor conocido porque llevado por su curiosidad y teniendo a su cargo la flota Romana en la bahía de Nápoles, ordeno que lo trasladaran a tierra firme adonde muere durante la erupción del Vesuvio (5, 9).

Bocio y Cretinismo. Entre el Cielo y el Infierno

Habrán de pasar varios siglos para que en los llamados manuscritos eruditos de la época, asomen los primeros informes documentados acerca de la prevalencia endémica del bocio en

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diferentes partes de Europa, principalmente en las regiones montañosas de Italia, Germania, Galia y Bretaña. Escritas por viajeros y enciclopedistas que no son médicos, estas obras aportan esencialmente un catalogo de fenómenos, monstruos y deformaciones. Por ejemplo, el extenso trabajo de Thomas de Cantimpré (1201-1272): De monstruosis hominibus, ampliamente difundido y que fue re-copiado e iluminado en varias ocasiones; es decir, una especie de “best-seller” para su tiempo, relata e ilustra profusamente el encuentro de jorobados, mendigos y cretinos, con grandes bocios, muchos de ellos multinodulares. Así, inmersa en el temor religioso, la superstición y el mito imperantes, prolifera una rica iconografía no médica del bocio y el cretinismo, signo y síntoma de la relación entre la glándula, aun desconocida, y el cerebro. Es importante enfatizar que en este periodo y durante varios siglos adelante, reprimido y glorificado a la vez, el cuerpo humano y sus enfermedades, son gobernados por la iglesia. Por ello, la representación del binomio bocio/cretinismo y su asociación con la simpleza y lo grotesco a la vez que con la fealdad, la maldad y lo demoníaco, son parte del imaginario colectivo que percibe a la enfermedad como un castigo. La Bula Papal de Paulo III (1537) en la que autoriza el bautismo de los cretinos, ilustra ese doloroso transito del binomio entre la perversidad y la inocencia. Es hasta los siglos XIV y XV, que el bocio vuelve a ocupar la atención en algunos manuscritos médicos. En Inventarium et Collectorium Chirugia Magna, publicada en 1363 y traducida al francés en 1478, Gui de Chauliac (1300-1368) afirma que el bocio es una enfermedad local y hereditaria para la cual no existe tratamiento medico eficaz. Mas tarde, el catalán Arnoldo de Villanova (1235-1311) en su Breviare (Milan, 1483) refiere al bocio como una enfermedad endémica en la provincia de Lucca. Para su tratamiento, Villanova recomienda la milenaria prescripción china a base de polvo de algas, esponjas y crustáceos (5-6, 10-12).

Aquí, es importante subrayar un hecho notable. Hacia 1475, Wang Hsi en su tratado I Ling Chi

Yao añadió dos nuevos ingredientes a la vetusta prescripción china: conchas y moluscos marinos y, sorprendentemente, el polvo de 50 glándulas tiroides de puerco o de borrego. La adición de las glándulas, que tenían que desecarse y molerse sobre una laja de barro, constituye el antecedente más antiguo de la opoterapia (del griego, opós, jugo y therapeía, tratamiento). Transcurrieron mas de 400 años para que la opoterapia, también conocida como organoterapia, fuera redescubierta y ampliamente debatida a raíz de los trabajos del neurólogo Charles Édouard Brown-Séquard (1817-1894) sobre el uso de extractos testiculares. Sin embargo, es hasta octubre de 1891, con los trabajos del medico inglés George Redmayne Murray (1865-1939), cuando el empleo terapéutico de extractos de algunos órganos adquiere legitimidad en el campo de la medicina, especialmente en el caso de la endocrinología. En efecto, inyectando extractos de glándula tiroides de borrego, Murray trato con éxito y por primera vez, el hipotiroidismo de sus pacientes (cuadro 1). Administrados por vía oral, los extractos de glándulas tiroides de cerdo desecadas fueron hasta mediados del siglo XX el tratamiento de elección para el hipotiroidismo. Mas tarde, con la síntesis industrial de las hormonas tiroideas, esta forma terapéutica se abandonó (5, 9, 13-14).

La Tiroides. Una Glándula en Busca de Función

Las obras de Leonardo da Vinci (1452-1519) y Miguel Ángel Buonarroti (1475-1564) son el ejemplo mas acabado de la teoría estética que rige al renacimiento, y en ellas se encuentra el germen de la ilustración anatómica que habrá de revolucionar la enseñanza y practica de las ciencias medicas. Entre los estudiosos del tema existe acuerdo en atribuir a Leonardo la primera descripción anatómica de la tiroides. Se trata de un bosquejo ejecutado en 1510; en cuyo margen el artista anoto: “This gland is made to fill up the space where there are no muscles and it contains trachea, far from the sternal notch” (5, 11-12). Recientemente, en la primera escena del génesis que muestra la separación de la luz de las tinieblas, se descubrió que Miguel Ángel pinto al Creador exhibiendo un claro bocio nodular. Los diferentes estudios sobre la personalidad del artista han llevado a proponer que se trata de un autorretrato. Además, existe un soneto manuscrito por Miguel Ángel en el que relata a un amigo: “I have grown a goitre by dwelling in this den. As cats from stagnant stream in Lombardy. Or in what other land they hap to be” (15).

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Uno de los libros más importantes en la historia científica de la medicina es “De Humanis Corporis Fabrica”. En el, Andreas Vesalius (Bruselas, 1514-1564), describió, sin especular acerca de su función, a la glándula tiroides de la siguiente manera: “… dos glándulas, una a cada lado de la raíz (base) de la laringe, grandes, de aspecto fungoso (sic!) y del color de la carne aunque un poco mas oscuras, y con muchas venas prominentes…”. Por esta razón, las llamo “Glandes laryngis radici adnatae”, es decir, glándulas en contacto (adyacentes) con la raíz de la laringe (5, 16). El libro de Vesalius marca el inicio de la anatomía moderna y por una curiosa coincidencia fue publicado en 1543, es decir el mismo año en que se publico “De Revolutionibus Orbitum Coelestium” de Nicolás Copernicus (1473-1543). La coincidencia estriba no solamente en el año de publicación. Al derribar los añejos y pesados dogmas de la antigua escuela griega, Vesalio y Copernico revolucionan sus respectivos campos del conocimiento y con ellos da inicio el renacimiento científico propiamente dicho. Un siglo mas tarde la glándula es bautizada como “thyreoidea” (del gr., thyreos, escudo oblongo). El nombre fue acuñado por el médico inglés Thomas Wharton (1614-1673), quien lo utilizó por primera vez en su obra Adenographia: sive glandularum totius corporis descriptio (Adenografía: Descripción de las glándulas de todo el cuerpo) publicada en Londres en 1656. Sobre su función, Wharton señala que (la tiroides): “…contribuye a la redondez y belleza del cuello…, funciona como una esponja para recoger la humedad sobrante del nervio recurrente…, y lubrica la laringe para hacer la voz mas dulce” (5, 8).

Bocio, Cretinismo y Función Cerebral. Primeros Indicios Corresponde al celebre médico y alquimista suizo: Aureolus Philippus Theophrastus

Bombastus Ab Hohenheim (1493-1541), mejor conocido como Paracelso, establecer la relación entre bocio endémico y cretinismo. Este controvertido personaje estudio en la Universidad de Viena y escribió más de 300 libros, incluyendo 40 sobre medicina. También llamado Lutherus medicorum, Paracelso es considerado el Hipócrates del renacimiento y el precursor de la microquímica, la homeopatía, la antisepsia, y la psiquiatría. Sagazmente, en su obra De generatione stultorum, publicada póstumamente (1603), Paracelso enfatiza: “…aunque el bocio no es una característica de los idiotas, es frecuente observar su presencia entre ellos”. Atribuyo el bocio a las impurezas del agua y fue el primero en postular una relación hereditaria entre este y la idiocia congénita (5, 9, 17). En 1602, el medico suizo Felix Platter (1536-1614) en su Praxeos Medicinae, hace una descripción breve pero precisa de la sordomudez que caracteriza a algunos cretinos en los cantones de la región (5, 8, 12).

El primero en establecer que el bocio corresponde al crecimiento anormal de la glándula tiroides fue el neurofisiólogo suizo Albrecht von Haller (1708-1777), quien entre 1757 y 1766 publico los 8 volúmenes de Elementa Physiologiae Corporis Humani. Para los expertos, esta obra representa, después de la de Galeno, la mayor sistematización del conocimiento fisiológico del cuerpo humano lograda hasta ese entonces, y en ella von Haller agrupo al timo, a la tiroides y al bazo como “glándulas sin conductos”, señalando que se trata de órganos ricamente vascularizados, “… que vierten una sustancia especial hacia las venas y por lo tanto a la circulación general” .También hace una descripción detallada de los cretinos en la región de los Alpes, destacando que su aspecto difícilmente parece humano (fascies ipsis vix humana) (5, 7, 12).

El primer libro sobre bocio endémico: “Sui gozzi e sulla stupidita… dei cretini”, se publico en 1789 (Turín). Su autor es el patólogo y neuroanatomista piamontes Michaele Vincenzo Giacinto Malacarne (1744-1816), quien, un año mas tarde y utilizando material de necropsias, comparo el peso del cerebro y el cerebelo de sujetos sanos y de cretinos; así como el número de lamellae de las olivas cerebelosas. En “Lettre sur l’Ëtat des Crétins”, informo que el cerebelo de los cretinos es hipoplásico y que los huesos de la base del cráneo están reducidos de tamaño. Estos hallazgos le llevaron a proponer que el cretinismo es secundario al daño cerebral causado por el compromiso de la

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circulación cerebral provocada por el bocio. Este es el primer estudio que asocia bocio, cretinismo y función cerebral, y que ofrece una explicación anatomofisiológica al respecto (5, 12, 18).

Pocos años después, el medico forense de origen francés Francois Emmanuel Fodéré (1764-1835) publico: “Essai sur le goitre et le cretinage” (1792) y “Traité du goitre et du crétinisme” (1800). En estos trabajos, Fodére, quien tenía bocio, estableció la relación de este con el cretinismo; así como su distribución geográfica y familiar. También describió los cambios óseos, particularmente los observados en la base del cráneo. Sobre el aspecto y características intelectuales de los cretinos, dice: “Ici on ne reconnait pas l’homme. Frappé dans se caractères distinctifs, la pense et la parole, ce n’est plus ce maitre de la terre, qui calcule l’immenssite des cieux… Le mot crétin vient lui-meme de chrétien… titre qu’on donne a ces idiots, parce que, dit-on, ils sont incapables de commetre aucun péché” (En ellos, uno no reconoce a un ser humano. Despojado de sus características distintivas, el pensamiento y la palabra, ya no es mas el dueño de la tierra, que calcula la inmensidad de los cielos…La palabra cretino viene de cristiano… titulo que uno da a estos idiotas porque son incapaces de cometer pecado alguno), (5, 12).

Así, terminando el siglo XVIII, la glándula tiroides y el bocio obtienen carta de naturalización en la nosología médica. Sin embargo, será a partir de la segunda mitad del siguiente siglo y hasta el actual, cuando la función endocrina de la glándula y su relación con el cretinismo empiecen a develarse.

Tiroides, Yodo y la Sustancia Necesaria para la Nutrición Apropiada del Sistema Nervioso

La carencia nutricional de yodo es un problema de salud pública mundial y es la causa más frecuente –aunque inexcusable por ser prevenible- de bocio endémico y de daño cerebral y retardo mental o cretinismo. El yodo fue descubierto accidentalmente en 1811 por Bernard Courtois (1777-1838), un fabricante de salpeter (nitrato de potasio) que estudió farmacia en la École Polytechnique de París. En noviembre de 1813, se informo del hallazgo en el Instituto Imperial de Francia. Joseph Luís Gay-Lussac (1778-1850) en Francia, y (Sir) Humphry Davy (1778-1829) en Inglaterra, confirmaron el descubrimiento, y fue el químico inglés quien propuso el nombre de iodine que en griego (ιωδής) significa violeta. En 1820 el medico genoves Jean Francois Coindet (1774-1834), mostró que el yodo era el principio activo de la milenaria prescripción china a base de cenizas de algas y esponjas marinas. El éxito en pacientes con bocio rápidamente popularizo su uso para el tratamiento de un sin fin de enfermedades. Sin embargo, dado el conocimiento de ese entonces, las observaciones pioneras de Coindet estaban condenadas al descrédito, principalmente por las dosis utilizadas. Faltaban por venir los descubrimientos de Magnus-Levy, Baumann, Gudernatsch y Kendall, entre otros (cuadro 1), para empezar a comprender que el yodo, el halógeno natural más escaso en la biosfera, es un bioelemento esencial y el factor limitante en la biosíntesis de las hormonas tiroideas. Igualmente, era necesario establecer, de manera incuestionable, la función endocrina de la glándula o, como lo propuso originalmente (Sir) Víctor Alexander Haden Horsley (1857-1916): “que (la tiroides) debe secretar una sustancia necesaria para la nutrición apropiada del sistema nervioso”. Esto último ocurrió como sigue. En 1850, y basado en los hallazgos posmortem de un paciente de 6 meses de edad y otro de 10 años, el cirujano ingles Thomas Blizzard Curling (1811-1888), asocio, por primera vez, la ausencia total de la tiroides y el cretinismo. En 1873, (Sir) William Withey Gull (1816-1890) refirió el “estado cretinoide” de mujeres maduras, con o sin bocio. Unos años después (1877), William Miller Ord (1834-1902) propuso el vocablo “mixedema” para describir ese aspecto cretinoide que exhibían algunos pacientes adultos. En 1878, el extraordinario cirujano suizo Emil Theodor Kocher (1841-1917; recibió el premio Nóbel en 1909), acuño el término “cachexia strumipriva” para describir la secuela -mixedema- que provoca la tiroidectomía total en pacientes con

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bocio (struma). Las observaciones de Kocher, basadas en 1000 tiroidectomias, coincidían con las que en 1859 el fisiólogo Moritz Schiff (1823-1896) había reportado en perros y con las que entre 1884-1886 y trabajando con monos tiroidectomizados, informaría Horsley (vide supra). Finalmente, ya para concluir el siglo XIX, con la información aportada por la fisiología experimental y la medicina clínica, se demostraba que cretinismo, cachexia strumipriva y mixedema, eran, con diferentes nombres, una sola y la misma entidad nosológica secundaria a la deficiente función de la glándula tiroides (5, 9, 12-13).

Estos son los antecedentes inmediatos que abonaron el terreno y precipitaron el vertiginoso progreso en el conocimiento sobre la fisiología de la glándula tiroides que se resume en el cuadro 1. En estas memorias se da cuenta de los avances mas recientes y huelga decir que la historia aun no termina, continuara.

FISIOLOGÍA TIROIDEA. PRINCIPALES CONTRIBUCIONES AL CONOCIMIENTO

A Ñ O C O N T R I B U C I Ó N R E F E R E N C I A

1888 Informe del Comité ad hoc Sociedad Clínica de Londres

Ord WM (Chairman), Trans Clin Soc Lond (suppl) 21: 1-215

1891 Rx Mixedema con extractos glándulas tiroides de borrego

Murray GR. Brit Med J 2: 796-797

1895 Extractos tiroideos aumentan consumo de oxigeno (Q02)

Magnus Levy A. Berlin Klin Wochenschr 32: 650-652

1895 Descubrimiento del yodo en la glándula tiroides

Bauman E. Hoppe-Seyler’s Z Physiol Chemie 1: 319-330

1913-14 Metamorfosis. Renacuajos alimentados con g. tiroides de caballo

Gudernatsch JF. Am J Anat 15: 431-443

1915 Aislamiento de T4 Kendall EC. JAMA 64: 2042-2043

1919 Yodación sal de mesa y profilaxis bocio endémico

Marine D & Kimball OP. Arch Intern Med 4: 440-457

1927 Síntesis química de T4 Harington CR & Barger G. Biochem J 21: 168-183

1929 Descubrimiento de la TSH Loeb L & Basset RB. Proc Soc Exp Biol Med 26: 860-862

1938 Radioyodo en el estudio de la función tiroidea

Hertz S et al. Proc Soc Exp Biol Med 38: 510-513

1951 Control hipotalámico sobre la secreción de TSH hipofisiaria

Greer MA. Proc Soc Exp Biol Med 77: 603-608

1952 Descubrimiento de la T3 Gross J & Pitt-Rivers R. Lancet 1: 439-441

1969 Extracción, purificación y síntesis de TRH hipotalámico

Folkers et al. BBRC 37: 123-126; Burgus et al. C R Acad Sc Paris 268: 2116-2119

1970 Conversión (desyodación) de T4 a T3 Braverman LE et al. J Clin Invest 49: 855-864

1970-71 Radioinmunoensayos para T4 y T3 Brown BL et al. Nature 226: 359-366; Chopra IJ et al. JCEM 33: 865-868

1972 Descubrimiento receptores nucleares para T4 y T3

Oppenheimer JH et al. JCEM 35: 330-333

1986 Clonación de receptores nucleares para T3

Sap J et al. Nature 324: 635-640; Weinberger C et al. Nature 324: 641-646

1991 Clonación desyodasa tipo 1, D1 Berry MJ et al. Nature 343: 438-440

1996 Clonación del simportador sodio/iodo, NIS

Dai G et al. Nature 379, 458-460

1997 Clonación de la Pendrina, PDS Everett LA et al. Nat Genet |7: 411-422

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Bibliografía

1. Eknoyan G. 2004. Emergence of the concept of endocrine function and endocrinology. Adv Chronic Kidney Dis 11: 371-376

2. Henderson J. 2005. Ernest Starling and “hormones”: an historical commentary. J Endocrinol. 184: 5-10

3. Hillier SG. 2005. 100 years of hormones: pathway biology as the fifth force in endocrinology. J Endocrinol. 184: 3-4

4. Tata JR. 2005. One hundred years of hormones. EMBO. 6: 490-496

5. Medvei VC. A History of Endocrinology. MTP Press Limited. Falcon House. Lancaster, England, 1982

6. Merke, F. History and Iconography of Endemic Goitre and Cretinism. Lancaster, MTP Press. England, 1984

7. Miles M. 1998. Goitre, cretinism and iodine in South Asia: historical perspectives on a continuing scourge. Med Hist 42: 47-67

8. Leoutsakos V. 2007. A Short history of the thyroid gland. Hormones 3: 268-271

9. Asimov, I. Asimov’s Biographical Encyclopedia of Science and Technology. Doubleday & Co., Inc. Garden City, N. Y. 1972

10. Giampalmo A. 1996. The endemic goiter in figurative arts. Med Secolli 8: 85-103

11. Vescia FG and Basso L. 1997. Goiter in the Renaissance. Vesalius 3: 23-32

12. Droin G. 2005. Endemic goitre and cretinism in Alps: evolution of science and treatments, transformation of the pathology and its representations. Internat J Anthropol 20: 307-324

13. Sawin TC. Defining thyroid hormone: its nature and control. En: Endocrinology. People and Ideas. SM McCann (edit). American Physiological Society. Waverly Press, Inc. Baltimore, Maryland, 1988

14. Valverde-R C. Intercomunicación Celular y Neuroendocrinología: Estrategias y Mecanismos de Control y Regulación Celular. En: Aproximaciones de las Neurociencias a la Conducta. M Corsi Cabrera (Comp) pp. 261-284. Facultad de Psicología UNAM, México, 1996.

15. Bondeson L and Bondeson A-G. 2003. Michelangelo’s divine goitre. J R Soc Med 96: 609-611

16. Saunders JB de CM and O’Malley CD. The Anatomical Drawings of Andreas Vesalius. Bonanza Books, New York, 1982

17. Siddiqui M A, Mehta N J and Khan I A. 2003. Paracelsus: the Hippocrates of the Renaissance. J Med Biography 11: 78-80

18. Cherici C. 2006. Vincenzo Malacarne (1744-1816): a researcher in neurophysiology between anatomophysiology and electrical physiology of the human brain. C R Biologies 329: 319-329

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Thyroid hormone synthesis

Peter Kopp, Liuska Pesce, Sabine Schnyder, Juan Carlos Solis-S

Division of Endocrinology, Metabolism and Molecular Medicine, Feinberg School of Medicine, Northwestern University, Chicago IL 60611, USA Overview on Thyroid Hormone Synthesis

Thyroid hormone biosynthesis, storage, and secretion require a series of highly regulated steps (1, 2). Iodide, the rate-limiting substrate for thyroid hormone synthesis, is actively transported into thyroid follicular cells by the sodium-iodide symporter (NIS) at the basolateral membrane (Figure 1) (3). At the apical membrane, iodide efflux into the follicular lumen is mediated, at least in part, by pendrin (PDS/SLC26A4) (4). On the luminal side of the apical membrane, iodide is oxidized by thyroperoxidase (TPO), a reaction that requires the presence of hydrogen peroxide (H2O2) (1, 2). H2O2 is generated by a calcium-dependent flavoprotein enzyme system that includes the NADPH oxidase THOX2 (5, 6). In the follicular lumen, thyroglobulin (TG) serves as matrix for the synthesis of T4 and T3 (7). In a first step, TPO iodinates selected tyrosyl residues on TG, a process referred to as organification or iodination. This results in the formation of mono- and diiodotyrosines (MIT, DIT). In the subsequent coupling reaction, which is also catalyzed by TPO, two iodotyrosines are coupled to form T4 or T3. Iodinated TG is stored as colloid in the follicular lumen. In response to demand for thyroid hormone secretion, TG is internalized into the follicular cell by micro- and macropinocytosis, and digested in lysosomes. Subsequently, the thyronines T4 (~80%) and T3 (~20%) are released into the blood stream. MIT and DIT are deiodinated by the intracellular iodotyrosine dehalogenase 1 (DEHAL1) (8), and the released iodide is recycled for hormone synthesis.

Thyroid hormone synthesis is dependent on the nutritional availability of iodine and

predominantly regulated by TSH. TSH binds to its cognate receptor, a member of the G protein coupled seven trans-membrane receptors, which is expressed at the basolateral membrane (Figure 1).

Binding of TSH to its receptor

leads primarily to coupling to Gsαand subsequent activation of adenylyl cyclase. The increase in cAMP leads to phosphorylation of protein kinase A and to activation of targets in the cytosol and the nucleus. The TSH-dependent cAMP cascade is the major regulator of growth, differentiation, and hormone secretion of thyroid follicular cells. At higher doses of TSH, stimulation of Gq and the phospholipase C-dependent inositol phosphate Ca2+-diacylglycerol pathway acti-vates H2O2 generation and iodination.

TPO

PDS

I-NADPH+ NADPH

Thox2

Dehalogenase

MITDIT

Hydrolysis

O2H2O2

T3T4

MITDITT4T3

MITDIT

I- or HOI

CouplingOrganification TG TG

TPO

NIS

T3T4

I-

Na/K-ATPase

Na

K

DifferentiationGrowth

Hormone Synthesis

CREBCREMPAX8TTF1TTF2

GsGqACPLC

TSH

ATPPIP2

H2O2 GenerationIodination

cAMP

PKAPKC

DAG

IP3

Figure 1

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In addition to TSH, iodide uptake is inversely regulated by the intracellular iodide concentration, and the organification process is transiently blocked at high doses of intracellular iodide (Wolff-Chaikoff effect) (9). These autoregulatory mechanisms protect the thyroid from iodide while ensuring adequate iodide uptake for hormone synthesis. Defects in Thyroid Hormone Synthesis Congenital hypothyroidism

Congenital hypothyroidism affects about 1:3000-1:4000 infants . Congenital hypothyroidism is usually sporadic; in only 2% it occurs in a familial fashion. Screening programs now permit early recognition and treatment, thus avoiding the disastrous consequences of thyroid hormone deficiency on brain development.

A wide spectrum of genetic defects provides a molecular explanation for a relatively small subset of the sporadic and familial defects in pituitary and thyroid development, and for defects in thyrotropin and thyroid hormone synthesis (Figure 2) (10). In about 85%, congenital hypothyroidism is associated with developmental defects referred to as thyroid dysgenesis. They include thyroid (hemi)agenesis, ectopic tissue and thyroid hypoplasia. Dyshormogenesis, defects in normal hormone synthesis, account for about 10-15% of congenital hypothyroidism. This syllabus provides a short summary of the known genetic defects in thyroid hormone synthesis.

Defects of iodide transport Normal iodide uptake at the basolateral membrane by the perchlorate-sensitive sodium/iodide

symporter (NIS) is a rate-limiting step in thyroid hormone synthesis (Figure 1) (3). Following the cloning of the NIS gene, several homozygous or compound heterozygous mutations have been identified in individuals with hypothyroidism due to iodine trapping defects. Most patients with iodide trapping defects have a diffuse or nodular goiter, little or no uptake of radioiodide, and a decreased saliva/serum radioiodine ratio. In children, the thyroid may be initially of normal size and often enlarges later in life.

The precise molecular mechanisms by which NIS mutations directly cause iodide transport

defects have been identified in a subset of cases. The T354P mutation, an alteration that has been found in several patients from Japan, causes NIS to lose its functional ability to transport iodide (11). In contrast, the functional defects of two other NIS mutations (Q267E, S515X) are the consequence of defective cellular trafficking and failure of the mutant proteins to reach the plasma membrane (12). Thyroperoxidase

Thyroperoxidase (TPO), a glycosylated hemoprotein, catalyzes several essential reactions of thyroid hormone synthesis: oxidation of iodide, the iodination of tyrosine residues in thyroglobulin and the coupling of iodinated tyrosines to generate T4 and T3 (Figure 1) (1). TPO is the protein historically

Genetic defects associated with congenital hypothyroidism

TSH receptorGsαααα

Other inherited defects

TRH secretion

Combined pituitary hormone deficiency(PROP1, POUF1, Midline defects)TRH ReceptorTSH ββββ

Thyroid hormone biosynthesisSodium iodide symporterThyroperoxidaseThyroglobulinTHOX2 (H2O2 generation)Pendrin (Pendred ’s syndrome)Dehalogenase 1

Resistance to thyroid hormone

T4, T3

TSH

TRH

With hypoplastic gland With goiter

Developmental defectsAgenesisHemiagenesisEctopic glandHypoplasiaPAX8, TTF-2, TTF-1

Figure 2

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referred to as microsomal antigen in autoimmune thyroid disease. It is anchored in the membrane and has its catalytic site in the follicular lumen. The enzyme is closely related to myeloperoxidase and it is thought that they share a common ancestor; their chromosomal localizations are, however, distinct.

TPO defects are among the most frequent causes of inborn abnormalities of thyroid hormone synthesis (13). Due to the defective organification of iodide, these patients typically have a significant discharge of radioiodine after the administration of perchlorate. Mutations in the TPO gene have been reported in numerous families with a partial or total iodide organification defect (TIOD). While the overall incidence of congenital hypothyroidism is on average ~1:3,000, TIOD is thought to occur in ~1:66,000 of all infants with congenital hypothyroidism and almost all of these patients have homozygous or compound heterozygous mutations in the TPO gene (14). Pendred syndrome

Pendred syndrome is an autosomal, recessive disorder characterized by sensorineural deafness, goiter, and a positive perchlorate test (15). This disorder represents one of the most common forms of syndromic deafness, with an incidence estimated at 7.5 to 10 per 100,000 individuals (16). Although the classic presentation of the syndrome consists of the triad of deafness, goiter, and partial organification defect, the phenotypic expression of these components is highly variable among families and even within the same family. Sensorineural hearing loss, in most instances profound prelingual deafness, is the hallmark of Pendred syndrome. More rarely, the hearing impairment manifests itself later in life as a progressive hearing loss. High resolution magnetic resonance imaging of the inner ear reveals malformations of the vestibular aqueduct, endolymphatic duct, and endolymphatic sac in nearly 100% of individuals with a clinical diagnosis of Pendred syndrome. Goiter is the most variable component of the disorder, with some individuals developing very large goiters, while others present with minimal to no enlargement. While many patients with Pendred syndrome are euthyroid, others have subclinical or overt hypothyroidism.

Pendred syndrome is caused by mutations in the PDS gene, now officially designated

SCL26A4 (17). It encodes pendrin, a member of the Solute Carrier Family 26A, which contains several anion transporters and the motor protein prestin. Pendrin is predominantly expressed in the thyroid, the inner ear, and the kidney. In thyroid follicular cells, pendrin is inserted into the apical membrane and functional studies suggest that it is involved in apical iodide efflux from thyrocytes (4). These observations are consistent with the clinical phenotype, which is characterized by impaired iodide organification. In the kidney, pendrin is thought to act as a chloride-bicarbonate exchanger in β-intercalated cells of the cortical collecting duct, a subpopulation of cells that mediate bicarbonate secretion (18, 19). The critical role of pendrin in the inner ear has been corroborated by targeted disruption of the PDS gene in mice (20). Pds-/- mice develop early onset deafness and exhibit signs of vestibular dysfunction. In line with the enlargement of the endolymphatic system observed in human patients, analysis of the inner ear in these mice reveal dilated endolymphatic ducts and sacs beyond embryonic day 15, presumably as a consequence of defects in anion and fluid transport.

During the last few years, more than 100 PDS gene mutations have been described, indicating

marked allelic heterogeneity (See Pendred Syndrome Homepage (21)). The majority of PDS mutations are missense mutations and some of these mutants appear to be retained in the endoplasmic reticulum. A smaller number of mutations result in premature truncations or in alterations of splice donor or acceptor sites. Individuals with Pendred syndrome from consanguineous families are homozygous for PDS mutations, whereas sporadic cases typically harbor compound heterozygous mutations. Mutations in the PDS gene are not only found in patients with classic Pendred Syndrome, but also in individuals afflicted with familial enlarged vestibular aqueduct (EVA). Hydrogen peroxide generation

H2O2 is an essential factor in the iodination and coupling reactions (1, 2). The ability of follicular cells to produce H2O2 has been known for more than three decades, but the first insights into the

10

composition of this enzyme system are recent (5, 6). Among the two recently cloned NADPH oxidases, THOX1 and THOX2 (also referred to as DUOX1 and DUOX2), THOX2 is essential for thyroidal H2O2 generation. Structurally, these proteins contain seven putative transmembrane domains, four NADPH binding sites, one FAD binding site, and in line with the predicted regulation by calcium an EF (everted finger) motif (5, 6).

Heterozygous loss of function mutations in the THOX2 gene result in mild transient congenital hypothyroidism (22). Biallelic THOX2 mutations are associated with a severe phenotype and confirm that H2O2 is essential for iodide organification (22).

THOX2 (DUOX2) requires a maturation factor, DUOXA2, an ER-resident transmembrane

protein, in order to translocate to the cell membrane (23). Mutations in DUOX2 result in impaired trafficking to the cell membrane (24). Thyroglobulin

Thyroglobulin (TG) is produced by thyroid follicular cells and secreted into the follicular lumen (7). Some of its tyrosine residues are iodinated by TPO (organification/iodination), and the tyrosines MIT and DIT are subsequently coupled to form T3 and T4 (coupling). TG is therefore considered to be a thyroid hormone precursor. Besides its importance for hormone synthesis, TG allows storage of iodine and thyroid hormone and thus to adapt to scarce iodine supply.

The human TG gene is very large, spans about 270 kb and contains 48 exons. The transcription of the TG gene is controlled by transcription factors such as TTF-1 (NKX2.1), TTF-2 (FOXE1) and PAX 8. The TG protein monomer is composed of a 19-amino acid signal peptide followed by 2749 residues containing 66 tyrosines. TG contains an average number of tyrosine residues, altogether 67, but only a minority of these residues localized in the carboxy- and aminoterminus are hormonogenic sites. Complete hydrolysis of iodinated TG yields only 2 to 4 molecules of the iodothyroxines T4 and T3. The mature protein is formed by two units in noncovalent linkage (19 S TG). 10 % of the total weight is formed by carbohydrates and glycosylation plays an important role in the structure of the protein. The primary structure of the TG protein contains three regions with repetitive sequences with internal homology and the carboxy-terminal part shares remarkable homology with acetylcholinesterase. This structure suggests the possibility of a convergent origin of the TG gene from two different ancestral DNA sequences (7).

Defects of TG synthesis or secretion have been studied in several animal strains and human patients (25). TG gene defects are inherited in an autosomal recessive manner. The phenotype is typically characterized by goitrous enlargement of the thyroid. The metabolic status is variable and, depending on the severity of the defect, the patients are hypothyroid, subclinically hypothyroid, or euthyroid. Unless treated with levothyroxine, goiters are often remarkably large and display continuous growth. Symptoms caused by compression of adjacent neck structures can occur. The radioiodine uptake is elevated indicating an activation of the iodine concentration mechanism, due to chronic stimulation of TSH. In patients evaluated with a perchlorate discharge test, there is no increased release of radioiodine after administration of the competitor, indicating that the organification process itself is not affected. The serum TG levels can vary from low to low normal, and the presence of an abnormal TG level in a goitrous individual is suggestive for defective TG synthesis. An abnormal TG synthesis may also be suggested by the presence of abnormal iodoproteins in the serum. Since there is no normal intrathyroidal TG, albumin as well as other proteins are iodinated, generating iodotyrosines and iodohistidines.

Molecular analysis of several TG point mutations found in patients with congenital hypothyroidism and in the cog/cog mouse, which all present with goiters, reveal that at least some of these alterations result in a secretory defect and thus an endoplasmic reticulum storage disease (ERSD) (26, 27).

11

It has been proposed that TG mutations may be associated with non-endemic simple goiter. These results await, however, further confirmation; the TG gene contains multiple polymorphisms, and in the absence of functional data it remains unclear whether these reported alterations are indeed causally involved in the abnormal phenotype. Dehalogenase 1 defects

After entering the follicular cell, TG is hydrolyzed and T4 and T3 are secreted into the blood (Figure 1). The iodotyrosines, MIT and DIT, which are much more abundant in the TG molecule, are deiodinated by the intrathyroidal dehalogenase 1 (DEHAL1) and recycled for hormone synthesis. The intrathyroidal dehalogenase has been cloned recently (8).

In case of a defective dehalogenase system, MIT and DIT leak into the circulation and are excreted in the urine. This leads, especially if iodine is scarce, to a severe iodine-loss and thus to hypothyroidism and goiter. Clinically, patients with a deiodinase defect present with congenital hypothyroidism and a goitrous gland. The diagnosis is established by administration of radiolabeled DIT. Normally, DIT is deiodinated, whereas in the case of a defective dehalogenase, the majority is secreted unaltered as DIT in the urine. Furthermore, administration of iodide in sufficient amounts to compensate for the increased loss is able to reestablish an euthyroid metabolic state. The disorder is inherited in an autosomal recessive fashion. While only homozygotes are clinically affected, biochemical testing in heterozygotes demonstrates an increased secretion of labeled DIT in the urine. The clinical and biochemical phenotype of several kindreds have been studied (28), but definitive demonstration of DEHAL1 mutations is currently pending.

Acknowledgments The work of the authors has been supported by grant 1R01DK63024-01 from the National

Institutes of Health (to PK).

References 1. Taurog A 2000 Hormone synthesis: thyroid iodine metabolism. In: Braverman L, Utiger R (eds) Werner and Ingbar's the thyroid: a fundamental and clinical text. Lippincott, Williams & Wilkins, Philadelphia, 61-85.

2. Kopp P 2005 Thyroid hormone synthesis: thyroid iodine metabolism. In: Braverman L, Utiger R (eds) Werner and Ingbar's the thyroid: a fundamental and clinical text. Lippincott, Williams & Wilkins, Philadelphia, 52-76.

3. Dohan O, De la Vieja A, Paroder V, Riedel C, Artani M, Reed M, Ginter CS, et al. 2003 The sodium/iodide symporter (NIS): characterization, regulation, and medical significance Endocr Rev 24:48-77.

4. Gillam MP, Sidhaye A, Lee EJ, Rutishauser J, Waeber Stephan C, Kopp P 2004 Functional characterization of pendrin in a polarized cell system: evidence for pendrin-mediated apical iodide efflux J Biol Chem 279:13004–13010.

5. De Deken X, Wang D, Many MC, Costagliola S, Libert F, Vassart G, Dumont JE, et al. 2000 Cloning of two human thyroid cDNAs encoding new members of the NADPH oxidase family J Biol Chem 275:23227-23233.

6. De Deken X, Wang D, Dumont JE, Miot F 2002 Characterization of ThOX proteins as components of the thyroid H2O2-generating system Exp Cell Res 273:187-96.

7. Dunn JT, Dunn AD 2000 Thyroglobulin: chemistry, biosynthesis, and proteolysis. In: Braverman LE, Utiger RD (eds) Werner & Ingbar's The thyroid: a fundamental and clinical text. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, 91-104.

8. Moreno JC 2003 Identification of novel genes involved in congenital hypothyroidism using serial analysis of gene expression Horm Res 60:96-102.

9. Wolff J, Chaikoff I, Goldberg R, Meier J 1949 The temporary nature of the inhibitory action of excess iodide on organic iodide synthesis in the normal thyroid Endocrinology 45:504-513.

10. De Felice M, Di Lauro R 2004 Thyroid development and its disorders: genetics and molecular mechanisms Endocr Rev 25:722-46.

12

11. Levy O, Ginter CS, De la Vieja A, Levy D, Carrasco N 1998 Identification of a structural requirement for thyroid Na+/I- symporter (NIS) function from analysis of a mutation that causes human congenital hypothyroidism FEBS Lett 429:36-40.

12. Pohlenz J, Duprez L, Weiss RE, Vassart G, Refetoff S, Costagliola S 2000 Failure of membrane targeting causes the functional defect of two mutant sodium iodide symporters J Clin Endocrinol Metab 85:2366-2369.

13. Bikker H, Vulsma T, Baas F, de Vijlder JJ 1995 Identification of five novel inactivating mutations in the thyroid peroxidase gene by denaturing gradient gel electrophoresis Human Mutation 6:9-16.

14. Bakker B, Bikker H, Vulsma T, de Randamie JS, Wiedijk BM, De Vijlder JJ 2000 Two decades of screening for congenital hypothyroidism in The Netherlands: TPO gene mutations in total iodide organification defects (an update) J Clin Endocrinol Metab 85:3708-3712.

15. Kopp P 2000 Pendred's syndrome and genetic defects in thyroid hormone synthesis Rev Endocr Metabol Dis 1/2:109-121.

16. Fraser GR 1965 Association of congenital deafness with goitre (Pendred's syndrome) Ann Hum Genet 28:201-249.

17. Everett LA, Glaser B, Beck JC, Idol JR, Buchs A, Heyman M, Adawi F, et al. 1997 Pendred syndrome is caused by mutations in a putative sulphate transporter gene (PDS) Nature Genet 17:411-422.

18. Soleimani M, Greeley T, Petrovic S, Wang Z, Amlal H, Kopp P, Burnham CE 2001 Pendrin: an apical Cl-/OH-

/HCO3- exchanger in the kidney cortex Am J Physiol Renal Physiol 280:F356-F364.

19. Royaux IE, Wall SM, Karniski LP, Everett LA, Suzuki K, Knepper MA, Green ED 2001 Pendrin, encoded by the Pendred syndrome gene, resides in the apical region of renal intercalated cells and mediates bicarbonate secretion Proc Natl Acad Sci U S A 98:4221-4226.

20. Everett LA, Belyantseva IA, Noben-Trauth K, Cantos R, Chen A, Thakkar SI, Hoogstraten-Miller SL, et al. 2001 Targeted disruption of mouse Pds provides insight about the inner-ear defects encountered in Pendred syndrome Hum Mol Genet 10:153-161.

21. Chang E, Kölln K, Nishimura C, Fischer S, Smith R Pendred/BOR Homepage. University of Iowa, Iowa City. http://www.healthcare.uiowa.edu/labs/pendredandbor/.

22. Moreno JC, Bikker H, Kempers MJ, van Trotsenburg AS, Baas F, de Vijlder JJ, Vulsma T, et al. 2002 Inactivating mutations in the gene for thyroid oxidase 2 (THOX2) and congenital hypothyroidism N Engl J Med 347:95-102.

23. Grasberger H, Refetoff S 2006 Identification of the maturation factor for dual oxidase. Evolution of an eukaryotic operon equivalent J Biol Chem 281:18269-72.

24. Grasberger H, X DED, Miot F, Pohlenz J, Refetoff S 2007 Missense Mutations of Dual Oxidase 2 (DUOX2) implicated in congenital hypothyroidism have impaired trafficking in cells reconstituted with DUOX2 maturation factor Mol Endocrinol

25. Vono-Toniolo J, Rivolta CM, Targovnik HM, Medeiros-Neto G, Kopp P 2005 Naturally occurring mutations in the thyroglobulin gene Thyroid 15:1021-33.

26. Kim PS, Hossain SA, Park YN, Lee I, Yoo SE, Arvan P 1998 A single amino acid change in the acetylcholinesterase-like domain of thyroglobulin causes congenital goiter with hypothyroidism in the cog/cog mouse: a model of human endoplasmic reticulum storage diseases Proc Natl Acad Sci U S A 95:9909-9913.

27. Kim PS, Arvan P 1998 Endocrinopathies in the family of endoplasmic reticulum (ER) storage diseases: disorders of protein trafficking and the role of ER molecular chaperones Endocr Rev 19:173-202.

28. Medeiros-Neto G, Stanbury JB 1994 The iodotyrosine deiodinase defect. In: Medeiros-Neto G, Stanbury JB (eds) Inherited disorders of the thyroid system. CRC Press, Boca Raton, FL, 139-159.

13

Thyroid Hormone Transporters Theo J Visser. Department of Internal Medicine, Erasmus University Medical Center, Rotterdam, The Netherlands Introduction.

Thyroxine (3,3’,5,5’-tetraiodothyronine, T4) is the predominant compound secreted by thyroid follicular cells. It is generally regarded as a prohormone with little or no intrinsic biological activity. The major bioactive form of thyroid hormone is 3,3’,5-triiodothyronine, only a small part of which is secreted by the thyroid whereas most T3 is generated by the so-called outer ring deiodination (ORD) of T4 in peripheral tissues (1, 2). Both T4 and T3 are inactivated by inner ring deiodination (IRD) to the metabolites 3,3’,5’-triiodothyronine (rT3) and 3,3’-diiodothyronine (T2).

Three iodothyronine deiodinases (D1-3) are involved in the enzymatic deiodination of thyroid hormone (Fig. 1) (1, 2). D1 is localized in thyroid, liver and kidneys. It has both ORD and IRD activity and appears especially important for the recovery of iodide from inactive thyroid hormone metabolites such as rT3 and T3 sulphate. However, D1 is also thought to be an important source of circulating T3 in humans. D2 has only ORD activity and is expressed in brain, pituitary, thyroid and to some extent also in skeletal muscle (1, 2). Although in the latter tissues D2 may contribute to serum T3, in brain and pituitary it is particularly important for local T3 production. Finally D3 has only IRD activity and is expressed in brain, different foetal tissues, placenta and pregnant uterus (1, 2). D3 plays an important role in regulating local tissue and circulating T3 not only during foetal development but also later in life. It is also the major site for production of serum rT3.

D1-3 are homologous selenoproteins which contain a single transmembrane domain. Although a different topology has been suggested for D3, the deiodinases are embedded in the plasma membrane or endoplasmic reticulum such that the enzyme active centers are facing the cytoplasm (1, 2).

Thyroid hormone is essential for the development and function of different tissues, in particular the brain (3, 4). Most actions of thyroid hormone are exerted through the T3 receptor (TR) which binds - usually as a heterodimer with the retinoid X receptor (RXR) - to T3 response elements (TREs) in the promoter regions of target genes (Fig. 1) (5, 6). Binding of T3 to its receptor results in a change in the composition of proteins associated with TR/RXR and consequently in the transcription of the relevant genes. Cellular in- and efflux of thyroid hormone.

From the above it is obvious that both action and metabolism of thyroid hormone are intracellular events which require the transport of iodothyronines across the plasma membrane. It has been thought for a long time that diffusion of the lipophilic hormone through the lipid bilayer of the cell membrane is perfectly feasible. However, the cell membrane not only has a lipid core but also polar surfaces. Also, the structure of thyroid hormone consists of hydrophobic aromatic rings and iodine substituents as well as a hydrophilic alanine side chain. Therefore, diffusion of thyroid hormone into the cell is strongly hindered by unfavourable interactions of the hormone with the plasma membrane.

14

Indeed much evidence has

been published over the last three decades that cellular uptake and efflux of thyroid hormone do not take place by simple diffusion but are mediated by transporters (Fig. 1) (7). In vitro studies using isolated cells and perfusion of isolated tissue and in vivo studies in rats and humans have also strongly suggested that plasma membrane transport plays a rate-determining role in the hepatic metabolism of thyroid hormone, including the conversion of T4 to T3 (7).

During the last few years thyroid hormone transporters have been characterized at the

molecular level (7-11), including the Na+-taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP), different members of the Na+-independent organic anion transporting polypeptide (OATP) family, the heterodimeric L-type amino acid transporters LAT1, LAT2, and the monocarboxylate transporters MCT8 and MCT10. Most of these transporters accept a variety of ligands, but OATP1C1, MCT8 and MCT10 show a high specificity towards iodothyronines (10, 12, 13).

OATP1C1 is almost exclusively expressed in brain capillaries, and may be crucial for the transport of the prohormone T4 across the blood-brain barrier (13, 14). MCT8 is also expressed - among other tissues - in the brain, in particular in neurons (14, 15). MCT8 appears especially important for the uptake of the active hormone T3 into these cells, which is essential for optimal brain development. This T3 is produced from T4 by D2 in adjacent astrocytes. The neurons express D3 which terminates T3 activity.

The MCT8 gene is located on chromosome Xq13.2 and mutations in MCT8 have recently been associated with a syndrome combining severe X-linked psychomotor retardation, low serum T4 and strongly elevated T3 levels (16, 17). The mechanism of this disease involves a defect in the neuronal entry of T3, and thus in the action and metabolism of T3 in these cells, resulting in an impaired neurological development as well as a decrease in T3 clearance (16). This syndrome has now been documented in over 20 families and represents a novel mechanism of thyroid hormone resistance due to an impaired uptake of T3 in target cells.

MCT8 null mice have been investigated by two groups with the same surprising results, showing exactly the same changes in thyroid hormone levels as affected patients but without any obvious neurological impairment (18, 19). MCT8 null mice show high liver and kidney D1, high brain and pituitary D2, and low brain D3 activities, changes which contribute to the abnormal serum thyroid parameters. MCT8 is importantly expressed in the hypothalamic area which explains the defect in negative feed-back action of thyroid hormone on TRH production and secretion (19, 20). Perhaps the most impressive demonstration of the function of MCT8 is the dramatic decrease in brain T3 uptake in MCT8 null versus wild-type mice (19).

Figure. 1. Thyroid hormone transport, metabolism and action in a T3 target cell.

T4

T3 T3

T2

rT3

TRE

mRNA

Protein

Nucleus

D1

D2

D3

T4

D2

D3

RXRTR

15

References 1. Bianco AC, Kim BW 2006 Deiodinases: implications of the local control of thyroid hormone action. J Clin Invest 116:2571-9

2. Kohrle J 2007 Thyroid hormone transporters in health and disease: advances in thyroid hormone deiodination. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 21:173-91

3. Bernal J 2005 Thyroid hormones and brain development. Vitam Horm 71:95-122

4. Morreale de Escobar G, Obregon MJ, Escobar del Rey F 2004 Role of thyroid hormone during early brain development. Eur J Endocrinol 151 Suppl 3:U25-37

5. Yen PM 2001 Physiological and molecular basis of thyroid hormone action. Physiol Rev 81:1097-142

6. Oetting A, Yen PM 2007 New insights into thyroid hormone action. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 21:193-208

7. Hennemann G, Docter R, Friesema EC, de Jong M, Krenning EP, Visser TJ 2001 Plasma membrane transport of thyroid hormones and its role in thyroid hormone metabolism and bioavailability. Endocr Rev 22:451-76

8. Hagenbuch B 2007 Cellular entry of thyroid hormones by organic anion transporting polypeptides. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 21:209-21

9. Taylor PM, Ritchie JW 2007 Tissue uptake of thyroid hormone by amino acid transporters. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 21:237-51

10. Visser WE, Friesema EC, Jansen J, Visser TJ 2007 Thyroid hormone transport by monocarboxylate transporters. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 21:223-36

11. Jansen J, Friesema EC, Milici C, Visser TJ 2005 Thyroid hormone transporters in health and disease. Thyroid 15:757-68

12. Friesema EC, Ganguly S, Abdalla A, Manning Fox JE, Halestrap AP, Visser TJ 2003 Identification of monocarboxylate transporter 8 as a specific thyroid hormone transporter. J Biol Chem 278:40128-35

13. Pizzagalli F, Hagenbuch B, Stieger B, Klenk U, Folkers G, Meier PJ 2002 Identification of a novel human organic anion transporting polypeptide as a high affinity thyroxine transporter. Mol Endocrinol 16:2283-96

14. Heuer H 2007 The importance of thyroid hormone transporters for brain development and function. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 21:265-76

15. Heuer H, Maier MK, Iden S, et al 2005 The monocarboxylate transporter 8 linked to human psychomotor retardation is highly expressed in thyroid hormone-sensitive neuron populations. Endocrinology 146:1701-6

16. Friesema EC, Jansen J, Heuer H, Trajkovic M, Bauer K, Visser TJ 2006 Mechanisms of disease: psychomotor retardation and high T3 levels caused by mutations in monocarboxylate transporter 8. Nat Clin Pract Endocrinol Metab 2:512-23

17. Schwartz CE, Stevenson RE 2007 The MCT8 thyroid hormone transporters and Allan-Herndon-Dudley syndrome. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab 21:307-21

18. Dumitrescu AM, Liao XH, Best TB, Brockmann K, Refetoff S 2004 A novel syndrome combining thyroid and neurological abnormalities is associated with mutations in a monocarboxylate transporter gene. Am J Hum Genet 74:168-75

19. Trajkovic M, Visser TJ, Mittag J, et al 2007 Abnormal thyroid hormone metabolism in mice lacking the monocarboxylate transporter 8. J Clin Invest 117:627-35

20. Fliers E, Alkemade A, Wiersinga WM, Swaab DF 2006 Hypothalamic thyroid hormone feedback in health and disease. Prog Brain Res 153:189-207

16

Thyroid Hormone Metabolism

Aurea Orozco and Carlos Valverde-R.

Departamento de Neurobiología Celular y Molecular. Instituto de Neurobiología. UNAM, México. Introducción.

Thyroid hormone 3,5,3'-triiodothyronine (T3) and its precursor thyroxine (T4) are iodinated compounds known to influence gene expression in virtually every vertebrate tissue. Fundamentally,

thyroid hormone (TH) signaling results from the interaction of nuclear TH receptors (TRs) with specific target gene promoters, a process that can either enhance or repress transcription (Figure 1). This process is modulated via binding of TH, the ligand, to the TRs, which results in rearrangement in the composition of the transcriptional complex (reviewed by 1-2). Signaling through this pathway is sensitive to changes in serum TH concentrations. The current paradigm of TH action also recognizes

that TH signaling in individual tissues can change even as serum hormone concentrations remain relatively constant due to intracellular local activation or inactivation of TH (reviewed by 3-4). The mechanism underlying this physiological regulation is deiodination.

Figure 1. TH regulate gene transcription. In order to exert their biological action, T4 or T3 must enter the target cell, but it is T3 the hormone that binds to nuclear TRs. These receptors are in turn bound to thyroid hormone response elements (TRE) in the promoter region of TH-dependent genes.

The iodothyronine deiodinases D1, D2, and D3 regulate the activity of TH via removal of specific iodine atoms from the precursor molecule T4 (Figure 2) These 3 enzymes constitute a group of

dimeric integral membrane proteins that can activate or inactivate TH, depending on whether they act on the phenolic or tyrosil rings of the iodothyronines, respectively. D2 generates the active form of TH T3 via deiodination of T4.

In contrast, D3 inactivates T3 and, to a lesser extent, prevents T4 from being activated. Finally, D1 activates or inactivates T4 on an equimolar basis, and its role in health remains to be clarified (Table 1), (reviewed by 5).

The activity of the deiodinases can substantially alter TH signaling in a given cell. While the total concentration of circulating T4 exceeds that of T3 by 2 orders of magnitude, T4 is tightly bound to carrier proteins, and the free concentrations of T4

and T3 are quite similar. Both enter the cell via transporters, including the monocarboxylate transporter 8 and the organic anion transporting polypeptide C1 (6). Once inside the cell, T4 can be activated via conversion to T3 by the D2 pathway,

such that the cytoplasmic pool of T3 includes both T3 from the plasma (T3[T3]) and T3 generated by D2 (T3[T4]), (Figure 3). Alternatively, D3 acts at the plasma membrane to decrease local T3 concentrations. Thus, the deiodinases are critical determinants of the cytoplasmic T3 pool and therefore modulate nuclear T3

concentration and TR saturation. In normal rats, the D2 pathway is responsible for about half of the nuclear T3 content in the brain, pituitary gland, and brown adipose tissue (reviewed by 4-5, 7).

T3

TR mRNA

T4

T3

T3

T3

TRTR mRNAmRNA

T4

T3

17

Figure 2. The reactions catalyzed by the deiodinases remove iodine atoms from the phenolic (outer) or tyrosil (inner) rings of the iodothyronines. These pathways can activate T4 by transforming it into T3 (via D1 or D2) or prevent it from being activated by converting it to the metabolically inactive form, reverse T3 (via D1 or D3).

Table 1. Human iodothyronine deiodinases Parameter D1 D2 D3 Biochemical properties

Preferred substrates rT3, T3S T4, rT3 T3, T4 Half-life Several hours ~ 20 min Several hours Subcellular location Plasma membrana Endoplasmic reticulum Plasma membrane Tissues with high activity

Liver, kidney CNS, pituitary, BAT, placenta

Placenta, CNS, endotelial cells

Response to elevated T4 and T3

Transcriptional ↑↑↑ ↓ ↑↑ Posttranslational ? ↓ ↓ ↓ (Ubiquitination) ? Physiological regulation

Induction T3

Cold exposure,

overfeeding, catecholamines, bile

acids, cAMP

Tissue injury, T3, TGF-β, growth factors

Repression Fasting, illness T3, GH, glucocorticoids

Physiological role Clearance of rT3 and T3S

Provides intracellular T3, major source of plasma

T3, thermogenesis, development,

Development, clearance of T3 and T4, avoidance

of intracellular production

Role in desease Main source of plasma T3 in hyperthyroid patients ?

Consumptive hypothyroidism, increased T4/T3

clearance in pregnancy Where: T3S: T3 sulphate; Modified from (7)

-R -O- HO-

I I

T4

I I T3

-R -O- HO-

I I

I

rT3

-R -O- HO-

I I

I

-R -O- HO-

I I

3,3’-T2

-R -O- HO-

I

I

3’,5’-T2 3,5-T2

-R -O- HO-

I

I

18

Figure 3. The thyrotroph: an example of T3 homeostasis. T3 can arrive in the nucleus from 2 distinct sources: plasma T3, illustrated as T3[T3]; and plasma T4, which is then converted to T3 intracellularly via the D2 pathway, represented as T3[T4]. D2-mediated T4-to-T3 conversion occurs at variable rates, decreasing as serum T4 concentration increases. Ultimately, these processes determine nuclear TR saturation, which includes contributions from both T3(T3) and T3(T4) as indicated, with only a minor fraction of the TRs being unoccupied under normal conditions. Taken from (7).

Abnormalities in deiodinase activity are important in a number of clinical settings. The best-known example is critical illness, during which changes in deiodinase activities are linked to complex alterations in TH metabolism. Another common setting is patients being treated with amiodarone, an

antiarrhythmic drug well known to alter thyroid function tests via both direct actions on the thyroid and inhibition of T4

activation. While rare, vascular tumors with high D3 activity have been shown to cause severe hypothyroidism in both adults and children. Increased D3 activity as a general mechanism may have much broader clinical relevance; as fetoplacental and uterine D3 activity increase dramatically during pregnancy. This activity may be the cause of increased L-thyroxine requirements in pregnant patients with hypothyroidism. Individuals with genetic alterations in the deiodinases have not yet been identified, though the clinical implications of several polymorphisms are under investigation.

Understanding the signaling pathways these enzymes are involved with could have therapeutic utility for all of these clinical settings (reviewed by 4, 7). Deiodinases in thyroid homeostasis

Serum T3 levels are relatively constant in healthy subjects; a finding that is not surprising considering that T3 is such a pleiotropic molecule. The deiodinase signaling pathways in peripheral tissues constitute a major determinant of plasma T3 level, since all T3 generated in the cytoplasm eventually exits the cell, unless of course it is intracellularly metabolized. In fact, extrathyroidal pathways have been estimated to contribute about 80% of T3 produced daily in healthy subjects (8). The D2 pathway is thought to be the major source of extrathyroidal T3 production in humans based on a number of clinical studies (reviewed by 7). In contrast, D1 activity is increased in patients with hyperthyroidism so that this pathway becomes the predominant extrathyroidal source of T3 in this pathology (9). This D1 predominance underlies the rapid fall in serum T3 concentrations that occurs in hyperthyroid patients treated with propylthiouracil (PTU), an antithyroid drug that selectively inhibits D1-mediated T3

production. The D3 pathway is recognized as being the predominant means for clearance of plasma T3. A dramatic example of the potency of the D3 pathway in determining serum T3 concentrations is shown in the syndrome of consumptive hypothyroidism, in which T4 and T3 clearance rates are greatly accelerated because of the presence of large infantile hepatic hemangiomas with high levels of D3 activity (Table 1) (reviewed by 7).

The activity of deiodinases is tightly integrated and thus promotes the maintenance of both, serum and intracellular T3 concentrations. Fluctuations in serum T4 and T3 concentrations lead to homeostatic, reciprocal changes in the activity of D2 and D3 (3-5). As serum T3 concentrations

increase, expression of Dio3, which encodes D3, is upregulated, increasing T3 clearance, while

expression of Dio2, which encodes D2, is modestly downregulated, decreasing T3 production. Conversely, if serum T3 concentrations were to fall, downregulation of the D3 pathway would decrease

the clearance of T3. The homeostatic role of D1 is less intuitive, as Dio1 is T3 responsive (9). Given that D1 can deiodinate the phenolic and tyrosil rings of T4 with equal facility, D1 in effect activates only

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1 of every 2 molecules of T4. Thus, D1’s homeostatic function may be to drift T4 away from the D2 pathway, therefore providing some degree of protection against the development of hyperthyroidism when serum T4 concentrations increase (Table 1).

Another D2-mediated regulatory mechanism relevant to T3 homeostasis is its covalent attachment to the approximately 8-kDa protein ubiquitin, which inactivates the enzyme. Like other ubiquitinated proteins, D2 is degraded in the large protease complexes known as proteasomes, but D2 can also be reactivated by von Hippel–Lindau protein–interacting deubiquitinating enzymes 1 and 2 (VDU1 and VDU2, respectively). D2 ubiquitination accelerates in proportion to T4 concentration, creating a feedback loop controlling D2-mediated T3 production. Therefore, if serum T4 concentrations fall, activation of the D2 pathway compensates, at least in part, for the lowered substrate concentration by increasing the relative proportion of T4 converted to T3 (reviewed by 7, 10).

Deiodinases in development. Thyroid hormone has well-known important developmental functions (11). Serum thyroid

hormone concentrations are generally low during development, and the contrast between serum and tissue T3 content afforded by the deiodinases is thus particularly critical for developing structures (11-12,). Signaling via TH is tightly regulated both spatially and temporally via the expression pattern of deiodinases. The thyroid hormone–inactivating D3 pathway is highly stimulated during development, with a tissue distribution much broader than that in adults. The expression pattern of D3 limits thyroid hormone signaling locally in developing structures and also systemically by lowering serum T3 concentrations. Proper D3 expression is also critical for the development of the hypothalamic-pituitary-thyroid axis itself, as evidenced by the observations that mice with targeted disruption of the Dio3 gene (D3KO mice) have central hypothyroidism after being exposed to high serum T3 concentrations late in embryonic life and for the first 10 days after birth (13). The regulatory mechanisms underlying the developmental expression of Dio3 remain a subject of active interest; notably, the morphogen TGF-ß has been found to be a potent stimulant of Dio3 transcription (reviewed by 7).

The expression of Dio2 is more limited during development. Bursts of D2 activity occur in some

tissues, allowing for increased thyroid hormone signaling in both spatially and temporally specific

patterns. For example, there is a 3-day peak of Dio2 expression and activity in the cochlea of mice from postnatal days 7–10; if absent, mice are severely hearing impaired. Dio2 mRNA is localized to structures that give rise to the bony labyrinth whereas T3 nuclear receptors are limited to the sensory epithelium, suggesting a paracrine pathway of D2-mediated T3 production and action in cochlear development (reviewed by 4, 7, 12). Acknowledgements The authors have been supported by grants from UNAM-PAPIIT IN202807 and Conacyt 54282. References. 1. Wu Y. and Koenig R.J. 2000. Gene regulation by thyroid hormone. Trends Endocrinol. Metab. 11:207–211.

2. Yen P.M., et al. 2006. Thyroid hormone action at the cellular, genomic and target gene levels. Mol. Cell. Endocrinol. 246:121–127.

3. St. Germain D.L. and Galton V.A. 1997. The deiodinase family of selenoproteins. Thyroid. 7:655–668.

4. Bianco A.C., Salvatore D., Gereben B., Berry M.J., Larsen P.R. 2002. Biochemistry, cellular and molecular biology and physiological roles of the iodothyronine selenodeiodinases. Endocr. Rev. 23:38–89.

5. Kuiper G.G., Kester M.H., Peeters R.P., Visser T.J. 2005. Biochemical mechanisms of thyroid hormone deiodination. Thyroid. 15:787–798.

6. Jansen J., Friesema E.C., Milici C., Visser T.J. 2005. Thyroid hormone transporters in health and disease. Thyroid. 15:757–768.

20

7. Bianco AC and Kim BW. 2006. Deiodinases: implications of the local control of thyroid hormone action. J. Clin. Invest. 116:2571–2579.

8. Schimmel M. and Utiger R.D. 1977. Thyroidal and peripheral production of thyroid hormones. Review of recent findings and their clinical implications. Ann. Intern. Med. 87:760–768.

9. Zavacki A.M., et al. 2005. Type 1 iodothyronine deiodinase is a sensitive marker of peripheral thyroid status in the mouse. Endocrinology. 146:1568–1575.

10. Bianco A.C. and Larsen P.R. 2005. Cellular and structural biology of the deiodinases. Thyroid. 15:777–786.

11. Galton V.A. 2005. The roles of the iodothyronine deiodinases in mammalian development. Thyroid. 15:823–834.

12. St. Germain D.L., Hernandez A., Schneider M.J., Galton V.A. 2005. Insights into the role of deiodinases from studies of genetically modified animals. Thyroid. 15:905–916.

13. Hernandez A., Martinez M.E., Fiering S., Galton V.A., St. Germain D. 2006. Type 3 deiodinase is critical for the maturation and function of the thyroid axis. J. Clin. Invest. 116:476–484.

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The Type 3 Deiodinase (D3) and the Central Nervous System Arturo Hernandez Department of Medicine, Dartmouth Medical School, Lebanon, New Hampshire, USA

Importance of Thyroid Hormone in Brain Development Thyroid hormones (TH) have important biological roles in mammals, as they affect many

physiological functions including growth, development and metabolism. In particular, it is in the central nervous system (CNS) where their developmental impact is most dramatic (1). A lack of TH during development produces in humans the syndrome of cretinism, which is characterized by severe abnormalities in brain function including ataxia and poor motor skills, severe mental retardation and sensory deficits (1). Similar consequences of congenital hypothyroidism have been observed in rodents. Studies in animal models have shown that TH regulate cell proliferation, differentiation and migration in the developing brain, as well as affect important neural processes as myelinization and synaptic plasticity (2). Although the molecular mechanisms underlying the effects of TH in the CNS have not been fully delineated, a number of TH-regulated genes have been identified in the developing and adult brain (3, 4) and it is likely that the abnormal expression of some of these genes or others yet to be discovered mediates the detrimental effects of the lack of TH.

Local Regulation of Thyroid Hormone Availability: the Type 3 Deiodinase (D3)

The availability of TH to brain cells is regulated by several factors including i) the concentrations of TH in the serum; ii) the MCT8 TH transporter; and iii) the activities of the deiodinase enzymes. Serum TH levels depend primarily on the function of the thyroid axis. Thus, TH are secreted to the plasma by the thyroid gland in response to stimulation by thyrotropin stimulating hormone (TSH). TSH is produced and secreted by the anterior pituitary in response to thyrotropin releasing hormone (TRH) produced in the hypothalamus. To close the regulatory loop, serum TH have a negative feedback effect on the production of TRH and TSH at the pituitary and hypothalamic levels.

The MCT8 transporter is highly expressed in the brain, in which it can specifically and efficiently

transport both TH into neurons. The lack of a functional MCT8 protein in humans has been shown to have extremely severe consequences for the CNS (5).

Finally, the three types of deioidinase

enzymes,termed D1, D2 and D3, are able to remove iodine atoms from different positions of the chemical structure of TH resulting in either the activation or inactivation of TH action (6). In particular the type 3 deiodinase (D3) is exclusively an inactivating enzyme (7), as it converts both the pro-hormone T4 and the active hormone T3 into inactive metabolites (Fig. 1).

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D3 Pattern of Expression: The significance for the Central Nervous System For years it has been assumed that the function of the D3 was that of protection of tissues from the

unwanted biological effects of an excess of TH. This notion was supported not only by its biochemical function, but also by its accentuated developmental pattern of expression. D3 is highly expressed in the pregnant uterus and the feto-placental unit (8, 9) and, in most tissues, the expression sharply declines during neonatal life and adulthood. This high D3 activity coincides with the low circulating levels of TH in the fetus, that are only 5 to 20% of those found in an adult (10), and suggests a role for D3 in modulating fetal exposure to TH during perinatal life.

In the CNS, the expression pattern is different from most tissues as D3 is highly expressed both in

the developing and in the adult brain, with various brain regions exhibiting different expression levels at a given developmental stage. It is interesting that in situ hybridization studies in newborn rat brains have shown that D3 mRNA expression is transiently very high in the hypothalamus, preoptic area and bed nucleus of the stria terminalis, areas that are related to the sexual differentiation of the brain (11).

The D3KO Mouse as a Model of Brain Thyrotoxicosis Although numerous studies have shown the detrimental effects of hypothyroidism on the central

nervous system during development, not many investigators have analyzed the effects of an excess of TH during this critical stage, and few animal models have been available to address this issue. One such model is the so-called neonatal-T4 syndrome (Neo-T4), first described almost forty years ago. In this model, newborn rats were injected daily with pharmacological doses of T4 for several days during neonatal life (12, 13). As adults, these rats would be growth retarded and eventually developed central defects in the thyroid axis resulting in central hypothyroidism.

A new genetic model of thyrotoxicosis has now been developed. By targeting the D3 gene in

mouse embryonic stem cells, a mouse model lacking an active D3 protein has been generated (14, 15). The inactivation of D3 results in developmental thyrotoxicosis, with high T3 serum levels and increased T3 content in the developing brain (Fig 2). This results in abnormal gene expression in the CNS (15). As adults, these animals develop central hypothyroidism, characterized by moderately low serum levels of T3 and T4 and very modest elevation of serum TSH (15). Interestingly the adult D3KO brain exhibits an increase in T3 content when compared with wild-type animals (Fig. 2), suggesting that D3 inactivation causes adult thyrotoxicosis in the brain despite the serum TH levels being lower than normal.

Because of the protective, marked induction of brain D3 activity observed in normal animals facing hyperthyroid conditions, the D3KO mouse should be a better model to analyze the effects of TH overexposure in the developing and adult CNS. Indeed, preliminary studies in this animal model shows that D3 inactivation results in severe abnormalities in brain structure and function, as well as in gene expression and T3 content (15).

Genomic Imprinting of the D3 Gene: Implications for Neurodevelopmental Disorders

One of the most intriguing features of the D3 gene (termed Dio3) is that is subject to genomic imprinting (GI), an epigenetic phenomenon that affects a small proportion of genes. GI results in imprinted genes being expressed exclusive or preferentially from one of the alleles, depending on the

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parental origin (16). Thus, using the mutation present in the D3KO mouse to distinguish between expressed alleles, we have shown that Dio3 is preferentially –but not exclusively- expressed from the allele inherited from the father in the mouse fetus (Fig. 3) (17).

Imprinted genes are usually located in clusters and their allele-

specific regulation is due to germ cell sex-specific DNA methylation in critical regulatory regions of the imprinted chromosomal domain (16). Abnormalities in the regulation of GI is the cause of various developmental disorders typically characterized by deficiencies in growth and in the central nervous system, the latter affecting motor and sensory functions, social behavior and cognition (18, 19).

Most imprinted genes described to date are functionally related to developmental growth and/or

behavior and are expressed in the placenta and the brain (16). This pattern of expression conforms well to that of Dio3, and preliminary analysis of the D3KO phenotype also suggests that similarly to other imprinted genes D3 function is important for development, growth and brain function.

The imprinting of the D3 gene, along with its potential involvement in brain sexual differentiation

and the abnormalities in brain structure and function observed in the D3KO brain, suggest that the D3KO mouse may be an important model to analyze the neurobiology of certain neurodevelopmental disorders. The increasing evidence indicating a significant effect of environmental factors on DNA methylation and GI (20-23), suggests that alterations in brain D3 expression due to environmentally-driven changes in GI may be contributing to the etiology of certain neurological conditions.

Bibliography 1. Legrand J 1984 Effects of thyroid hormones on central nervous system development. In: Yanai J (ed) Neurobehavioral Teratology. Elsevier, New York, pp 331-363

2. Bernal J, Nunez J 1995 Thyroid hormones and brain development. Eur J Endocrinol 133:390-398

3. Bernal J, Guadano-Ferraz A, Morte B 2003 Perspectives in the study of thyroid hormone action on brain development and function. Thyroid 13:1005-1012

4. Bernal J 2005 Thyroid hormones and brain development. Vitamins & Hormones 71:95-122

5. Jansen J, Friesema ECH, Milici C, Visser T 2005 Thyroid hormone transporters in health and disease. Thyroid 15:757-768

6. Bianco AC, Salvatore D, Gereben B, Berry MJ, Larsen PR 2002 Biochemistry, cellular and molecular biology, and physiological roles of the iodothyronine selenodeiodinases. Endocrine Rev 23:38-89

7. Hernandez A 2005 Structure and function of the type 3 deiodinase gene. Thyroid 15:865-874

8. Galton VA, Martinez E, Hernandez A, St Germain EA, Bates JM, St Germain DL 1999 Pregnant rat uterus expresses high levels of the type 3 iodothyronine deiodinase. Journal of Clinical Investigation 103:979-987

9. Huang SA, Dorfman DM, Genest DR, Salvatore D, Larsen PR 2003 Type 3 iodothyronine deiodinase is highly expressed in the human uteroplacental unit and in fetal epithelium. Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism 88:1384-1388

10. Dussault JH, Labrie F 1975 Development of the hypothalamic-pituitary-thyroid axis in the neonatal rat. Endocrinology 97:1321-1324

11. Escamez MJ, Guadano-Ferraz A, Cuadrado A, Bernal J 1999 Type 3 iodothyronine deiodinase is selectively expressed in areas related to sexual differentiation in the newborn rat brain. Endocrinology 140:5443-5446

24

12. Bakke JL, Lawrence N, Robinson S 1972 Late effects of thyroxine injected into the hypothalamus of the neonatal rat. Neuroendocrinol 10:183-195

13. Bakke JL, Lawrence N, Wilber JF 1974 The late effects of neonatal hyperthyoridism upon the hypothalamic-pituitary-thyroid axis in the rat. Endocrinology 95:406-411

14. Hernandez A, Fiering S, Martinez E, Galton VA, St. Germain DL 2002 The gene locus encoding iodothyronine deiodinase type 3 (Dio3) is imprinted in the fetus and expresses antisense transcripts. Endocrinology 143:in press

15. Hernandez A, Martinez ME, Fiering S, Galton VA, St Germain D 2006 Type 3 deiodinase is critical for the maturation and function of the thyroid axis. Journal of Clinical Investigation 116:476-484

16. Reik W, Walter J 2001 Genomic imprinting: parental influence on the genome. Nature Reviews Genetics 2:21-32

17. Hernandez A, Fiering S, Martinez E, Galton VA, St. Germain DL 2002 The gene locus encoding the iodothyronine deiodinase type 3 (Dio3) is imprinted in the fetus and expresses antisense transcripts. Endocrinology 143:4483-4486

18. Buiting K, Barnicoat A, Lich C, Pembrey M, Malcolm S, Horsthemke B 2001 Disruption of the bipartite imprinting center in a family with Angelman syndrome. American Journal of Human Genetics 68:1290-1294

19. Ohta T, Gray TA, Rogan PK, Buiting K, Gabriel JM, Saitoh S, Muralidhar B, Bilienska B, Krajewska-Walasek M, Driscoll DJ, Horsthemke B, Butler MG, Nicholls RD 1999 Imprinting-mutation mechanisms in Prader-Willi syndrome. American Journal of Human Genetics 64:397-413

20. Weaver IC, Cervoni N, Champagne FA, D'Alessio AC, Sharma S, Seckl JR, Dymov S, Szyf M, Meaney MJ 2004 Epigenetic programming by maternal behavior.[see comment]. Nature Neuroscience 7:847-854

21. Waterland RA, Jirtle RL 2004 Early nutrition, epigenetic changes at transposons and imprinted genes, and enhanced susceptibility to adult chronic diseases. Nutrition 20:63-68

22. Dolinoy DC, Weidman JR, Waterland RA, Jirtle RL 2006 Maternal genistein alters coat color and protects Avy mouse offspring from obesity by modifying the fetal epigenome. Environmental Health Perspectives 114:567-572

23. Jirtle RL, Skinner MK 2007 Environmental epigenomics and disease susceptibility. Nature Reviews Genetics 8:253-262

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Action of Thyroid Hormone in Brain Juan Bernal Instituto de Investigaciones Biomédicas, CSIC-UAM, and Center for Biomedical Research on Rare Diseases, Madrid, Spain Introduction. Thyroid hormones (thyroxine, T4; and 3,5,3′-triiodothyronine, T3) have major effects on developmental and physiological processes and act on most tissues, but the central nervous system is one of the most important targets. Altered supply of thyroid hormones in developing humans may cause irreversible mental retardation and neurological deficits (1). In adults, thyroid hormones influence mood and behavior, and thyroid diseases can lead to psychiatric manifestations. During brain maturation, thyroid hormones influence a wide range of developmental processes such as myelination, and neuronal and glial cell differentiation and migration; genes involved in these processes have been identified as being regulated by thyroid hormones. The source and metabolism of thyroid hormones in the brain.

Both, T4 and T3 enter the brain through the blood-brain barrier and the blood-CSF barrier. Specific transporters are present to facilitate the passage of hormones. The transcriptionally active hormone (T3) in brain arises from thyroidal secretion, and it is also generated locally from T4 by type 2 deiodinase (D2). This enzyme is expressed in glial cells of two types: astrocytes, and tanycytes which are specialized glial cells lining the walls of the third ventricle (2). T4 and T3 are metabolized to rT3 and to T2, respectively, by type 3 deiodinase (D3), which is expressed in neurons (3).

During the first half of human pregnancy the contribution of thyroid hormones from the mother is very important for development of the fetal brain before the fetal thyroid gland is fully active (4). Despite low circulating fetal concentrations of T4 and T3 brain T3 greatly increases in the cerebral cortex during the second trimester. This increase takes place in parallel with increasing activity of type 2 deiodinase. It appears likely that expression of type 2 deiodinase is one important regulatory factor during the early action of T3 in brain, by locally generating the TR ligand from the T4 substrate. Although the relative contributions of mother and fetus to brain T4 levels before term are not known, it is likely that the mother provides a significant fraction of the fetal T4 pool during the first half of pregnancy. Effects of thyroid hormone on brain gene expression.

Thyroid hormones regulate the expression of genes encoding functionally diverse proteins, from myelin, cytoskeleton, neutrophins and receptors, extracellular matrix, etc (5,6). For most of these, the control is temporally and regionally restricted, but the molecular basis of such restriction is not known. Most genes are regulated during the first two postnatal weeks in the rats, with few genes known to be thyroid hormone dependent in the fetal brain. Thyroid hormone receptors in brain.

The main cellular site of thyroid hormones action is the nucleus, where chromatin-associated thyroid hormone receptors (TRs) are present (7). TRs are transcription factors with ligand-modulated activity. TRs influence gene expression by interacting with regulatory sites in target genes, in a similar way as other members of the nuclear receptor superfamily. In brief, TRs and other class II nuclear receptors, such as retinoic acid receptors, bind to DNA in the absence or presence of the hormone.

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The DNA-bound, ligand-free TR, or aporeceptor interacts with corepressors and inhibit target gene transcription. Hormone binding induces a conformational change of the receptor which facilitates corepressor dissociation, binding of coactivators and stimulation of transcription.

In the human, T3 receptors are present in brain after 8–10 weeks of gestation. In subsequent weeks, the receptor concentration greatly increases in brain and other tissues, supporting the view of an important role of thyroid hormones on developmental processes taking place during the second trimester (8).

In the rat brain, the T3 receptor is already present at embryonic day 14 (E14), and messenger RNA for the receptor is present by E11.5 in the neural tube and by E12.5 in certain areas of the diencephalon and ventral rhombencephalon (9). Despite this, most actions of thyroid hormones during rat brain development occur after birth, and many genes are thyroid hormone-dependent during the first two postnatal weeks. Nevertheless, actions of thyroid hormones on cell migration in the cerebral cortex have been found before onset of fetal thyroid gland function, stressing the importance of maternally derived hormones (4).

Both thyroid hormone receptor genes—THRA and THRB—are expressed in brain, with partially unique and partially overlapping patterns, but the product of the THRA gene, TR1, accounts for 70-80% of al T3 receptor (8). Most effects of thyroid hormone in brain are therefore likely to be mediated through this receptor subtype. However, TR1 deletion does not cause the same impairments of brain development as hypothyroidism. We have shown that the difference between hypothyroidism and receptor deletion is that in the former, the activity of the unliganded receptor may interfere with developmental processes (10). References. 1. Delong GR, Stanbury JB, Fierro-Benítez R 1985 Neurological signs in congenital iodine-deficiency disorder (endemic cretinism). Develop Med Child Neurol, 27:317-324.

2. Guadaño-Ferraz A, Obregon MJ, St Germain DL, Bernal J 1997 The type 2 iodothyronine deiodinase is expressed primarily in glial cells in the neonatal rat brain. Proc Natl Acad Sci USA 94:10391-10396.

3. Tu HM, Legradi G, Bartha T, Salvatore D, Lechan RM, Larsen PR 1999 Regional expression of the type 3 iodothyronine deiodinase messenger ribonucleic acid in the rat central nervous system and its regulation by thyroid hormone. Endocrinology 140:784-790.

4. Morreale de Escobar G, Obregon MJ, Escobar del Rey F 2004 Role of thyroid hormone during early brain development. Eur J Endocrinol 151: Suppl 3, U25-37.

5. Bernal J, Guadaño-Ferraz A, Morte B 2003 Perspectives in the study of thyroid hormone action on brain development and function. Thyroid 13: 1005-1012.

6. Anderson GW, Schoonover CM, Jones SA 2003 Control of thyroid hormone action in the developing rat brain. Thyroid 13:1039-1056.

7. O'Shea PJ, Williams GR 2002 Insight into the physiological actions of thyroid hormone receptors from genetically modified mice. J Endocrinol 175: 553-570.

8. Bernal J 2007 Thyroid hormone receptors in brain development and function. Nat Clin Pract Endocrinol Metab, 3:249-259.

9. Bradley DJ, Towle HC, Young WS, 3rd 1992 Spatial and temporal expression of alpha- and beta-thyroid hormone receptor mRNAs, including the beta 2-subtype, in the developing mammalian nervous system. J Neurosci 12:2288-2302.

10. Morte B, Manzano J, Scanlan T, Vennstrom B, Bernal J 2002 Deletion of the thyroid hormone receptor alpha 1 prevents the structural alterations of the cerebellum induced by hypothyroidism. Proc Natl Acad Sci U S A 99:3985-3989.

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Hormonas Tiroideas y Migración Neuronal Dra. Estela Cuevas Romero. Centro Tlaxcala de Biología de la Conducta. Universidad Autónoma de Tlaxcala. México Generalidades sobre las hormonas tiroideas.

Las hormonas tiroideas tetrayodotironina o tiroxina (T4) y 3,5,3´-triyodotironina (T3) son moléculas que contienen átomos de yodo en su estructura. Se sintetizan y almacenan en la glándula tiroides desde donde son liberadas a la sangre y son transportadas por proteínas plasmáticas a los órganos o tejidos sobre los cuales ejercen su efecto. Las principales proteínas transportadoras son la TBG o globulina transportadora de tironinas; la alfa-globulina, transtirenina (TTR) o prealbúmina, y la albúmina. La glándula tiroides libera T4 en mayor proporción que T3, sin embargo, esta última puede ser generada en otros tejidos periféricos, mediante la acción de las enzimas llamadas genéricamente desyodasas de yodotironinas o IDs por sus siglas en Inglés. Como su nombre lo indica, las IDs remueven los átomos de yodo de la molécula de tironina. Las hormonas tiroideas, especialmente la T3, se unen a receptores nucleares específicos, dando como resultado la promoción o inhibición de la expresión de genes relacionados con el complejo hormona-receptor. Existen dos genes que codifican para los receptores de hormonas tiroideas: TRα y TRβ, de los cuales existen múltiples isoformas incluyendo TRα1, TRα2 y TRα3 del gen TRα, y TRβ1, TRβ2, TRβ3 y DTRβ3 del gen TRβ (1,2).

Las hormonas tiroideas participan en diversos procesos fisiológicos como termorregulación,

consumo de oxigeno, síntesis y degradación de grasas, síntesis de glucógeno y utilización de glucosa, formación de vitamina A, contracción muscular, motilidad intestinal, entre otros (3). Sin embargo, las acciones de estas hormonas son particularmente relevantes durante la vida fetal, ya que también intervienen en el desarrollo del sistema nervioso, afectando la proliferación, viabilidad, diferenciación, migración, sinaptogénesis y mielinización de las células nerviosas. Por ello, durante la gestación, la glándula tiroides materna trabaja al doble para suplir sus propias necesidades hormonales y las de su hijo. La glándula tiroides fetal, por su parte, inicia su función hacia la mitad de la gestación, por lo que antes de ésta, el feto requiere de la síntesis hormonal materna en su totalidad. Para la segunda mitad de la gestación, el feto utiliza tanto las hormonas tiroideas materna como la suya propia, satisfaciendo así todos los requerimientos hormonales que necesita en ese momento (2). Con lo anterior, es posible apreciar la importancia de las hormonas tiroideas durante toda la vida de los individuos, y particularmente durante el periodo fetal y primeros años de vida, donde estas hormonas juegan un papel relevante en el desarrollo del sistema nervioso central (SNC).

Hormonas tiroideas y desarrollo del sistema nervioso.

En humanos, la deficiencia de hormonas tiroideas durante la gestación, muchas veces como consecuencia de una dieta baja en yodo, afecta el desarrollo del sistema nervioso. Así, niveles bajos de estas hormonas en la mujer gestante provocan que su bebe nazca con daños neurológicos severos, como defectos en la audición y el habla, alteraciones sensoriales y motoras, crisis epilépticas y deficiencia mental, entre otras, lo que se conoce como cretinismo neurológico (2,4).

La mayoría de los estudios enfocados al análisis de los efectos de las hormonas tiroideas sobre

el desarrollo y funcionamiento del sistema nervioso, han sido realizados en animales de laboratorio. En ellos, se inducen niveles bajos o altos de hormonas tiroideas mediante la administración de fármacos que evitan su síntesis, como son el propiltiouracilo y el metimazol; o bien, mediante la administración de hormonas tiroideas, respectivamente. Así, se sabe que las hormonas tiroideas están presentes en diversas estructuras cerebrales, tales como el bulbo olfatorio, neocorteza, núcleo

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coclear ventral, parte dorsal del septum lateral, lámina molecular del giro dentado del hipocampo y caudado-putamen, entre otras. Su presencia es consecuencia del paso de las hormonas a través de la barrera hematoencefálica, pero además, la T3 puede ser también generada en el cerebro a partir de la T4 por la acción de la desyodasa tipo 2 (D2). La D2 está presente en células gliales, astrocitos, tanicitos y algunas interneuronas, y se considera que estas células abastecen de T3 a las neuronas. Las estructuras cerebrales que contienen hormonas tiroideas también expresan sus respectivos receptores, principalmente de la isoforma TRα1, localizados en neuronas, oligodendrocitos y astrocitos (5-8).

Como ya se mencionó, la deficiencia de hormonas tiroideas durante la gestación, afecta

diversos procesos fisiológicos que ocurren durante el desarrollo del SNC. En estudios hechos en animales de laboratorio, se ha analizado la histología de algunas estructuras como la neocorteza, hipocampo, cerebelo, ganglios basales, entre otras, y se ha encontrado que la deficiencia de estas hormonas disminuye el crecimiento axonal y dendrítico (9), afecta el número y distribución de las espinas dendríticas (10,11), altera la migración de las neuronas (12-19) y la proliferación de astrocitos (20), así mismo, aumenta el grado de apoptosis de las células nerviosas (21). Con todos estos efectos, es de esperarse que la deficiencia de hormonas tiroideas durante el embarazo, o bien en los primeros años de vida, afecte drásticamente el desarrollo del SNC mediante la alteración de procesos como la migración neuronal.

Hormonas tiroideas y migración neuronal.

Las células nerviosas, durante el proceso de formación de las estructuras cerebrales, son capaces de moverse (migrar) de un sitio a otro. Este desplazamiento ocurre gracias a un complejo sistema de regulación del citoesqueleto y de las proteínas asociadas a los mismos que permite la extensión y retracción de las ramificaciones o neuritas presentes en las células migratorias. También se requiere de un sistema de señales moleculares que medien la atracción o el rechazo de los conos de crecimiento, presentes en las ramificaciones guía de las células migratorias. Así, un cono de crecimiento expresa diversos receptores a moléculas contenidas en el medio extracelular. La unión de dichos receptores a sus moléculas correspondientes promueve el avance o la retracción del mismo, y en consecuencia el avance o el cambio de dirección de una neurona migratoria. De esta manera, la migración neuronal es selectiva y direccional, pues las células en migración no se dispersan hacia regiones vecinas, debido a la ausencia de moléculas atrayentes, o bien, a la presencia de moléculas repulsivas (22,23).

Considerando estos mecanismos de desplazamiento, la migración neuronal se clasifica en

radial y tangencial. La migración radial ocurre en aquellas neuronas que se generan junto al ventrículo (zona ventricular) y ascienden hacia la superficie del cerebro, hasta alcanzar el sitio en el cual se establecerán. Aquí, las células migratorias son ayudadas en su movimiento ascendente por la glía radial, la cual es una glía especializada que comunica a la zona ventricular con la zona marginal. Este tipo de migración ocurre en aquellas estructuras cerebrales compuestas de varias capas celulares como la corteza cerebral y el cerebelo (22). La migración tangencial tiene lugar en aquellas neuronas que se mueven de una región del cerebro a cualquier otra, sin seguir una dirección radial. Aquí, el núcleo de la célula se desplaza a través del citoplasma de un extremo a otro avanzando hacia su destino. Como ejemplo de este tipo de migración tenemos a las interneuronas GABAérgicas originadas en las eminencias ganglionares que migran hacia el estriado, neocorteza, núcleo acumbens y tubérculo olfatorio (23).

Cuando las condiciones de desarrollo (hormonas, nutrimentos, ausencia de drogas, etc) son

“favorables”, las células migratorias siguen el camino correcto hacia la estructura donde más tarde se establecerán. Sin embargo, cuando alguno de estos factores es alterado, el desplazamiento y la ubicación final de las células nerviosas puede ser errónea y sus consecuencias pueden ser incluso fatales.

29

Como ya se mencionó, las hormonas tiroideas afectan la expresión de genes, y con ello son capaces de modificar algunas funciones celulares, entre ellas, la migración neuronal. En los estudios realizados en modelos animales se ha encontrado que las hormonas tiroideas afectan la expresión de proteínas componentes del citoesqueleto, como la actina y la tubulina, afectando con ello la motilidad de las células migratorias. También modifican la expresión de moléculas del medio extracelular que sirven como sustrato para las células migratorias, como NCAM, tenascina-C, laminina y reelina. Dichas moléculas permiten o evitan el paso de las neuronas migratorias a través de una determinada región cerebral, de manera que su afectación impide que las células migratorias encuentren el sustrato requerido para su adecuado desplazamiento. Además, las hormonas tiroideas también alteran la expresión de aquellas moléculas involucradas en la guía del cono de crecimiento, como son algunos factores de crecimiento, haciendo que las células migratorias se desorienten y equivoquen su camino (2,8). Como podemos apreciar, la migración neuronal comprende diversos procesos altamente complejos cuya alteración conlleva al establecimiento erróneo de las neuronas, y con ello a diversas patologías como la epilepsia, dislexia, esquizofrenia, etc.

Esta breve revisión de los efectos de las hormonas tiroideas sobre el desarrollo del SNC, y en

particular, sobre la migración neuronal, permite comprender cómo la deficiencia de hormonas tiroideas durante la gestación y el periodo neonatal, puede provocar retardo mental irreversible y diversas alteraciones nerviosas permanentes.

Referencias. 1. Shi Y, Ritchie JWA, Taylor PM 2002 Complex regulation of thyroid hormone action: multiple opportunities for pharmacological intervention. Pharmacol Ther 94:235–351.

2. Santisteban P, Bernal J 2005 Thyroid development and effect on the nervous system. Endocrine Metab Dis 6:217–228.

3. Lanni A, Moreno M, Lombarda A, Goglia F 2003 Thyroid hormone and uncoupling proteins. FEBS Letters 543:5-10.

4. Morreale de Escobar G, Obregón MJ, Calvo R, Pedraza P, Escobar del Rey F 1997 Iodine deficiency, the hidden scourge; the rat model of human neurological cretinism. En: Hendrich CH ed. Recent Res Dev Neuroendocrinol. Research Signpost, Trivandrum, India, pp 55-70.

5. Leonard JL, Farwell AP, Yen PM, Chin WW, Stula M 1994 Differential expression of thyroid hormone receptor isoforms in neurons and astroglial cells. Endocrinology 135:548-555.

6. Guadaño-Ferraz A, Obregón MJ, St Germain DL, Bernal J 1997 The type 2 iodothyronine deiodinase is expressed primarily in glial cells in the neonatal rat brain. Proc Natl Acad Sci USA 94:10391-10396.

7. Guadaño-Ferraz A, Escamez MJ, Rausell E, Bernal J 1999 Expression of type 2 iodothyronine deiodinase in hypothyroid rat brain indicates an important role of thyroid hormone in the development of specific primary sensory systems. J Neurosci 19:3430-3439.

8. Trentin AG 2006 Thyroid hormone and astrocyte morphogenesis. J Endocrinol 189:189-197.

9. Montero-Pedrazuela A, Venero C, Lavado-Autric R, Fernandez-Lamo I, García-Verdugo JM, Bernal J, Guadaño-Ferraz A 2006 Modulation of adult hippocampal neurogenesis by thyroid hormones: implications in depressive-like behavior. Mol Psychiatry 11:361-371.

10. Lu EJ, Brown WJ 1977 The developing caudate nucleus in the euthyroid and hypothyroid rat. J Comp Neurol 171:261-284.

11. Comer CP, Norton S 1985 Early development in the caudate and thyroid of methimazole-treated rats. Neurotoxicology 6:25-35.

12. Lucio RA, García JV, Ramon Cerezo J, Pacheco P, Innocenti GM, Berbel P 1997 The development of auditory callosal connections in normal and hypothyroid rats. Cereb Cortex 7:303-316.

13. Berbel P, Auso E, Garcia-Velasco JV, Molina ML, Camacho M 2001 Role of thyroid hormones in the maturation and organisation of rat barrel cortex. Neuroscience 107:383-394.

30

14. Lavado-Autric R, Auso E, Garcia-Velasco JV, Arufe Mdel C, Escobar del Rey F, Berbel P, Morreale de Escobar G 2003 Early maternal hypothyroxinemia alters histogenesis and cerebral cortex cytoarchitecture of the progeny. J Clin Invest 111:1073-1082.

15. Auso E, Lavado-Autric R, Cuevas E, Escobar del Rey F, Morreale de Escobar G, Berbel P 2004 A moderate and transient deficiency of maternal thyroid function at the beginning of fetal neocorticogenesis alters neuronal migration. Endocrinology 145:4037-4047.

16. Cuevas E, Ausó E, Telefont M, Morreale de Escobar G, Sotelo C, Berbel P 2005 Transient maternal hypothyroxinemia at onset of corticogenesis alters tangential migration of medial ganglionic eminence-derived neurons. Eur J Neurosci 22:541-551.

17. Farwell AP, Dubord-Tomasettia SA, Pietrzykowskia AZ, Stachelekb SJ, Leonard JL 2005 Regulation of cerebellar neuronal migration and neurite outgrowth by thyroxine and 3,3’,5’-triiodothyronine. Dev Brain Res 154:121–135.

18. Stoica G, Lungu G, Xie X, Abbott LC, Stoica HM, Jaques JT 2007 Inherited tertiary hypothyroidism in Sprague-Dawley rats. Brain Res Epub ahead of print.

18. Goodman JH, Gilbert ME 2007 Modest thyroid hormone insufficiency during development induces a cellular malformation in the corpus callosum: a model of cortical dysplasia. Endocrinology Epub ahead of print.

20. Zamoner A, Funchal C, Jacques-Silva MC, Gottfried C, Silva FR, Pessoa-Pureur R 2007 Thyroid hormones reorganize the cytoskeleton of glial cells through gfap phosphorylation and rhoa-dependent mechanisms. Cell Mol Neurobiol Epub ahead of print.

21. Kumar A, Sinha RA, Tiwari M, Pal L, Shrivastava A, Singh R, Kumar K, Kumar Gupta S, Godbole MM 2006 Increased pro-nerve growth factor and p75 neurotrophin receptor levels in developing hypothyroid rat cerebral cortex are associated with enhanced apoptosis. Endocrinology 147:4893-4903.

22. Nadarajah B 2003 Radial glia and somal translocation of radial neurons in the developing cerebral cortex. Glia 43:33-36.

23. Bellion A, Baudoin JP, Alvarez C, Bornens M, Metin C 2005 Nucleokinesis in tangentially migrating neurons comprises two alternating phases: forward migration of the Golgi/centrosome associated with centrosome splitting and myosin contraction at the rear. J Neurosc 25:5691–5699.

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Función fetal y materna. Un panorama general Dra. Consuelo Barrón Uribe. Departamento de Endocrinología del Hospital de Pediatría. Centro Médico Nacional Siglo XXI del Instituto Mexicano del Seguro Social, México.

Introducción.

La asociación entre disfunción de la glándula tiroides poco después del nacimiento y la instalación de trastornos del neurodesarrollo se conoce desde hace más de un siglo. Pero, durante la mayor parte del siglo XX no ha habido consenso respecto al estadio de la vida fetal en el que las hormonas tiroideas comienzan a ser necesarias para un desarrollo cerebral normal. Este desacuerdo obedece, fundamentalmente, a los puntos de vista opuestos en relación a la importancia de las hormonas tiroideas maternas para el feto (1).

Maduración de la función tiroidea del feto.

Durante la embriogénesis la mayoría de las glándulas endocrinas aparecen muy pronto y están bien desarrolladas antes de nacer. La glándula tiroides es la primera en aparecer y su primordio puede visualizarse a los 16-17 días de gestación. Su organogénesis está bajo control genético y los factores de transcripción TTF1, TTF2 y Pax8 tienen un papel crucial (2).

Numerosas revisiones afirman que la función tiroidea humana inicia a las 10-12 semanas de gestación, pero esta aseveración está basada en la observación de que las glándulas de fetos humanos de esa edad son capaces de captar radioyodo in vitro. Sin embargo, in vivo, la concentración de radioyodo en la tiroides fetal no parece ser significativa hasta las 20-24 semanas de gestación. A partir de este periodo el contenido de yodo aumenta desde 14 µg/glándula hacia el final del segundo trimestre, hasta unos 44 µg en el niño a término. Este constante acumulo de yodo continua después del nacimiento y mantiene un balance positivo durante todo el período neonatal y la etapa lactante, hasta alcanzar el contenido del adulto (~ 10 mg); es decir, 200 veces la cantidad presente en el neonato (3). Por lo tanto, parece claro que in vivo, la síntesis de hormonas tiroideas inicia hasta bien entrado el segundo trimestre de la gestación. Estudios más recientes realizados con tiroides de niños prematuros y a término recién fallecidos, muestran que la glándula humana es capaz de sintetizar T4 eficientemente hasta las 36 semanas de gestación (4). Por otro lado, la capacidad de la tiroides fetal para reducir la captura de yodo en respuesta a un exceso del halógeno (efecto Wolf-Chaikoff), aparece hasta las 36-40 semanas de gestación. Debido a ello, los lactantes prematuros son mucho más propensos a desarrollar hipotiroidismo cuando se exponen a un exceso de yodo, que los niños a término.

Regulación de la función tiroidea fetal.

La capacidad del tirocito para captar yoduro e incorporarlo (organificación) en la tiroglobulina (Tg) como T3 y T4, no coinciden con el inicio de la secreción de hormonas por la tiroides fetal. El crecimiento de la glándula y la maduración de su estructura folicular, así como la expresión del gen de la Tg parecen ser independientes de la TSH fetal, ya que la glándula tiroides se desarrolla y acumula coloide en ausencia de hipófisis. Por el contrario, la TSH es indispensable para la captación de yodo y su organificación, así como para la hidrólisis de la Tg y la secreción de hormonas a la circulación. En la hipófisis se detectan gránulos de secreción que contienen TSH a partir de las 10-13 semanas de gestación, pero las células tirotropas con la forma poliédrica característica de células maduras se observan hasta las 28 semanas de gestación. Aunque puede demostrarse la presencia

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de TRH en la eminencia media a las 8.5 semanas de gestación y en el hipotálamo a las 9 semanas, los diversos componentes del sistema porta hipofisario se desarrollan hasta la mitad de la gestación, entre las 18-22 semanas, coincidiendo con una maduración generalizada de todas las células secretoras de la adenohipófisis. La continuidad vascular entre el hipotálamo y la eminencia media está completamente desarrollada hasta el final del segundo trimestre. El hipotálamo es aún muy pequeño en el feto a término, y es probable que gran parte de su diferenciación y maduración funcional sean postnatales (5). No hay realmente pruebas directas de que sea necesaria la circulación porta hipofisaria para la secreción de TSH ya que la TRH llega también por el líquido cefalorraquídeo. Tampoco se conoce la posible función reguladora de la TRH de origen extrahipotalámico, especialmente pancreática, tan abundante en el feto.

Las concentraciones de TSH son indetectables hasta la mitad de la gestación, cuando ocurre

un brusco aumento entre las 18-22 semanas. Esta elevación se acompaña de un incremento de la T4 circulante, cuyas concentraciones eran muy bajas hasta las 24 semanas. A partir de entonces la T4 y la TSH continúan aumentando en forma paralela hasta el nacimiento, al contrario de lo observado en adultos donde la relación es inversa. Los neonatos con hipofunción total o parcial de la glándula tiroides por disgenesia, dishormonogénesis hereditaria, o por carencia ó exceso de yodo, nacen con concentraciones más elevadas de TSH que los neonatos con función tiroidea normal, lo cuál permite su identificación mediante programas de tamizaje de TSH en el período postnatal. Esto indica que al nacer ya operan los mecanismos que permiten un servocontrol negativo de la secreción de TSH por las hormonas tiroideas fetales. Por otra parte, los programas de tamizaje neonatal de hipotiroidismo congénito basados en la medición de TSH, deben considerar que en los niños prematuros es frecuente un retraso en la respuesta de TSH a pesar de los niveles bajos de T4, lo que sugiere que en estos niños la retroalimentación negativa aún no ha madurado plenamente (6).

Maduración del metabolismo de las hormonas tiroideas.

La fuente principal de T3 bioactiva es su producción extratiroidea a partir de la T4 y no su secreción por la glándula tiroides. La T4 es una pro-hormona cuya desyodación órgano-específica en uno u otro anillo de la molécula da lugar a la formación de yodotironinas activas como la T3, o inactivas como la T3 reversa (rT3). Esta biotransformación ocurre a nivel de las células efectoras y es catalizada por una familia ubicua de selenoenzimas denominadas genéricamente desyodasas (D). Se conocen tres isotipos: la D1, la D2 y la D3. La conversión de T4 a T3 esta catalizada por D1 o por D2; mientras que la D3 inactiva a la T4 o a la T3 generando rT3 o T2, respectivamente. La actividad de la D1 hepática que contribuye significativamente a las concentraciones circulantes de T3, permanece relativamente baja hasta mediados del tercer trimestre de la gestación. En contraste, la expresión y actividad de la D3 es muy elevada en diferentes tejidos fetales como el cerebro; o bien, en la placenta. Como resultado, las concentraciones circulantes de T3 en el feto son bajas durante toda la gestación, e incluso al nacimiento son del orden de 50-60 ng/dl. La razón fisiológica para mantener concentraciones reducidas de T3 se desconoce, pero se ha sugerido que pudiera ser para evitar termogénesis tisular y potenciar el estado anabólico que caracteriza al rápido crecimiento fetal (7). A diferencia de la D1, la D2 se expresa intensamente en el cerebro y la hipófisis y es detectable al final del primer trimestre. Como consecuencia, entre las 20-26 semanas de gestación y a pesar de sus bajos niveles circulantes, las concentraciones de T3 en el cerebro fetal son 60-80% de los del adulto. Se sabe que la actividad de la D2 aumenta en situaciones de bajo aporte de T4 o en hipotiroidismo fetal, mientras que la de la D3 disminuye. Estos ajustes coordinados son de importancia crítica y permiten preservar los niveles cerebrales de T3 cercanos a lo normal (8).

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Figura 1. Evolución de los niveles de hormonas tiroideas durante la vida fetal. Tomado de: Fisher DA, Klein AH 1981 N Eng J Med 304:702 El papel de la placenta.

La placenta desempeña un importante papel en el desarrollo y función de la tiroides fetal, regulando el paso de diferentes hormonas maternas, sustratos y drogas. Es un órgano crucial en el metabolismo de las hormonas tiroideas maternas ya que también expresa desyodasas, particularmente D3, que le confiere su papel como barrera al paso transplacentario ilimitado de hormonas tiroideas de la madre al feto. Aunque la placenta también sintetiza hormonas que pueden afectar la tiroides fetal (gonadotropina coriónica humana, TRH), éstas parecen tener poca influencia en el feto (9).

Transferencia de hormonas tiroideas maternas al feto.

A finales de la década de los años sesenta las investigaciones realizadas en ovejas llevaron a la conclusión errónea de que la placenta de los mamíferos era impermeable a las hormonas tiroideas, concepto que se mantuvo hasta finales de los años ochenta. Además, al no aceptarse la transferencia materno-fetal de hormonas tiroideas, prevaleció la idea de que el embrión y el feto humanos se desarrollan sin necesidad de hormona tiroidea hasta que comienza a funcionar su propia glándula. Como además se previene el retraso mental con el tratamiento precoz postnatal, se llegó a la conclusión de que para su desarrollo normal el cerebro humano no necesitaría estas hormonas hasta el nacimiento (1). Sin embargo, la evidencia obtenida en otros animales de experimentación, especialmente en la rata, cuya placentación es más similar a la humana que la de la oveja, mostró que si ocurre transferencia activa materno-fetal de T4 en la primera mitad del embarazo, cuando la tiroides fetal se esta desarrollando, y que la deficiencia de hormonas tiroideas in útero acarrea alteraciones graves y variadas del sistema nervioso central a nivel morfológico, bioquímico, molecular y conductual. (10). Al respecto, son particularmente contundentes los estudios realizados por el grupo de la Dra. Gabriela Morreale quién demostró que contrariamente a lo que se admitía, en los tejidos embrionarios de mamíferos hay T4 y T3 desde mucho antes de que se desarrolle la tiroides fetal, y que estas hormonas son de origen materno (11). Cuando la madre es hipotiroidea, las concentraciones de T4 y T3 en los tejidos embrionarios son indetectables, confirmando el origen

EDAD GESTACIONAL EDAD POSTNATAL (semanas) (semanas)

Nacer

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materno de ambas hormonas (12). Otros autores han mostrado la presencia de receptores nucleares funcionales para T3 en tejidos embrionarios, con anterioridad al comienzo de la función tiroidea, lo que sugiere que la interacción hormona tiroidea-receptor inicia efectos biológicos desde etapas tempranas de la embriogénesis (13). De hecho, investigaciones más recientes demuestran que la hipotiroxinemia materna, aún sin hipotiroidismo clínico, afecta el proceso de migración de las células cerebrales que tiene lugar mucho antes de que inicie la función tiroidea fetal (14,15).

El aporte materno de hormonas tiroideas no se interrumpe al iniciar la actividad tiroidea del

feto, sino que sigue hasta el nacimiento. En el feto de la rata a término, el aporte materno de T4 representa hasta una quinta parte de la hormona que se encuentra en los tejidos extratiroideos (16). Cuando la contribución de la madre disminuye, como ocurre en los casos de hipotiroidismo o hipotiroxinemia maternas, las concentraciones que llegan al embrión y al feto son bajas durante las fases iniciales del desarrollo. Al iniciar su función la tiroides fetal compensa esta carencia, pero debido al aumento de su secreción para suplir la deficiencia materna, la glándula fetal no es capaz de almacenar hormonas tiroideas. Por tanto, además del daño sufrido en las etapa iniciales de la gestación, el neonato de una madre con función tiroidea disminuida se encuentra en peores condiciones que el de una madre normal para hacer frente a las necesidades hormonales que acompañan al nacimiento, lo cuál incrementa el riesgo de lesiones cerebrales permanentes (17).

Cuando la función tiroidea materna es normal pero no lo es la del feto, como es el caso del

hipotiroidismo congénito, el aporte materno de T4 y T3 permite mitigar, en parte, el hipotiroidismo fetal. Aunque insuficiente para suplir totalmente la falta de función tiroidea del feto, el aporte materno de T4 es crucial para el cerebro, en el que se mantienen concentraciones normales de T3, aunque las de otros tejidos no lleguen a normalizarse. Contrasta con ello el hallazgo de que una T3 materna normal no mitiga la deficiencia de T3 en el feto. Esto se debe a que el cerebro fetal depende totalmente de la conversión de T4 a T3 por la acción local de la D2, ya que no puede obtener T3 directamente del plasma (18). Estos hallazgos hacen evidente la importancia que tienen las concentraciones normales de T4 en la madre, que protegen al cerebro del feto con hipotiroidismo congénito hasta el momento del nacimiento, mientras que concentraciones normales de T3, suficientes para mantener un estado eutiroideo materno, no protegen al cerebro fetal si la madre es hipotiroxinémica, en especial antes de la mitad de la gestación, cuando la madre es la única fuente de T4 para el cerebro en desarrollo. Cuando ambas, la función tiroidea materna y la fetal son anormales, como en el caso de la carencia crónica de yodo, las madres tienen concentraciones muy bajas de T4, aunque sean normales las de T3. En esta situación, los embriones y fetos son deficientes de T4 a lo largo de toda la gestación y van siendo cada vez más deficientes de T3. Cuando debería empezar a funcionar, la tiroides fetal no puede compensar la escasa contribución materna, ya que tampoco dispone del yodo indispensable para la síntesis y la secreción de T4. Tampoco hay protección preferente del cerebro fetal por parte de la T4 materna, ya que por la carencia de yodo la biosíntesis de la hormona también es muy baja. En consecuencia, los tejidos fetales, incluido el cerebro, son muy deficientes en T4 y T3 durante fases muy importantes de la neurogénesis cerebral (3).

Función tiroidea de la madre.

Se conoce desde hace décadas que durante el embarazo normal ocurren cambios importantes en la fisiología tiroidea; por ejemplo, la concentración circulante de T4 materna es más elevada que la de la mujer no gestante. Se creía que esto era una consecuencia directa del incremento de TBG circulante estimulado por los estrógenos. Ahora sabemos que la elevación de T4 y TBG no ocurren simultáneamente, y que la T4 libre aumenta significativamente varias semanas antes que las concentraciones de TBG se estabilicen a la mitad de la gestación. El aumento en las concentraciones de gonadotropina coriónica (hCG) en los compartimientos materno y fetal es esencial para el mantenimiento del embarazo y es impuesto por la presencia del producto. Durante este período la tiroides de la madre está bajo el control de las elevadas concentraciones de hCG y moléculas relacionados que tienen actividad parecida a la de TSH. Durante las primeras fases del embarazo la secreción tanto de T4 como de T3 es tan alta que la TSH materna es suprimida (19).

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Este fenómeno ha sido observado incluso en el síndrome de resistencia a hormonas tiroideas, donde el ya elevado nivel de T4 y T3 incrementa aún más al inicio del embarazo, y alcanza valores pico cuando la hCG es más alta, a las 10-12 semanas de gestación, con una imagen en espejo de la TSH que está temporalmente suprimida. Aumento de la producción de T4 por la tiroides materna.

Considerando, entre otros factores, que el volumen plasmático aumenta rápidamente, la producción de hormonas tiroideas maternas se incrementa significativamente desde el inicio del embarazo. Con ello se asegura la elevación temprana de la fracción libre de T4 (FT4) circulante. Hay también una degradación acelerada de yodotironinas por la elevada actividad de la D3 en la unidad útero-placentaria, posiblemente como consecuencia del aumento en los niveles de estrógenos (20). Desde hace años se sabe que la mujer hipotiroidea embarazada, , con mucha frecuencia, tiene que incrementar su dosis de T4 para “normalizar su TSH”, el objetivo estándar del tratamiento de las pacientes no embarazadas. Un estudio reciente ha propuesto aumentar la dosis de levotiroxina alrededor de la quinta semana de gestación en cerca del 50% para mantener la TSH dentro del intervalo normal (21). Sin embargo, este temprano y significativo incremento de la dosis de T4, no es suficiente para reproducir el pico de FT4 y el nadir de TSH encontrado en las mujeres embarazadas normales. Un incremento aún mayor en la dosis podría estar indicado si el objetivo es alcanzar los valores fisiológicos de T4 y FT4 trimestre-específicos. Conceptualmente, esta posibilidad es congruente con el marcado aumento de los requerimientos de yodo, los cuales casi se duplican desde el inicio del embarazo y esto no puede atribuirse a un aumento en su depuración renal. Hay dos condiciones sine qua non para que la tiroides materna sea capaz de enfrentarse a la carga impuesta por el producto: a) que el tejido tiroideo no esté funcionalmente alterado, y b) que el aporte de yodo para la biosíntesis de suficiente T4 sea casi duplicado. Es impactante saber que la frecuencia con la que mujeres del mundo occidental industrializado, no pueden responder adecuadamente a las grandes demandas de T4 impuestas por la presencia del producto, es cien veces más común que la ocurrencia de bebés con hipotiroidismo congénito. Lo que sugiere que debería implementarse un tamiz poblacional a las mujeres embarazadas (22). Función tiroidea materna afectada.

Existen cuatro condiciones posibles: (a) Hipotiroidismo clínico, con FT4 baja y TSH elevada; (b) Hipotiroidismo subclínico, con FT4 normal y TSH elevada; (c) Hallazgos tiroideos autoinmunes, con FT4 y TSH normales y anticuerpos antitiroideos; (d) Hipotiroxinemia con FT4 baja, TSH normal y eutiroidismo clínico. De todas ellas la hipotiroxinemia materna es la más frecuente, aun en sociedades occidentales industrializadas (23). La etiología de la hipotiroxinemia materna no ha sido aclarada pero se ha sugerido que una ingesta de yodo insuficiente para suplir la sobredemanda impuesta por el producto, pudiera ser mucho mas frecuente que la falla tiroidea primaria y la autoinmunidad tiroidea (24). En la hipotiroxinemia materna secundaria a disminución del aporte de yodo, la síntesis y secreción de hormonas tiroideas se dirige de manera preferencial hacia T3 en lugar de T4. Como consecuencia, la T4 circulante disminuye pero la T3 no, y puede de hecho aumentar, previniendo tanto un incremento en TSH sérica, como las manifestaciones clínicas de hipotiroidismo. De hecho, en individuos con bocio de áreas con deficiencia de yodo, es raro encontrar elevación de TSH. Es un hallazgo mucho más frecuente el incremento de las concentraciones de tiroglobulina. Los trascendentales estudios de Glinoer y cols (24), sobre la función tiroidea de la mujer embarazada de poblaciones con deficiencia moderada de yodo, no encontraron niveles elevados de TSH, incluso entre mujeres con los más bajos niveles de FT4 en el primer trimestre, mientras que se identificaron relación T4/T3 y niveles de Tg aumentados desde el principio. La TSH tiende a aumentar en el tercer trimestre, pero permanece generalmente dentro del intervalo normal. El retraso del neurodesarrollo no solo ocurre en áreas con deficiencia severa de yodo, incluso grados moderados de deficiencia del halógeno son potencialmente adversos. Un estudio prospectivo de 10 años en la progenie de mujeres con deficiencia moderada de yodo, mostró una proporción inusitadamente elevada (70%) de niños con trastornos de hiperactividad con déficit de atención entre aquellos nacidos de madres que había sido hipotiroxinemicas durante la primera mitad del embarazo (25). Esta condición, sobreimpuesta a

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la moderada disminución de su coeficiente intelectual, constituye una importante desventaja en nuestras sociedades cada vez más competitivas. Otro estudio reveló que hasta el 25% de las mujeres embarazadas en Estados Unidos tienen ingestas de yodo que son menos de la mitad de las recomendadas durante el embarazo (24). Frecuencias todavía más altas de insuficiencia de yodo relacionada con el embarazo, se han reportado en poblaciones europeas occidentales donde las mujeres no embarazadas y los niños tienen un aporte adecuado de yodo (26).

Comentarios finales.

La información disponible apoya la hipótesis de que una elevación insuficiente de FT4 materna en el primer trimestre, cualesquiera que sea la TSH circulante, interferiría con el desarrollo de la corteza cerebral, aún si el eutiroidismo materno es mantenido por una T3 circulante normal. Existe un consenso cada vez mayor de que el hipotiroidismo materno, clínico y subclínico requiere detección temprana y tratamiento precoz, debido a los importantes efectos negativos para la mujer, el embarazo y el niño (27). La posibilidad de un escrutinio masivo poblacional para hipotiroxinemia en el embarazo tiene aún muchas dificultades logísticas (28). Sin embargo, se sabe que la causa más común está relacionada con una deficiencia relativa de yodo que puede ser fácilmente prevenida, con mínimo gasto, sin riesgo y con éxito mundial. Por ello y justo como se han promovido extensamente los suplementos de acido fólico, sin importar si se ha confirmado o no su deficiencia, el uso de sal yodada y/o de suplementos de yodo, tanto como mezclas de vitaminas-minerales que contienen yoduro de potasio o tabletas de yoduro de potasio desde el inicio del embarazo – ó más temprano si se planea un embarazo-, podría prevenir muchos casos de discapacidad del aprendizaje (29).

Referencias. 1. Fisher DA, Dussault JH. Sack J, Chopra IJ. 1977 Ontogenesis of the pituitary-thyroid function and metabolism in man, sheep, and rat. Rec Prog Horm Res 33: 59-116

2. Damanate G, DiLauro R. Thyroid specific gene expression. 1994. Biochim Biophys Acta 1218: 255-266

3. Xue-Yi C, Xin-Min J, Zhi-Jong D, Rakeman MA, et al. 1994 Timing of vulnerability of the brain to iodine deficiency in endemic cretinism. N Eng J Med 331: 1739-1744

4. Dussault JH, Ruel J. 1987 Thyroid hormones and brain development. Ann Rev Physiol 49: 321-334.

5. Thorpe-Beeston JG, Nicolaides KH, Malvaux M. Glass CK. 1991. Maturation of the secretion of thyroid hormone and thyroid.stimulating-hormone in the fetus. N Eng J Med 324: 532-536

6. Costa A., De Filippis V, Panizzo M, Cottino F, et al. 1986Development of thyroid function between VI-IX months of fetal life in humans. J Endocrinol Invest 9: 273-280

7. Kester M-HA, Martinez de Mena R, Obregón MJ, Marinkovic D, et al. 2004 Iodothyronine levels in the human developing brain: major regulatory roles of iodothyronine deiodinases in different areas. J Clin Endocrinol Metab 89: 3117-3128

8. Chan S, Kachilele S., McCabe CJ, Tannahill LA, , et al. 2002 Early expression of thyroid hormone deiodinases and receptors in the human fetal cerebral cortex. Brain Research 138: 109-116

9. Roti E, Gnudi A, Braverman LE. 1983. The placental transport, synthesis and metabolism of hormones and drugs which affect thyroid function. Endocr Rev 4: 131-49

10. Morreale de Escobar G, Obregon MJ, Escobar del Rey F 2004. Role of thyroid hormone during early brain development. Eur J Endocrinol 151 Suppl 3: U25-37

11. Obregon MJ, Mallol J, Pastor R, Morreale de Escobar G, Escobar del Rey F. 1984. L-Thyroxione and 3.3´5-triiodo-L-thyronine in rat embryos before onset of fetal thyroid function. Endocrinology 114: 305-307

12. Morreale de Escobar G, Pastror R, Obregón MUJ, Escobar del Rey F. 1985 Effects of maternal hypothyroidism on the weight and thyroid hormone content of rat embryonic tissues. Endocrinology 117: 1890-1901

13. Iskaros J, Pickard M, Evans I, Gons MH Gulbis B. 2000 Thyroid hormone receptor gene expression in first trimester human fetal brain. J Clin Endocrinol Metab 85: 2620-2623

37

14. Ausó E, Lavado.Autric R, Cuevas E, Escobar del Rey F, et al. 2004 A moderate and transient deficiency of maternal thyroid function at the beginning of fetal neocorticogenesis alters neuronal migration. Endocrinology 145: 4037-4047

15. Cuevas E, Ausó E, Telefont M, Morreale de Escobar G, Sotelo C, Berbel P 2005 Transient maternal hypothyroxinemia at onset of corticogenesis alters tangential migration of medial ganglionic eminence-derived neurons. Eur J Neurosci 22: 541-51

16. Morreale de Escobar G, Calvo R, Obregón MJ, Ruiz de Oña C, et al. Contribution of maternal thyroxine to fetal thyroxine pools in normal rats near term. Endocrinology 126: 2765-2767

17. Morreale Escobar G, Obregon MJ, Escobar del Rey F 2000. Is neuropsychological development related to maternal hypothyroidism or to maternal hypothyroxinemia? J Clin Endocrinol Metab 85: 3975-3987

18. Calvo R, Obregón MJ, C, Escobar del Rey F, Morreale de Escobar G. 1990 Congenital hypothyroidism, as studied in rats. Crucial role of maternal thyroxine but not of 3,5,5´triiodothyronine in the protection of the fetal brain. J Clin Invest 86: 889-899.

19. Glinoer D. 1997 The regulation of thyroid function in pregnancy. Pathways of endocrine adaptation from physiology to pathology. Endocr Rev 18: 404-433

20. Huang SA, Dorfman DM, Genest DR, Salvatore D, Larsen PR. 2003. Type 3 iodothyronine deiodinase is highly expressed in the human uteroplacental unit and in fetal epithelium. J Clin Endocr Metab 88: 1384-1388.

21. Alexander FK Marquesse E, Lawrence J, Jarolim P, Fischer GA, Larsen PR. 2004 Timing and magnitude of increase in levothyroxine requirements during pregnancy in women with hypothyroidism. N Eng J Med 351: 241-249

22. Spencer C. 2003. Thyroid testing for the new millennium. Thyroid 13: 19-45.

23. Pop VJ, Brouwers EP, Vader HL, Vulsna T, van Baar AL, de Vijlder JJ. 2003. Maternal hypothyroxinemia during early pregnancy and subsequent child development: a 3-years follow-up study. Clin Endocrinol 59: 282-288

24. Glinoer D. 2004 Regulation of thyroid function during normal pregnancy: importance of the iodine nutrition status. Best Prac Res, Clin Endocrinol Metab 18: 133-152

25. Vermiglio F, Lo Presti VP, Moleta M, Sidote M, Tortorella G, et al. 2004. Attention deficit and hyperactivity disorders (ADHD) in the offspring of mothers exposed to iodine deficiency. A possible novel iodine deficiency disorder in developed countries? J Clin Endocr Metab 89: 6054-6060

26. Delange F: Iodine deficiency in Europe and its consequences: an update. 2002 Eur J Nucl Med 29 (suppl 2) : S404-416

27. Smallridge RC, Ladenson PW. 2001. Hypothyroidism in pregnancy: consequences to neonatal health. J Clin Endocrin Metab 86: 2349-2353

28. Pop VJ, van Baar AL, Vulsna T. 1999. Should all pregnant women been screened for hypothyroidism?

29. Delange F, Lecomte P. 2000 Iodine supplementation: benefits out weight risks. Drug Safety 22: 89-95.

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Tamiz Neonatal para Hipotiroidismo Congénito en México. Dra. Marcela Vela Amieva Instituto Nacional de Pediatría, México Generalidades.

El hipotiroidismo congénito (HTC) es un defecto al nacimiento que cuando no recibe tratamiento oportuno, tiene consecuencias graves entre las que destacan el retraso mental irreversible (1) o la muerte (2). La historia natural del HTC ha cambiado dramáticamente en los últimos años gracias a los programas de tamiz neonatal (TN), que consisten en analizar la sangre de todos los recién nacidos, antes de que presenten signos y síntomas clínicos. Como todo programa de salud pública, el TN debe aportar información útil para detectar cambios en la incidencia y conocer la tendencia de la enfermedad, identificar patrones de estacionalidad, realizar comparaciones entre regiones y países, evaluar el impacto de los programas de prevención, y proponer futuras necesidades en salud pública (3).

El desarrollo de los programas de TN ha ido de la mano de los avances tecnológicos y científicos, por ejemplo, el TN para HTC se inició gracias a las contribuciones de Chopra, que en 1972 desarrolló un método de radioinmunoanálisis (RIA) para la medición de tiroxina total (TT4) (4). Esta técnica permitió que un año mas tarde, Dussault y Laberge (5) mostraran la factibilidad de medir TT4 en muestras de sangre seca en papel filtro (tarjetas de Guthrie), mismas que ya se colectaban en los países industrializados para detectar la fenilcetonuria neonatal. Tras la publicación de Dussault y cols (6) en 1975, los programas de TN basados en la cuantificación de TT4 se extendieron por el mundo. Sin embargo, la situación se volvió más compleja cuando otras investigaciones evaluaron la posibilidad de cuantificar tirotropina (TSH u hormona estimulante de la tiroides), como indicador inicial del HTC (7). Por un número de años y hasta la fecha, los proponentes del uso de TT4 y de TSH argumentaron sobre las ventajas de cada método, sin embargo esta controversia continúa sin resolverse. Con el fin de entender dicho debate, hay que puntualizar brevemente cómo ocurre la secreción de hormonas tiroideas en el periodo neonatal. Tal como lo describieron Fisher y cols (8), la secreción de TSH alcanza su máximo aproximadamente 30 minutos después del nacimiento y subsecuentemente declina por un lapso de 12 horas y se estabiliza gradualmente cerca de las 48 horas. El curso temporal de la curva de secreción de la TT4 y la T3 (triyodotironina) es similar a la de la TSH, pero con una elevación que aunque es menos pronunciada es más sostenida. Las concentraciones circulantes de TT4 y T3 alcanzan valores máximos aproximadamente a las 24 horas de vida seguidos de una lenta declinación de algunas semanas. Por lo tanto, los niveles TSH medidos en las primeras 24 horas de vida se encuentran frecuentemente elevados.

En 1985, el protocolo de TN adoptado en USA y Canadá, se basó en la recolección de sangre en papel filtro de niños entre el 2 y 5 días de vida, tomando en cuenta los incrementos de las hormonas tiroideas y su estabilización (9). Esta aproximación de cuantificar primero la TT4, pierde algunos infantes con tejido tiroideo ectópico, el cual cuando es estimulado por la TSH produce T4 en concentraciones por arriba del nivel de corte. Sin embargo, con ella es posible detectar a los recién nacidos con T4 baja causada por hipotiroidismo central, prematurez o enfermedad severa no tiroidea (10).

Ante la posibilidad de experimentar falsos negativos cuando se usa T4 sola (ausencia de sensibilidad), muchos laboratorios cambiaron el metabolito indicador inicial de T4 a TSH. Esto es, se mide inicialmente la TSH, y si se encuentra elevada (por arriba del nivel de corte), en una segunda muestra se repite su cuantificación y también se mide T4; o bien, dependiendo del resultado, se

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solicita un perfil tiroideo completo. El riesgo de utilizar la estrategia de cuantificar solamente TSH, es la pérdida de los casos de hipotiroidismo congénito central, que si bien son raros (1;50,000), son severos y no pueden ser detectados mediante este método. Ante este escenario, los médicos deben saber que a cualquier niño con datos clínicos sugestivos de hipotiroidismo congénito hay que realizarle mediciones de TSH y T4, aún cuando se le haya realizado un tamiz neonatal previo con medición de TSH (11).

Hoy en dia, la mayoría de los países del continente americano han adoptado la estrategia inicial de TSH, mientras que en la unión europea sólo Holanda mantiene la aproximación inicial de T4 (12). En México, prácticamente todos los laboratorios de TN utilizan TSH. Los países que utilizan esta estrategia se están enfrentando al problema de la política del egreso hospitalario temprano (dentro de las 24 horas después del parto), lo cual complica el TN, debido a que las muestras se toman justo en el momento de incremento fisiológico de la TSH, lo que aumenta los resultados falsos positivos de HTC.

Los programas de TN han permitido conocer la prevalencia mundial de HTC, misma que se estima entre 2 a 3 casos por cada 10,000 RN (1:2,000 a 1:3,000) (13). Sin embargo, se han descrito variaciones en la frecuencia, tanto geográficas como poblacionales. Por ejemplo, Toublanc y otros autores sostienen que en Estados Unidos de Norteamérica, en la población de origen “hispano” se llegan a presentar hasta 5.28 casos por cada 10,000 RN (1:1,894) (14), y en una publicación reciente de Harris y Pass (15) se encontró una incidencia en hispanos hasta de 6.41 por 10,000 RN. Epidemiología del HTC en México.

En México, nuestro grupo, con una experiencia cercana a los 6,000.000 de niños tamizados, ha encontrado una prevalencia promedio nacional de 4.38 por cada 10,000 recién nacidos, sin embargo hemos registrado importantes variaciones regionales, con frecuencias elevadas de HTC hasta de 8.13 en Quintana Roo y 7.78 por 10, 000 recién nacidos en San Luis Potosí (16). En los últimos años observamos un aumento de esta enfermedad (Figura 1), fenómeno que pudiese ser similar a lo que está ocurriendo en las poblaciones “hispanas” en EUA (15).

En relación al tipo de HTC, hemos visto que casi el 90% de los casos ocurren por disgenesias tiroideas (ya sea agenesias o ectopias), y al igual que en el resto del mundo (17), corroboramos un franco predominio del sexo femenino (Figura 2). Esta predominancia es una característica particularmente interesante de la epidemiología del HTC primario, sin embargo, no se sabe si las mujeres son más susceptibles de desarrollar HTC, o si los fetos femeninos hipotiroideos tienen mayor sobrevivencia uterina comparada con los masculinos (18.). También hemos observado que una alta proporción de pacientes con HTC tienen concomitantemente otros defectos al nacimiento, especialmente cardiacos y ósteoarticulares.

Los factores de riesgo del HTC en México no son bien conocidos, y hasta el momento, salvo el género y la presencia de defectos concomitantes al nacimiento (especialmente de tipo cardiaco), no hemos podido demostrar otros, pero estamos investigando tanto los agentes ambientales (deficiencia de yodo y selenio, presencia de pesticidas) como genéticos (TTF1, TTF2, y PAX8, entre otros) e inmunológicos en nuestra población.

En conclusión el TN ha establecido algunas características del comportamiento de HTC en México, demostrando que es un defecto al nacimiento frecuente y grave, que ocurre mayoritariamente en las mujeres, y que puede asociarse con otras malformaciones, por lo que es muy importante que estos programas públicos se sigan llevando a cabo en todo el país con estándares crecientes de control de calidad.

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Casos comprobados de HTC en el Instituto Nacional de Pediatría (México, 2001-2002) según su etiología

TIPO TOTAL FEMENINO MASCULINO P

Ectopia 104

(57.46%) 75

(72.11%) 29

(27.88%) <0.001

Agenesia 65

(35.91%)

46 (70.76)

19 (29.23)

<0.001

Bocio, dishormonogénesis

y otros tipos

12 (6.63%)

7 (58.33%)

5 (41.66%)

0.6830

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

2005

Pro

med

io

AÑOS

Figura 1. TASA DE PREVALENCIA DE HIPOTIROIDISMO Figura 1. TASA DE PREVALENCIA DE HIPOTIROIDISMO

CONGENITO EN MEXICO (1989CONGENITO EN MEXICO (1989--2006)2006)

CA

SO

S x

10,

000

RE

CIE

N N

AC

IDO

S

Fuente: Laboratorio de Tamiz, Unidad de Genética de la Nutrición del Instituto Nacional de Pediatría-UNAM.

41

Referencias. 1. Money J, Clarke FC, Beck J 1978 Congenital hypothyroidism and IQ increase: a quarter century follow-up. J Pediatr 93:432–4.

2. Ridaura-Sanz C, López-Corella E 1995 Las causas de muerte por hipotiroidismo congénito. Un estudio realizado en necropsias. Gac Méd Méx 131: 141-146.

3. Teutsch SM, Churchill RE (eds) 2000 Principles and practice of Public Health Surveillance, 2a ed. Oxford University Press.

4. Chopra IJ 1972 A rapid radioimmunoassay for measurement of thyroxine in unextracted serum. J Clin Endocrinol Metabol 34:938–47.

5. Dussault JH, Laberge C 1973 Thyroxine (T4) determination in dried blood by radioimmunoassay: a screening method for neonatal hypothyroidism. Union Med Can 102:2062–4.

6. Dussault JH, Coulombe P, Laberge C 1975 Preliminary report on a mass screening program for neonatal hypothyroidism. J Pediatr 86:670–4.

7. Delange F, Camus M, Winkler M, Dodion J, Ermans AM 1977 Serum thyrotrophin determination on day 5 of life as screening procedure for congenital hypothyroidism. Arch Dis Child 52:89–96.

8. Fisher DA, Odell WD 1969 Acute release of thyrotropin in the newborn. J Clin Invest 48:1670–7.

9. La Franchi SH, Hanna CE, Krainz PL 1985 Screening for congenital hypothyroidism with collection at two time periods. Pediatrics 76:734–40.

10. Delange F 1997 Neonatal screening for congenital hypothyroidism: results and perspectives. Horm Res 48:51–61.

11. VanVliet G 2005 Neonatal endocrinopathies: should we change the screening method? Ital J Pediatr 31:209–12.

12. Lanting CI, van Tijn DA, Loeber JG, Vulsma T, de Vijlder JV, Verkerk PH 2005 Clinical effectiveness and cost-effectiveness of the use of the thyroxine/thyroxine-binding globulin ratio to detect congenital hypothyroidism of thyroidal and central origin in a neonatal screening program. Pediatrics 116:168-173.

13. Klett M 1997 Epidemiology of congenital hypothyroidism. Exp Clin Endocrinol Diabetes 105, Suppl 4: 19-23.

14. Toublanc JE 1992 Comparision of epidemiological data on congenital hypothyroidism in Europe with those of other parts in the world. Horm Res 38: 230-235.

15. Harris KB, Pass KA 2007 Increase in congenital hypothyroidism in New York State and in the United States. Mole Gen Metab 91:268-277.

16. Vela-Amieva M, Gamboa-Cardiel S, Pérez-Andrade ME, Ortiz-Cortés J, González-Contreras CR, Ortega-Velázquez V 2004 Epidemiología del hipotiroidismo congénito en México. Salud Publica Mex 46:141-148.

17. Grütters A, Biebermann H, Krude H 2003 Neonatal thyroid disorders. Horm Res 59 Suppl 1:24-29.

18. Eugene D, Djemli A, Van Vliet G 2005 Sexual dimorphism of thyroid function in newborns with congenital hypothyroidism. J Clin Endocrinol Metab 90(5):2696-700.

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Controversias en el tratamiento del hipotirodismo congenito Dra. Elisa Nishimura Meguro. Hospital de Pediatría, Centro Médico SXXI. Instituto Mexicano del Seguro Social. México

Las hormonas tiroideas juegan un papel esencial en el desarrollo neurológico en el periodo pre y

postnatal. En el periodo prenatal, las concentraciones circulantes de hormonas tiroideas dependen de la transferencia materno-fetal y de la producción fetal a partir del 2º trimestre del embarazo. El hipotiroidismo congénito (HC) implica una deficiencia parcial o total en la síntesis de hormonas tiroideas, la cual depende de la integridad anatómica y funcional de eje hipotálamo-hipófisis-tiroides. La incidencia reportada del HC es de 1:2300-1:4000 casos, lo que la señala como la causa más frecuente de retraso mental potencialmente prevenible.

Aunque los programas adecuados de tamizaje neonatal permiten el diagnóstico temprano y el

tratamiento oportuno, los pacientes con HC aún son vulnerables a secuelas motoras y cognitiva persistentes. Los estudios prospectivos reportan diferencias significativas entre algunas variables del neurodesarrollo de los niños con hipotiroidismo congénito comparado con controles sanos o con sus hermanos, que comparten determinantes genéticos y ambiente familiar (1). Aunque se ha logrado que el coeficiente intelectual de los niños con HC se encuentre dentro de límites normales aún es menor que los controles sanos, sobretodo en casos de HC severo. Por otro lado, éste no es el único objetivo del tratamiento y de hecho se han documentado alteraciones en las destrezas motoras relacionadas con la complejidad de las mismas (2-4); así como, en la atención, la memoria o las tareas visoespaciales.

En estudios sobre la evolución de adultos con HC, con el antecedente de haber sido tratados en base a criterios terapéuticos en la infancia más flexibles que los recomendados actualmente, las deficiencias reportadas en la infancia parecen persistir, relacionadas básicamente con la severidad del hipotiroidismo y de predominio en el área motora (5) o tanto en esta como en la cognitiva (6).

Factores relacionados con el neurodesarrollo del niño con HC diagnosticado por tamiz neonatal. 1.- Aporte materno de hormonas tiroideas en la etapa intrauterina.

Para asegurar un aporte adecuado al feto, debe sustituirse adecuadamente a la mujer hipotiroidea embarazada y se recomienda realizar el escrutinio de hipotiroidismo en todas las mujeres en la planeación de un embarazo o en las primeras semanas del mismo para la sustitución hormonal de ser necesario (7). 2.- Relacionados con la Severidad del hipotiroidismo (1,6,8,9):

• Niveles de T4 al diagnóstico: < 2.3 µg/dL . • Madurez esquelética: núcleo de epífisis distal femoral < 3mm en neonatos de término. • Etiología del hipotiroidismo congénito: atireosis.

3.- Relacionadas con el Tratamiento (10-13):

• Edad al diagnóstico e inicio del tratamiento: primeras 3 semanas de vida. • Dosis inicial: 10-15 µg /kg/d.

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• Concentraciones de T4: lograr concentraciones en la mitad superior de lo normal en las primeras 3 semanas de vida. • Normalización de TSH: en el primer mes de vida. • Criterios bioquímicos de tratamiento adecuados: principalmente en el primer año de vida

Las diferencias en las variables relacionadas con la severidad y el tratamiento de un niño con HC

parecen explicar las diferencias reportadas en las diversas áreas del neurodesarrollo. La severidad del hipotiroidismo al diagnóstico se refleja en el retraso en la maduración ósea y las concentraciones circulantes de hormonas tiroideas y parece tener mayor relación con el desarrollo de las funciones motoras, incluso con componentes irreversibles.

Controversias en el tratamiento del niño con HC.

Los aspectos del tratamiento del HC que aún son motivo de estudio son: Objetivos bioquímicos de tratamiento.

Existen datos que sugieren que la retroalimentación del eje hipotálamo hipófisis tiroides está alterada en el paciente con HC comparado con el paciente con hipotiroidismo adquirido. Esta evidencia incluye la necesidad de mayores dosis y concentraciones circulantes de hormonas tiroideas para lograr la normalización de TSH (14), mayor respuesta de prolactina a la administración de TRH (15) y reposicionamiento de la retroalimentación en animales de experimentación con hipotiroidismo en etapa neonatal. Por lo anterior, el alcanzar concentraciones normales de TSH sobretodo en los primeros meses de vida puede requerir mayores concentraciones de hormonas tiroideas. Si esto refleja una verdadera necesidad de hormonas tiroideas por el tejido nervioso y/o un mecanismo de retroalimentación alterado no está plenamente aclarado. Hasta el momento, no se ha comprobado de forma inequívoca que con las medidas necesarias para lograr los criterios bioquímicos de tratamiento se presenten efectos adversos aunque los mayores beneficios parecen presentarse en el subgrupo con HC severo. Dosis inicial de levotiroxina.

A mayor dosis de levotiroxina, más rápidamente se alcanzan los objetivos bioquímicos de tratamiento y se ha reportado que la dosis inicial ≥ 8.2 µg/kg/d se relaciona con menor diferencia en el desarrollo cognitivo comparado con los hermanos sanos de la misma edad (1,16). La influencia negativa de la severidad del HC al diagnóstico parece resolverse con tratamiento oportuno a altas dosis (10,17), pero esto no ha sido consistente (11). Una revisión del efecto de la dosis de levotiroxina sobre el desarrollo cognitivo, el crecimiento y el comportamiento de niños con HC identificados por escrutinio no proporcionó evidencia sólida para justificar recomendaciones a favor de dosis alta o convencional (18), que en la mayoría de las series reportadas se encuentra entre 6.5 y 10 µg/kg/d. Por otro lado, se ha reportado que el uso de dosis altas no está libre de efectos adversos ya que pueden acompañarse de alteraciones en el comportamiento y aspectos socio-emocionales (19), pero en otros estudios utilizando los mismos valores para definir dosis alta o baja, no se ha confirmado que esto persista en el adulto joven (16). Algunos autores plantean que la utilización de una dosis inicial alta de levotiroxina (12-15 µg/kg/d) se limite a los niños con HC severo, por los posibles efectos adversos y el mayor beneficio aparente limitado a este grupo de pacientes.

Sustitución con levotiroxina vs mezcla levotiroxina-triyodotironina.

En los últimos años, se ha planteado la posibilidad de retomar la sustitución con una mezcla lo más fisiológica posible de T4 y T3, como el esquema ideal de tratamiento. Lo anterior se basa en el reporte de diferencias en la tasa de conversión de tiroxina a la forma activa triyodotironina en los diferentes tejidos (20), el hecho de que la glándula tiroides normal produce una pequeña cantidad de T3 hacia la circulación general y a la posible retroalimentación negativa sobre la conversión cerebral a T3 que podría ocasionar la mayor concentración circulante de T4 que se presenta con la sustitución de únicamente levotiroxina. En sujetos adultos con hipotiroidismo, se ha reportado que la mezcla T4/T3 parece acompañarse de mejoría principalmente en aspectos neuropsicológicos, con mínima

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diferencia en variables fisiológicas y concentraciones de TSH (21,22). Sin embargo, estudios más recientes no han encontrado resultados similares (23-25). Este cuestionamiento se ha extendido a los niños, en los cuales sólo hay un estudio reportado en un grupo de 14 niños con HC, comparando T4 (10 µg/kg/d) vs T4:T3 en una relación 20:1 durante el primer año de vida. En los grupos estudiados, se encontró que el esquema combinado no parece ofrecer ninguna ventaja sobre el convencional con T4 únicamente, el cual permite normalizar más rápidamente la concentraciones de TSH (26).

Se ha sugerido que el tratamiento combinado de levotiroxina con una forma de triyodotironina de lenta liberación podría mostrar alguna ventaja. Hasta que esto no se compruebe y dado que la corteza cerebral es capaz de mantener concentraciones normales estables de T3 en un amplio rango de niveles circulantes de hormonas tiroideas, la sustitución con levotiroxina continúa siendo la recomendación para el tratamiento del hipotiroidismo congénito.

Manejo del hipotiroidismo congénito subclínico.

En los programas de tamiz neonatal, aproximadamente el 30% de los casos positivos son casos confirmados. En el resto de los casos, existe una proporción de sujetos con hipotiroidismo subclínico, con niveles normales de T4 y TSH ligeramente elevada. Un espectro continuo de severidad, causando diferentes grados de disfunción tiroidea, puede ocurrir tanto con causas genéticas como medioambientales. Se han reportado anormalidades persistentes de TSH a los 2-3 años de edad (27,28) en frecuencias tan altas como 70% en los niños positivos al escrutinio neonatal con hipotiroidismo subclínico (concentraciones normales de T4 y niveles de TSH entre 5 y 12 mU/L) en la prueba confirmatoria, aunque la proporción parece ser menor en la etapa escolar (29). No es posible predecir la aparición clínica del hipotiroidismo durante una etapa tan importante para neurodesarrollo como los primeros 2 a 3 años de vida y no se ha precisado el efecto del HC subclínico persistente sobre el neurodesarrollo del niño. Por lo tanto, parece razonable continuar con la práctica de sustituir al paciente con HC subclínico persistente y revalorar el diagnóstico a los 3 años de edad.

Referencias 1. Rovet J. Children with congenital hypothyroidism and their siblings: do they really differ? 2005 Pediatrics 11: 52-57.

2. Derksen-Lubsen G, Verkerk PH. Neuropsychologic development in early treated congenital hypothyroidism: analysis of literature data. 1996 Pediatr Res 39: 561-566.

3. Simmons WF, Fuggle PW, Grant DB, Smith I. 1994 Intellectual development at 10 years in early treated congenital hypothyroidism. Arch Dis Child 71: 232-234.

4. Weber G, Mora S, Prina Cerai LM et al. 2000 Cognitive function and neurophysiological evaluation in early treated hypothyroid children. Neurol Sci 21: 307-314.

4. Oerbeck B, Sundet K, Kase B, Heyerdahl S. Congenital hypothyroidism: influence of disease severity and L-thyroxine treatment on intellectual, motor, and school-associated outcomes in young adults. 2003 Pediatrics 112: 923-930.

5. Kempers MJE, van der Sluijs Veer L, Nijhuis-van der Sanden M, et al. 2006 Intellectual and motor development of young adults with congenital hypothyroidism diagnosed by neonatal screening. J Clin Endocrinol Metab 91: 418-424.

6. Mitchell ML, Klein R. The sequeale of untreated maternal hypothyroidism. 2004 Eur J Endocrinol 151: U45-48.

7. Wasniewska M, De Luca F, Cassio A, et al. 2003 In congenital hypothyroidism bone maturation at birth may be a predictive factor of psychomotor development during the first year of life irrespective of other variables related to treatment. Eur J Endocrinol 149: 1-6.

8. Pniewska-Siark B, Jeziorowska A, Bobeff I, Lewinski A. 2006 Analysis of physical and mental development of children with aplasia, hypoplasia and ectopy of the thyroid gland. Endoc Reg 40: 7-14.

45

9. Fisher DA. 2000 The importance of early management in optimizing IQ in infants with congenital hypothyroidism. J Pediatr 136: 273-274.

10. Leger J, Larroque B, Norton J. 2001 Influence of severity of congenital hypothyroidism and adequacy of treatment on school achievement in young adolescents: a population-based cohort study. Acta Paediatr 90: 1249-1256.

11. Bongers-Schokking JJ, Koot HM, Wiersma D, Verkerk PH, Keizer-Schrama S. 2000 Influence of timing and dose of thyroid hormone replacement on development in infants with congenital hypothyroidism. J Pediatr 136: 292-297.

12. American Academy of Pediatrics, 2006 American Thyroid Association, Lawson Wilkins Pediatric Endocrine Society. Update of newborn screening and therapy for congenital hypothyroidism. Pediatrics; 6: 2290-2303.

13. Kempers MJE, van Trotsenburg AS, van Tijn DA et al. 2005 Disturbance of the fetal thyroid hormone state has long term consequences for treatment of thyroidal and central congenital hypothyroidism. J Clin Endocrinol Metab 90: 4094-4100.

14. Sack J, Shafrir Y, Urbach D, Amado AO. 1985 Thyroid stimulating hormone, prolactine and growth hormone responses to thyrotropin releasing hormone in treated children with congenital hypothyroidism. Pediatr Res 19: 1037-1039.

15. Oerbeck B, Sundet K, Kase B, Heyerdahl S. 2005 Congenital hypothyroidism: no adverse effects of high dose thyroxine treatment on adult memory, attention, and behavior. Arch Dis Child 90: 132-137.

16. Dubuis JM, Glorieux J, Richer F et al. 1996 Outcome of severe congenital hypothyroidism: closing the developmental gap with early high dose levothyroxine treatment. J Clin Endocrinol Metab 81: 222-227.

17. Hrytsiuk I, Gilbert R, Logan S, Pindoria S, Brook Ch. 2002 Starting dose of levothyroxine for the treatment of congenital hypothyroidism. Arch Pediatr Adolesc Med 156: 485-491.

18. Rovet JF, Ehrlich R. 2000 Psychoeducational outcome in children with early-treated congenital hypothyroidism. Pediatrics 105: 515-522.

19. Escobar-Morreale HF, Obregon MJ, Escobar del Rey F, Morreale de Escobar G. 1995 Replacement therapy for hypothyroidism with thyroxine alone does not ensure euthyroidism in all tissues, as studied in thyroidectomized rats. J Clin Invest 96: 2828-2838.

20. Smith RN, Taylor SA, Massey JC. 1970 Controlled clinical trial of combined triiodothyronin and thyroxine in the treatment of hypothyroidism. BMJ 4: 145-148.

21. Bunevicius R, Kazanavicius G, Zalinkevicius R, Orange A. 1999 Effects of thyroxine as compared with thyroxine plus triioyodothyronine in patients with hypothyroidism. N Eng J Med 340: 424-429.

22. Walsh JP, Shiels L, Lim EM et al. 2003 Combined thyroxine/liothyronine treatment does not improve well-being, quality of life, or cognitive function compared to thyroxine alone: a randomized controlled trial in patients with primary hypothyroidism. J Clin Endocrinol Metab 88: 4543-4550.

23. Clyde PW, Harare AE, Getka EJ, Shakir KM. 2003 Combined levothyroxine plus liothyronine compared with levothyroxine alone in primary hypothyroidism: a randomized controlled trial. JAMA 290: 2952-2958.

24. Escobar-Morreale H, Botella-Carretero J, Gómez-Bueno M et al. 2005 Thyroid hormone replacement therapy in primary hypothyroidism: a randomized trial comparing L-Thyroxine plus Liothyronine with L-Thyroxine alone. Ann Intern Med 142: 412-424.

25. Cassio A, Cacciari E, Cicognani A et al. 2003 Treatment for congenital hypothyroidism: thyroxine alone or thyroxine plus triiodothyronine? Pediatrics 111: 1055-1060.

26. Calaciura F, Motta R, Miscio G et al. 2002 Subclinical hypothyroidism in early childhood: a frequent outcome of transient neonatal hyperthyrotropinemia. J Clin Endocrinol Metab 87: 3209-3214.

27. Daliva A, Linder B, Di Martino-Nardi J, Sanger P. 2000 Three years follow up of borderline congenital hypothyroidism. J Pediatr 136: 53-56.

28. Kohler B, Schnabel D, Volger S, Gruters A. 1996 Transient hypothyroidism and hyperthyrotropinaemia: normal thyroid function and physical development at the ages of 6-14 years. J Clin Endocrinol Metab 81: 1563-1567.

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Neurodevelopment in Congenital Hypothyroidism. Long-term Outcome Joanne Rovet, Ph.D. Neuroscience and Mental Health Program, The Hospital for Sick Children and Departments of Pediatrics and Psychology, University of Toronto, Toronto ON M5G1X8, Canada Introduction.

Congenital hypothyroidism (CH) is a pediatric endocrine disorder affecting 1 in 3000 to 4000 newborns in America and Europe (1). CH, which results from a lack of thyroid hormone (TH) during a critical window of TH-dependent brain development, was previously a leading cause of mental retardation. Because of the late appearance of its clinical signs and symptoms, the diagnosis of CH was typically quite delayed such that by the time treatment was provided, extensive brain damage had occurred. However since the advent of newborn screening programs for CH in the late 1970s to mid 1980s, detection now occurs very early in life and treatment is provided before clinical symptoms are ever evident. Consequently, children with CH are no longer mentally retarded. However, they are still at risk for a number of subtle and selective neurocognitive impairments (2) because of their brief period of TH insufficiency before treatment is given and takes effect. These impairments have been observed in infants (3, 4), children and adolescents (5, 6), and adults (7, 8). The nature and severity of their impairments reflect the timing of their TH insufficiency. A large degree of variability has been observed among the studies conducted to date and this variability is attributed to the various factors associated with the disease and its management (9). In this presentation, I will (i) review the outcome findings within multiple domains of function among patients with CH diagnosed by newborn screening, (ii) examine the contribution to outcome of factors such as disease onset and severity, time of treatment initiation, starting dosage, and time to achieve euthyroidism, and (iii) present new findings from my ongoing research program on aspects of brain development in the CH population.

Outcome in Congenital Hypothyroidism. Global Intelligence

Global intelligence is measured by standardized intelligence tests that provide a summary score of abilities on a number of tests assessing different domains of function. This score is known as the intelligence quotient or IQ while two sub-quotients, known as Verbal IQ (VIQ) and Performance IQ (PIQ), measure abilities in verbal and nonverbal functioning or visuospatial domains respectively.

A number of studies have evaluated intelligence in patients with CH who were identified by

screening. These studies can be divided into two groups based on the time period when the particular cohorts were sampled. The earlier-born “first-generation” cohorts were generally diagnosed before 1990 and received treatment within the first month of life with an average starting daily dosage of L-thyroxine between 5 and 10 µg/kg per day. The later-born or “second-generation” cohorts, which were diagnosed after 1990 and treated within two weeks of life with starting dosages of 10 to 15 µg/kg/day, are presumed to be exposed to a shorter period of TH insufficiency than those in the first generation (10). Research on the earlier cohorts has revealed a significant lowering of IQ by about a half standard deviation or 7 points (11) compared with siblings (12) and unrelated controls, a difference that continues into adulthood. Second-generation CH children have reduced IQs by about 4 points, with the size of decrement varying depending on initial disease severity, age at start of therapy, initial dosage, as well as age at testing (10). As a rule, only those with a mild condition who received a high

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starting dosage are ever fully normalized in IQ. Although VIQ and PIQ are both lowered in CH patients, the effect is generally larger for PIQ than VIQ (13).

Specific abilities A wide array of abilities is affected by CH despite newborn screening. Language deficits

reflect subtle speech and language disturbances (14) as well as delayed speech acquisition (15). As a rule, expression and word comprehension skills are more affected than grammatical abilities (16) and adults with CH still show weak naming abilities (7). On tests of visuospatial skills, children with CH show difficulties with object location and object orientation but not identifying objects (17). On tests of basic visual abilities, infants and young children with CH show deficits in contrast sensitivity and color vision but have normal visual acuity (18, 19).

Weak gross and fine motor skills are described in children (16, 20) and adults with CH (8). On

gross motor tasks, they show subtle difficulties in strength and balance, which may impact on the ability to partake in some sports. On fine motor tests, weaknesses in visuomotor integration, manual dexterity, and ball throwing are often seen.

Regarding attention, parents and teachers on questionnaires commonly report children with CH

have difficulty focusing attention. When tested directly, children with CH show difficulties if required to focus or sustain attention (21, 22) while their abilities in shifting, dividing, and controlling attention are unimpaired. Memory difficulties reflect both a smaller than normal memory span as well as weaknesses in remembering events and locations and learning new associations (23); face recognition and working memory skills are spared. Skills in the executive processing domain are generally unaffected unless treatment is significantly delayed.

On tests of academic achievement, children with CH score below siblings and classmates, particularly in math (24), and this deficit appears to extend into adulthood (8). Children with CH are also at increased risk of having a nonverbal learning disability. Their reading skills are generally unaffected unless they show an associated sensorineural hearing loss, which impacts on their early phonological processing abilities (25).

Although children with CH are not at risk for severe behavior problems, they may show an increased incidence of attention difficulties, introversion, social immaturity, restlessness, increased reactivity and environmental sensitivity (16).

Contribution of Disease and Treatment-Related Factors. Overview

Some of the primary factors that can affect outcome in children with CH are the etiology of hypothyroidism, age when the disease began (in utero or postnatally), severity of disease at diagnosis, age at treatment onset, starting dose level, time to achieve euthyroidism, compliance, and thyroid hormone levels at time of testing. CH etiology, age at onset, and severity can be considered disease-related factors that reflect both intrauterine and the postnatal hypothyroidism preceding diagnosis and provision of treatment. In contrast, factors reflecting time of treatment, dosage, and normalization are markers of initial treatment adequacy while compliance and concurrent TH levels are markers of subsequent treatment adequacy. Additional sources of outcome variability include ethnic and socioeconomic background, parent IQ, age at assessment, and types of intelligence and cognitive tests used.

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Disease-related factors Children with athyrosis, who lack a thyroid gland, have a more form of the severe disease at

diagnosis and are more likely to have poorer long-term outcome than children with other etiologies of CH. The children with athyrosis obtain the lowest IQ scores and have weaker visuospatial and arithmetic abilities than those with other forms of CH.

Age at which CH begins is measured by the child’s skeletal maturity or bone age at time of

diagnosis and this is usually, but not always, most delayed in children with athyrosis whose hypothyroidism is evident as early as the seventh or eighth months of gestation. Children with delayed bone ages at diagnosis tend to have lower IQ levels and weaker visuospatial skills than children whose bone ages were not delayed. The child’s TH at time of diagnosis is typically a marker of initial disease severity. Very low TH levels at diagnosis are associated with low IQ and there may be a critical threshold level of the hormones below which deficits are very likely to occur (26).

In general, visual, spatial, and visuomotor abilities are vulnerable to these disease-related

factors, particularly gestational hypothyroidism. Treatment-related factors

While it is well established that outcome is better the sooner after birth that the therapy starts, studies examining this variable directly have found it contributes minimally to outcome, likely because of the low degree of variation within samples that constrains the results. However, studies stratifying samples into subgroups who received early or later therapy show worse outcome in the children with a late age at onset. We previously reported that the visuomotor and language abilities of young children were sensitive to when treatment began (3). Children, who due to screening or physician error were not identified by screening and so were treated late, show delayed language and motor skills as well as significant memory and executive processing deficits (16).

To date, a considerable amount of research has been devoted to identifying the optimal starting dose for CH; however, consensus has not been reached as to what constitutes the best dosage, given the potential for persisting behavior problems in children who were over-treated. Generally, a higher dose level is associated with an earlier return to normal TH levels and a shorter time that the brain is exposed to TH insufficiency. A meta-analysis of the research findings showed better cognitive abilities and school achievement in children who received a higher than lower starting dose (27). Both age at starting therapy and dose were found to be major determinants of when TH levels normalized such that children whose TH normalized later in infancy had weaker memory and language skills than those with a short postnatal hypothyroid duration (23).

The adequacy of the maintenance dose on outcome has not been well studied although one study did show different abilities were sensitive to TH levels near time of testing than at time of diagnosis. We previously reported better memory skills in 8-year old children started on a high versus low replacement dosage, whereas memory skills were weaker in those whose dosage at time of testing was too high. Our findings also revealed poorer attention among CH children with too low or too high TH levels at time of testing compared with those with normal TH levels. Poor compliance is a further factor associated with suboptimal outcome in children with CH.

New Findings on Brain Development. A wealth of animal research shows that TH plays a critical role in the developing brain (28, 29).

Importantly, TH acts by regulating in an exquisitely controlled and orderly sequence critical brain genes underlying fundamental neurodevelopmental processes. Because different genes have different periods of TH dependency, a loss of TH has different manifestations depending on the exact time when TH was lacking (30). Processes that critically need TH include neurogenesis, neuronal migration, axon and dendrite formation, synaptogenesis, myelination, and neurotransmitter production

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and release. Brain structures having a high need for TH are the cerebellum, corpus callosum, sensory cortices, thalamus, caudate, and hippocampus as well as peripheral structures such as the retina in the eye and the cochlea in the ear. In all of these structures, TH-related abnormalities contribute to motor, visual, auditory, learning, attention, and memory problems in animals.

There is limited research on TH’s role in brain development and function in humans. Only a

few autopsy reports as well as several small-sample studies involving magnetic resonance imaging (MRI) techniques are available on children with CH. We recently conducted a study using 3-dimesional MRI to compare 16 10-14 year old CH children with well-matched controls. Preliminary findings revealed an increased incidence of neuroradiological abnormalities as well as reductions in size and metabolic integrity of the hippocampus. For example, we found that the CH group had reduced left and right hippocampal volumes as well as low levels of glutamine on magnetic resonance spectroscopy (MRS) (31). Children with CH also showed low levels of glutamine, choline, and myoinositol in the frontal lobe versus controls. Recently, researchers from Italy used functional MRI techniques to demonstrate reduced parietal and increased frontal activation in CH relative to controls on a visusopatial processing task (32). Earlier work using electrophysiological techniques reported abnormal visual evoked potentials in 64% of cases (16), an attenuated P300 response to a repeated stimulus (33), and increased VEP thresholds for contrast information (18). The clinical implications of these findings and their relations to early TH deficiencies will be discussed.

Acknowledgments. This work has been supported by grants from the Canadian Institutes of Health Research and March of Dimes (US). References. 1. LaFranchi S 1999. Congenital hypothyroidism: etiologies, diagnosis, and management. Thyroid. 9: 735-740.

2. Rovet JF 1999. Outcome in congenital hypothyroidism. Thyroid. 9: 741-748.

3. Rovet J, Ehrlich R, Sorbara D 1987. Intellectual outcome in children with fetal hypothyroidism. Implications for neonatal diagnosis. J Pediatr 110: 700-704.

4. Bongers-Shokking JJ, Koot, HM, Wiersma D, Verkerk PH, de Muinck Keizer-Schrama SMP 2000. Influence of timing and dose of thyroid hormone replacement on development in infants with congenital hypothyroidism. J Pediatr 136: 292-297.

5. Glorieux J, Dussault J, Van Vliet G 1992. Intellectual development at age 12 years of children with congenital hypothyroidism diagnosed by neonatal screening. J Pediatr 121:581-584.

6. Rovet J 2003. Congenital hypothyroidism: Persisting deficits and associated factors. Child Neuropsychology 8: 150-162.

7. Oerbeck B, Sundet K, Kase BF, Heyerdahl S. 2003. Congenital hypothyroidism: influence of disease severity and L-thyroxine treatment on intellectual, motor, and school-associated outcomes in young adults. Pediatr 112: 923-930.

8. Kempers MJ, van der Sluijs L, Nijhuis-van der Sanden MW, Kooistra L, Wiedijk BM, Faber I, Last BF, de Vijlder JJ, Grootenhuis MA, Vulsma T 2006. Intellectual and motor development of young adults with congenital hypothyroidism diagnosed by neonatal screening. J Clin Endocrin Metab 91: 418-424.

9. Rovet J, Daneman D 2003. Congenital hypothyroidism: a review of current diagnostic and treatment practices in relation to neuropsychologic outcome. Pediatr Drugs 5: 141-149.

10. Rovet J 2--5. Congenital hypothyroidism: treatment and outcome. Curr Opin Endocrin Diab 12: 42-52.

50

11. Derksen-Lubsen G, Verkerk PH 1996. Neuropsychologic development in early-treated congenital hypothyroidism: Analysis of literature data. Pediatr Res 39: 561-566.

12. Rovet JF 2005. Children with congenital hypothyroidism and their siblings: Do they really differ? Pediatr 115: e52-57.

13. Rovet JF 1999. Long-term neuropsychological sequelae of early treated congenital hypothyroidism: effects in adolescence. Acta Paediatr 88(Suppl 432):1-8.

14. Gottschalk B, Richman R, Lewandowski L 1994. Subtle speech and motor deficits of children with congenital hypothyroidism treated early. Devel Med Child Neurol 36: 216-220.

15. Rovet JF 1992. Neurodevelopmental outcome in infants and preschool children following newborn screening for congenital hypothyroidism. J Pediatr Psychol 17: 187-213.

16. Rovet J, Brown R 2007. Congenital hypothyroidism: Genetic and biochemical influences on brain development and neuropsychological functioning. In: Mazzocco M, Ross J (eds): Neurogenetic developmental disorders. Variation of manifestation in childhood. Cambridge MA: MIT Press, 265-295.

17. Leneman M, Buchanan L, Rovet J 2001. Where and what visuospatial processing in children with congenital hypothyroidism. J Intern Neuropsych Soc 7: 556-562.

18. Mirabella G, Westall C, Asztalos E, Perlman K, Koren G, Rovet J 2005. The development of contrast sensitivity in infants with prenatal and neonatal thyroid hormone insufficiencies. Pediatr Res 57: 902-907.

19. Borkowski S, Westall C, Rovet J 2005. Reduced color vision in children with thyroid hormone loss in late pregnancy and early infancy. Thyroid 15: S224.

20. Kooistra L, Laane C, Vulsma T, Schellekens JM, van der Meere JJ, Kalverboer AF 1994 . Motor and cognitive development in children with congenital hypothyroidism: a long-term evaluation of the effects of neonatal treatment. J Pediatr 124: 903-9.

21. Kooistra L, van der Meere JJ. Vulsma T, Kalverboer AF 1996. Sustained attention problems in children with early treated congenital hypothyroidism. Acta Paediatr 85: 425-429.

22. Rovet J, Alvarez M 1996. Thyroid hormone and attention in congenital hypothyroidism. Journal of Pediatric Endocrinology and Metabolism. 9: 63-66.

23. Song S, Daneman D, Rovet J 2001. The influence of etiology and treatment factors on intellectual outcome in congenital hypothyroidism. J Develop Behav Pediatr 22:376-384.

24. Rovet J, Ehrlich RM 2000. The psychoeducational characteristics of children with early-treated congenital hypothyroidism. Pediatr 105: 515-522.

25. Rovet J, Walker W, Bliss B, Buchanan L, Ehrlich R 1997. Long-term sequelae of hearing impairment in congenital hypothyroidism. J Pediatr 127: 776-783.

26. Tillotson SL, Fuggle PW, Smith I, Ades AE, Grant DB 1994 Relation between biochemical severity and intelligence in early treated congenital hypothyroidism: A threshold effect. Br Med J 309: 440-445.

27. Hrystiuk K, Gilbert R, Logan S, Pindoria S, Brook CG 2002. Starting dose of levothyroxine for the treatment of congenital hypothyroidism: a systematic review. Arch Pediatr Adolescent Med 156: 485-491.

28. Bernal J, Nunez J 1995. Thyroid hormones and brain development. Europ J Endocrinol 133: 390-398.

29. Morreale de Escobar G, Obregon MJ, Escobar del Rey F 2004. Role of thyroid hormone during early brain development. Europ J Endocrinol 151: U25-U37.

30. Zoeller RT, Rovet J 2004. Timing of thyroid hormone action in the developing brain: clinical observations and experimental findings. J Neuroendocrinol 16: 809-818.

51

31. Rovet JF, Williamson M, Nash K, Desrocher M, Sheard E, Noseworthy M 2006. Using magnetic resonance spectroscopy (MRS) to study thyroid hormone's role in hippocampal development Thyroid 16: 919-920.

32. Blasi V, Longaretti R, Giovanettoni C, Baldoli C, Ponsesilli S, Vigone MC, Saccuman C, Nigro F, Chiumello G, Scotti G, Weber G 2006. Visuospatial deficit in pediatric congenital hypothyroidism: hypoactivity in left inferior parietal cortex (submitted).

33. Hepworth S, Pang E, Rovet J 2006. Word and face recognition in children with congenital hypothyroidism: An event-related potentials study. J Clin Exper Neuropsychol 28: 509-527.

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Recuperación morfológica y funcional de estructuras cerebrales afectadas por la desnutrición perinatal: participación de las hormonas tiroideas. Salas M, Torrero C. y Regalado M Departamento de Neurobiología del Desarrollo y Neurofisiología. Instituto de Neurobiología, Campus UNAM, Juriquilla, Querétaro, Qro. México. Introducción. Durante el periodo perinatal el tejido cerebral de especies altriciales es altamente vulnerable a numerosos factores epigenéticos que incluyen entre otros a las alteraciones en el contenido de hormonas circulantes, restricción de alimento, privación sensorial, asfixia, fármacos depresores o estimulantes, metabolitos, alcohol, etc. La localización, grado de daño y deficiencias funcionales, dependen de la concurrencia temporal de estos factores con los diferentes procesos cerebrales citogenéticos que en ese momento se dan en distintas partes del cerebro (1-4).

Tanto en el ser humano como en diferentes especies animales altriciales se ha intentado caracterizar el daño neuronal producido por la desnutrición perinatal, y el hipotiroidismo congénito (HC) asociados a éstas durante etapas críticas del desarrollo. De estos estudios, resulta claro que hay muchas similitudes entre las alteraciones generadas por el ayuno perinatal y el hipotiroidismo temprano. Así, en ambos trastornos se reduce la formación de neuronas, se retrasa su migración, diferenciación, disminuye su conectividad con otras neuronas, hay deficiente formación de vasos, pobre mielinización y deficiencias en los procesos integrativos de los que dependen funciones plásticas elaboradas como la atención, memoria y aprendizaje (5-10). Estos hallazgos sugieren que el daño neuronal producido por el ayuno perinatal, se potencia con los efectos de las deficiencias en la liberación de hormonas tiroideas asociadas a la desnutrición, posiblemente por trastornos en la función del eje hipotálamo-hipófisis-tiroides, resultando de esto alteraciones estructurales y funcionales complejas que podrían ser atenuadas y/o revertidas por terapias de rehabilitación neonatal oportunas (11-16).

A pesar de esta evidencia tanto directa como indirecta de la potenciación de efectos entre la

desnutrición temprana y la función tiroidea, hay poca información acerca de sus mecanismos, así como del empleo de terapias de rehabilitación del daño neuronal causado por estas influencias (12, 16-18).

Con el propósito de encontrar un vínculo entre las mencionadas influencias y el posible efecto

neurohabilitador producido por pequeñas dosis de tiroxina y de series de estimulación sensorial temprana en la rata, esta presentación se limitará a los trastornos mejor conocidos ocurridos en la cóclea y en la corteza sensorial auditiva asociadas a la restricción perinatal de alimento. Enseguida de algunas de las alteraciones producidas por el HC congénito en esas mismas estructuras, y posteriormente, cómo las terapias de habilitación mencionadas podrían modificar la estructura y la función de las áreas cerebrales mencionadas.

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Restricción neonatal de alimento e hipotiroidismo. Efectos del ayuno perinatal sobre el desarrollo del sistema olivococlear

El complejo olivar superior está constituido por 2 pares de núcleos bulbares situados a cada lado de la línea media, a saber el núcleo lateral de la oliva superior (NLOS) y el núcleo medial del cuerpo trapezoide (NMCT). La bandeleta olivo-coclear en la rata está organizada en 2 sistemas, uno cruzado y otro ipsilateral que proveen inervación modulatoria sobre la base de las células pilosas del órgano de Corti restringiendo el ingreso de señales auditivas hacia el SNC (19-21). Con base en estudios de transporte axonal retrógrado utilizando la enzima peroxidasa de rábano, se ha mostrado que el NLOS proyecta axones no mielinizados ipsilateralmente sobre las células pilosas internas, mientras que el NMCT envía axones mielinizados tanto ipsilateralmente como contralateralmente sobre las células pilosas externas (19, 20). Asimismo, que la inervación eferente hacia las células pilosas internas ya opera al nacimiento alcanzando su madurez en el día 10 neonatal; mientras que la inervación eferente sobre las células pilosas externas alcanza su maduración hacia el día 15 de edad (22).

La restricción neonatal de alimento durante 12 h diarias (días 1 al 24), colocando a las crías

recién nacidas en una incubadora provoca reducción significativa en el número y longitud de las dendritas de las neuronas del NMCT, con efectos inconsistentes en el NLOS. Por el contrario, cuando el ayuno neonatal se acompaña de oclusión bilateral de los conductos auditivos externos mediante tapones de cemento ahulado, se observa incremento en las arborizaciones dendríticas de las neuronas del NLOS comparadas con las de las neuronas del NMCT (23) (Figura 1).

Figura 1. Árboles dendríticos de neuronas de los núcleos NLOS y NMCT de ratas control y desnutridas ocluidas bilateralmente de sus oídos. La desnutrición reduce significativamente los órdenes y longitud dendríticas en el NMCT vs el NLOS. Modificado de Torrero et al., 1999.

El desequilibrio en el control de estos sistemas eferentes a nivel de la cóclea, puede ser

parcialmente un factor importante en la integración de procesos auditivos complejos del tipo de la discriminación tonal y la cognición. Restricción de alimento y desarrollo de la corteza auditiva primaria

La restricción perinatal de alimento utilizando diferentes paradigmas de desnutrición o de malnutrición en general provoca atrofia de las neuronas de la corteza auditiva, que son de soma pequeño, con menor número, grosor y tamaño de las dendritas y reducción de la población de espinas en el modelo de las neuronas piramidales grandes de la quinta capa de la neocorteza (24). Estas alteraciones tienen un estrecho correlato con la alterada actividad eléctrica provocada por la aplicación de estímulos auditivos en ratas de diferentes edades, cuya latencia al pico principal se ve significativamente prolongada con respecto a sus testigos. Asimismo, la postdescarga que sigue al

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potencial cortical primario presenta aun hasta los 45 días de edad, significativa prolongación con respecto a las postdescargas de los animales control (25, 26). Hipotiroidismo congénito y desarrollo de la cóclea

El HC severo provocado por la administración de propiltiouracilo (PTU) a la rata gestante, resulta en notorias alteraciones tanto en la función como en la estructura del órgano de Corti de las crías (27, 28). Así, la membrana tectoria muestra distorsiones en su forma que no le permiten establecer contactos suficientes con los pelos de las células pilosas externas. Esta alteración va acompañada de una notoria persistencia del órgano de Kölliker hasta por 30 días. Esta estructura es normalmente transitoria y da origen a la propia membrana tectoria (29). En paralelo con estas alteraciones, los pilares del órgano de Corti retardan su maduración con alteraciones en los microtúbulos citoplásmicos que forman parte de su estructura y que retardan la formación del túnel de Corti por donde circula el líquido endolinfático (30). Por lo que concierne a las células pilosas internas, al parecer estas son poco afectadas en sus conexiones aferentes y eferentes por el HC y ya son funcionales al nacimiento. En cambio las células pilosas externas son más vulnerables a las influencias mencionadas, ya que presentan retardo en la retracción de dendritas aferentes supernumerarias y desarrollo incompleto de los axones eferentes con ausencia en la formación de cisternas postsinápticas dentro de las células pilosas externas (28) (Figura 2).

Figura. 2. Periodos de vulnerabilidad de las estructuras cocleares a la acción de las hormonas tiroideas. KO, Órgano de Kölliker. Modificado de Uziel, 1986.

Estas alteraciones, permiten establecer que hay un periodo de máxima vulnerabilidad de las

células pilosas externas a las hormonas tiroideas para su conexión con las eferentes olivococleares durante la primera y segunda semanas postnatales.

Parte del conocimiento antes mencionado se ha obtenido del análisis experimental del

síndrome de Pendred (31), caracterizado por la coexistencia de sordo mudez, bocio y elevada descarga de yodo posterior a la administración de perclorato. La causa del padecimiento se asocia con mutaciones del gen PDS, que codifica para una proteína de 780 aminoácidos denominada pendrina. Esta proteína funciona como un transportador iónico ubicado en la membrana apical de los tirocitos, que transporta yodo dentro del coloide donde ocurre la yodación de la tiroglobulina para la síntesis de las hormonas tiroideas. La ausencia de pendrina asociada a la mutación del gen PDS, usualmente genera HC al reducirse el transporte del yodo hacia el coloide, afectando la organificación del yodo y dañando en su etapa crítica a las estructuras de la cóclea dependientes de hormonas tiroideas como antes se mencionó. Hipotiroidismo congénito y desarrollo de la corteza sensorial auditiva

De diferentes estudios se sabe que el HC no solo afecta el desarrollo de la cóclea, sino también la organización neuronal de los distintos relevos de la información auditiva ascendente hacia la corteza sensorial. Esta afirmación, se basa particularmente en el registro de los potenciales de tallo cerebral auditivos que muestran alteraciones en su latencia y configuración. Asimismo, en alteraciones en el proceso de mielinización de los axones sensoriales ascendentes cuyo gene de

Desarrollo pre y postnatal de la membrana tectoria

OHC e inervación eferente, desarrollo postnatal 6-16

Pilares, desarrollo postnatal 6-10

IHC e inervación, desarrollo prenatal

Epitelio del surco interno, involución

postnatal 4-12 OHC aferente,

Involución postnatal

Desarrollo pre y postnatal de la membrana tectoria

OHC e inervación eferente, desarrollo postnatal 6-16

Pilares, desarrollo postnatal 6-10

IHC e inervación, desarrollo prenatal

Epitelio del surco interno, involución

postnatal 4-12 OHC aferente,

Involución postnatal

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expresión de la mielina retarda su activación antes que la audición se inicie a los 12 días de edad en la rata (32-34).

Por otra parte, al igual que en otras áreas de la corteza sensorial hay una reducción en el

número de neuronas, empobrecimiento de los árboles dendríticos y de los procesos espinosos de las grandes células piramidales de la V capa cortical, y severa reducción en la formación de los capilares corticales, así como adelgazamiento de la corteza sensorial (12, 15). Por otro lado, hay reducción en la población de axones del cuerpo calloso y de sus proyecciones a las capas III y IV de la corteza cerebral contralateral auditiva (35-37) (Figura 3).

Figura 3. Secciones coronales (A-E) mostrando las proyecciones callosas en ratas con PTU en el día P20 y sacrificadas en P22, después de inyectar WGA-HRP. Note la ausencia de neuronas marcadas en la superficie cortical y en la banda neuronal de la capa V. Niveles de sección abajo a la derecha. Modificado de Lucio et al., 1997.

El análisis de los filamentos de nestina, un elemento esencial de los procesos de la glía radial, muestra que en el HC alrededor de los días 5-10 postnatales, hay incremento significativo del número de esos procesos en todo el grosor de la corteza visual, que posiblemente sea un obstáculo para la migración neuronal, empobreciendo así la conectividad neuronal cortical y consecuentemente la función (38). Neurohabilitación de la cóclea y la corteza auditiva por hormonas tiroideas

Las estructuras cocleares son sensibles a los efectos morfogenéticos de las hormonas tiroideas durante todo el proceso de maduración, así para cada estructura se ha reconocido un periodo crítico que ocurre cuando éstas pasan por un máximo de cambios morfogenéticos (28). Cuando se provoca HC por la administración de PTU a la madre gestante en el agua de beber, se provocan severas alteraciones en la estructura y la función del órgano de Corti cuando no se da una terapia sustitutiva de hormonas tiroideas. Estas alteraciones cocleares se pueden revertir, cuando a los animales tratados con PTU se les da tiroxina (T4), pero las deficiencias son más severas mientras mas se demore el tratamiento con T4.

En la rata el HC provocado por PTU resulta en daño severo a la formación de la membrana

tectoria y persistencia del órgano de Kölliker a los 30 días de edad. La administración de T4 en los días 6 y 7 del desarrollo impide las alteraciones mencionadas. En cambio los efectos correctivos son menores cuando la T4 se da durante los días 3 y 4. Por el contrario, los efectos correctivos de estas estructuras fracasan cuando la T4 se administra del día 9 de edad en adelante.

El órgano temporal de Kölliker es muy sensible a los efectos de la T4 que transforma al

epitelio del surco interno de este órgano en epitelio cuboideo, que es esencial para la formación de la membrana tectoria (29). Así en ratas tratadas con PTU la administración de T4 entre los 6 y los 13 días neonatales promueve la transformación del órgano de Kölliker´s y el desarrollo del epitelio elevado del surco interno en epitelio cuboideo (28).

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En el caso de los pilares del túnel de Corti se ha reconocido que el periodo crítico para su formación se da entre los días 6 y 10, ya que en animales tratados con PTU sin tratamiento con T4 el túnel de Corti no se forma y además las células de los pilares del mismo permanecen inmaduras con pobre desarrollo de sus microtúbulos en el citoplasma. La administración de T4 en los días 12 y 13 ó 18 y 19 permiten la formación del túnel de Corti y atenúa casi en su totalidad las alteraciones antes mencionadas (28).

En animales tratados con PTU, la inervación de las células pilosas externas (OHCs) del

órgano de Corti, se ve afectada ya que la reabsorción de las dendritas supernumerarias de la base de estas células se ve retrasada, las eferentes de la bandeleta olivococlear se reducen y hay ausencia en la formación de cisternas postsinápticas dentro de las OHCs. Las anormalidades en la maduración estructural mencionadas se corrigen casi en su totalidad por la administración de T4 de los 6 a los 13 días de edad en el caso de la rata.

Efectos reparadores de la estimulación sensorial en la rata Durante los últimos años, se ha reconocido que la estimulación sensorial en sus diferentes

modalidades juega un papel relevante para el mantenimiento de la estructura neuronal y su función. Así, los experimentos de privación sensorial aguda o crónica o los excesos de estimulación durante la etapa crítica del desarrollo del SNC, provocan cambios en la conectividad sináptica y la eficiencia funcional tanto en el corto como en el largo plazo. Las hormonas tiroideas y la estimulación sensorial en concierto con otros factores epigenéticos son así un complemento a la influencia genética de la formación del SNC que genera diversidad en la adaptación del individuo a las demandas medio ambientales.

En un estudio previo se analizó si los efectos benéficos inducidos por la estimulación sensorial

en ratas desnutridas durante el periodo neonatal, se asocian a cambios en disponibilidad de hormonas tiroideas locales (desyodación cerebral), como sistémicos (desyodación hepática y niveles circulantes). Asimismo, se evaluó si durante el desarrollo y la maduración neuronal hay cambios en la habilidad para nadar y escapar fuera del agua. Los resultados mostraron que las ratas desnutridas permanecen bajas de peso; las desnutridas y estimuladas sensorialmente alcanzaron el patrón de nado del adulto antes que los sujetos desnutridos sin estimulación. La actividad desyodativa se midió en diferentes estructuras cerebrales, en donde cada estructura tuvo un perfil de desyodación diferente, obteniéndose valores inferiores en la corteza cerebral, cerebelo e hipotálamo de los desnutridos y mayor desyodación en la corteza cerebral y el cerebelo de los animales que recibieron estimulación sensorial. Es posible entonces que las hormonas tiroideas y otros factores de crecimiento formen parte de los mecanismos neuroendocrinos asociados a los beneficios de la estimulación sensorial en la rata (39). Agradecimientos Con el apoyo parcial de la DGAPA/UNAM, IN207-307-3. Referencias 1. Rovet JF, Ehrlich RM, Sorbara DL 1992 Neurodevelopment in infants and preschool children with congenital hypothyroidism etiological and treatment factors affecting outcome. J Pediat Psychol 17:187-213.

2. Morgane PJ, Austin-LaFrance RJ, Bronzino JD, Tonkiss J, Galler J 1992 Malnutrition and the developing central nervous system. En: The Vulnerable Brain and environmental Risks. (Isaacson RL and 3. Jensen KF (eds) Plenum Press, New York, pp 3-43.

4. Escobar C, Salas M 1993 Neonatal undernutrition and amygdaloid nuclear complex development: an experimental study in the rat. Exp Neurol 122:311-318.

5. Chan S, Kilby MD 2000 Thyroid hormone and central nervous system development. J Endocrinol 165:1-8.

57

6. Eayrs JT, Taylor SH 1951 The effect of thyroid deficiency induced by methylthiouracil on the maturation of the central nervous system. J Anat (Lond) 85:350-358.

7. Eayrs JT Horn G 1955 The development of the cerebellar cortex in hypothyroid and starved rats. Anat Rec 12:53-61.

8. Nicholson JL Altman J 1972 The effects of early hypo-and hyperthyroidism on the development of rat cerebellar cortex. I. Cell proliferation and differentiation. Brain Res 44:13-23.

9. Lewis PD, Balász R, Patel AJ, Johnson AL 1975 The effect of undernutrition in early life on cell generation in the rat brain. Brain Res 83:235-247.

10. Pharoa P, Connolly K, Elkins R, Harding A 1984 Maternal thyroid hormone levels in pregnancy and the subsequent cognitive and motor performance of the children. Clin Endocrinol 21:265-270.

11. Haddow JE, Palomaki GE, Allan WC, Williams JR, Knight GJ, Gagnon J, O´Heir CE, Mitchell ML, Hermos RJ, Waisbren SE, Faix JD, Klein RZ 1999 Maternal thyroid deficiency during pregnancy and subsequent neuropsychological development of the child. N Eng J Med 341:549-555.

12. Clos J, Legrand J 1970 Influence de la déficience thyroidienne et de la sous-alimentation sur la croissance et la myélinisation des fibres nerveuses de la moelle sciatique chez le jeune rat banc. Etude microscope electronique. Brain Res 22:285-297.

13. Ruiz-Marcos A, Sanchez-Toscano F, Obregon MJ, Escobar del Rey F, Morreale de Escobar G 1982 Thyroxine treatment and recovery of hypothiroidism-induced pyramidal cell damage. Brain Res 239:559-574.

14. Ketelslegers JM, Maiter D, Maes M, Underwood LE, Thiessen JP 1996 Nutritional regulation of the growth hormone and insulin-like growth factor-binding proteins. Horm Res 45:252-257.

15. Hébert R, Langlois J-M, Dussault JH 1985 Permanent defects in rat peripheral auditory function following perinatal hypothyroidism: determination of a critical period. Dev Brain Res 23:161-170.

16. Ruiz-Marcos A, Cartagena-Abella P, Martinez-Galan JR, Calvo R, Morreale de Escobar G, Escobar del Rey F 1994 Thyroxine treatment and recovery of pyramidal cells of the cerebral cortex from changes induced by juvenile-onset hypothyroidism. J Neurobiol. 25:808-818.

17. Regalado M, Torrero C, Salas M 1999 Maternal responsiveness of neonatally undernourished and sensory stimulated rats: Rehabilitation of maternal behavior. Nutr Neuroscie 2:7-18.

18. Salas M, Regalado M, Torrero C 2001 Recovery of long-term maternal behavioral deficiencies of neonatally underfed rats by early sensory stimulation: effects of successive parturitions. Nutr Neuroscie 4:311-322.

19. Soriano O, Regalado M, Torrero C, Salas M 2006 Contributions of undernutrition and handling to huddling development of rats. Physiol Behav 89:543-551.

20. Warr WB, Guinan JJr 1979 Efferent innervation of the organ of Corti: Two separate systems. Brain Res 173:152-155.

21. White LS, Warr WB 1983 The dual origins of the olivo cochlear bundle in the albino rat. J Comp Neurol 219:203-214.

22. Aschoff A, Ostwald J 1988 Distribution of cochlear efferents and olivocollicular neurons in the brainstem of the rat and guinea-pig. Exp Brain Res 71:241-251.

23. Carlier E, Pujol R 1978 Role of the inner hair cells in coding sound intensity: An ontogenetic approach. Brain Res 147:174-176.

24. Torrero C, Regalado M, Perez E, Loranca A, Salas, M 1999 Effects of neonatal undernutrition and binaural ear occlusion on neuronal development of the superior olivary complex of rats. Biol Neonat 75:259-271.

25. Salas M 1980 Effects of early undernutrition on dendritic spines of cortical pyramidal cells in the rat. Dev Neurosci 3:109-117.

26. Salas M, Díaz S, Cintra L 1977 Thyroid and nutritional influences on electrocortical activity development. En: Thyroid Hormones and Brain Development. Grave GD (ed) Raven Press, New York, pp 255-269.

27. Alvarado S 2003 Efectos de la desnutrición neonatal y de la estimulación sensorial temprana en las respuestas visual y auditiva provocadas en diferentes etapas del desarrollo de la rata. Tesis de Licenciatura en Nutrición. UAQ.

58

28. Gabrion J, Legrand C, Mercier B, Harricane MC, Uziel A 1984 Microtubules in the cochlea of the hypothyroid developing rat. Hearing Res 13:203-214.

29. Uziel A 1986 Periods of sensitivity to thyroid hormone during the development of the organ of Corti. Acta Otolaryngol (Stockh). 429:23-27.

30. Anniko M 1980 Embryogenesis of the mammalian inner ear. III. Formation of the tectorial membrane of the CBA/CBA mouse in vivo and in vitro. Anat Embriol 160:301-313.

31. Uziel A, Legrand C, Rabié A 1985 Corrective effects of thyroxine on cochlear abnormalities induced by congenital hypothyroidism in the rat. II. Electrophysiological study. Develop Brain Res 19:123-127.

32. Kopp P 1999 Pendred´s syndrome: Identification of the genetic defect a century after its recognition. Thyroid 9:65-69.

33. Knipper M, Bandtlow C, Gestwa L, Köpschall I, Rohbock K, Wiechers B, Zenner HP, Zimmermann U 1998 Thyroid hormone affects Schwann cell and oligodendrocyte gene expression at the glial transition zone of the VIIIth nerve prior to cochlea function. Development 125:3709-3718.

34. Bernal J, Nuñez J 1995 Thyroid hormones and brain development. Eur J Endocrinol 133:390-309.

35. Knipper M, Zinn C, Maier H, Praetorious M, Rohbock K, Köpschall I, Zimmermann U 2000 Thyroid hormone deficiency before the onset of hearing causes irreversible damage to peripheral and central auditory systems. J Neurophysiol 83:3101-3112.

36. Graves C, Hawkes R 1990 Maturation of the corpus callosum of the rat. I. Influence of thyroid hormones on the topography of callosal projections. J Comp Neurol 291:128-146.

37. Berbel P, Guadaño-Ferraz A, Martínez M, Quiles JA, Balboa R, Innocenti GM 1993 Organization of auditory callosal connections in hypothyroid adult rats. Eur J Neurosci 5:1465-1478.

38. Lucio RA, Garcia JV, Cerezo JR, Pacheco P, Innocenti GM, Berbel P 1997 The development of auditory callosal connections in normal and hypothyroid rats. Cerebral Cortex 7:303-316.

39. Martinez-Galan JR, Escobar del Rey F, Morreale de Escobar G, Santacana M, Ruiz-Marcos A 2004 Hypothyroidism alters the development of radial glial cells in the term fetal and postnatal neocortex of the rat. Dev Brain Res 153:109-114.

40. Rangel B 2000 Posible participación de las hormonas tiroideas en los efectos restauradores de la estimulación sensorial en ratas neonatalmente desnutridas. (Tesis de Maestría UNAM).