Termoregulación escrotal/testicular en toros

Resumen

La temperature testicular en toros debe ser 2 a 6 grados centígrados menor que la temperatura corporal central para la producción de espermatozoides fértiles. Los mecanismos que enfrían a los testículos incluyen el cono vascular testicular (funciona como un intercambiador de calor contra-corriente), pérdida de calor desde la superficie escrotal, relajación de los músculos escrotales, sudoración escrotal, respuestas generalizadas corporales, y gradientes de temperaturas complementarios (en escroto y testículos). Los testículos operan al borde de la hipoxia. Cuando la temperatura testicular incrementa, el metabolismo se incrementa a una tasa mayor que la del flujo sanguíneo y por lo tanto los testículos se tornan hipóxicos. Por consiguiente, los testículos son muy susceptibles a los incrementos de temperatura debido a factores endógenos ó exógenos (ej. fiebre, alta temperatura ambiental). A medida que la temperatura testicular incrementa, la proporción de espermatozoides defectuosos incrementa; la recuperación depende de la naturaleza y la duración del insulto térmico.

Introducción

La fertilidad del toro es de suma importancia en la producción bovina; un toro puede ser expuesto a 20 hembras bajo condiciones de servicio natural ó a cientos de miles vía inseminación artificial. A pesar de que muy pocos toros son estériles (incapaces de reproducir), hay un amplio rango en fertilidad de los toros, especialmente en poblaciones no seleccionadas [1]. Es bien conocido que la temperatura testicular en toros debe ser de 2 a 6 grados Celsius menor que la temperatura corporal central para la producción de espermatozoides fértiles y que los incrementos en la temperatura testicular disminuyen la calidad seminal [2]. El incremento en la temperatura testicular es la causa fundamental de infertilidad en muchos toros.

Anatomía y fisiología

Varios factores contribuyen a la regulación de la temperatura testicular. El plexo pampiniforme es una red venosa compleja que rodea la muy contorneada arteria testicular; toda la estructura (red venosa y arteria) es adecuadamente llamada el "cono vascular testicular" [3]. En el cono vascular testicular, la sangre arterial es refrigerada a medida que el calor es transferido de la arteria a la vena en un sistema clásico de transferencia de calor contra-corriente. Además, este es un sitio importante de pérdida de calor superficial debido a que la piel que rodea el cono es usualmente el área más caliente del escroto [4]. Las características del cono vascular testicular y de la temperatura de la superficie escrotal en toros de 0.5 a 3 años de edad han sido reportadas [5].

La piel escrotal es usualmente delgada y relativamente sin pelo. Existe un sistema sanguíneo y linfático subcutáneo extenso, con vasos sanguíneos localizados superficialmente, facilitando la transferencia de calor [6]. El músculo liso en las arteriolas cutáneas del escroto está inervado por neuronas simpáticas [7]; la estimulación de estas neuronas causa vasoconstricción [7]. Un aumento en la temperatura escrotal causa dilatación de estas arteriolas por acción directa del calor y por una remoción refleja del tono vasoconstrictor simpático [8].

El cuello escrotal es la parte más caliente del escroto [4]; un cuello escrotal largo, definido (escroto pendulante) provee una gran área para la pérdida de calor y aleja a los testículos del abdomen. La túnica dartos, una capa delgada de músculo liso bajo la piel escrotal, está controlada por nervios simpáticos y se contrae y relaja en ambientes fríos y calientes, respectivamente [8]. El músculo cremáster también se contrae para mover los testículos más cerca del cuerpo en condiciones frías; sin embargo, a diferencia de la túnica dartos, es un músculo estriado y no puede sostener una contracción por intervalos prolongados [8].

La sudoración y las respuestas generalizadas corporales contribuyen al enfriamiento testicular y han sido mejor caracterizadas en ovinos. En carneros Merino, las glándulas sudoríparas escrotales son más grandes y producen más sudor que las localizadas en el resto del cuerpo [9]. Similarmente, la densidad de las glándulas sudoríparas es mayor en la piel escrotal que en cualquier otra parte del cuerpo en toros [10]. Las glándulas sudoríparas apocrinas en los carneros descargan simultáneamente; la expulsión empieza cuando la temperatura superficial escrotal es alrededor de 35.5 grados Celsius y ocurre a una frecuencia de hasta 10 descargas por hora [11]. La respuesta general corporal en carneros incluye un incremento en la frecuencia respiratoria cuando la temperatura escrotal superficial sube por encima de 35 - 36 grados Celsius [8]. Adicionalmente, cuando la temperatura superficial escrotal en carneros alcanza 38 - 40 grados Celsius, la respiración se torna muy rápida (ej. 200 respiraciones por minuto), se presenta una vasodilatación periférica y las temperaturas dentro del recto y la arteria carótida pueden disminuir tanto como 2 grados Celsius en una hora [12].

Temperaturas superficial e interna

En 16 toros de carne cruzados [13], se midieron las temperaturas en tres áreas de cada testículo; superior, media e inferior. Las temperaturas promedio (grados Celsius) en estos sitios fueron: 30.4, 29.8 y 28.8 (temperatura superficial escrotal); 33.3, 33.0 y 32.9 (temperatura subcutánea escrotal); y 34.3, 34.3 y 34.5 (temperatura intratesticular). Los gradientes de temperaturas de arriba hacia abajo fueron 1.6, 0.4 y 0.2 grados Celsius para las temperaturas superficial escrotal, subcutánea escrotal e intratesticular, respectivamente. Por consiguiente, el gradiente de temperatura fue más pronunciado en la superficie escrotal, pequeño en los tejidos subcutáneos escrotales, y ausente dentro del parénquima testicular. Subsecuentemente se demostró que la superficie escrotal y los testículos tienen gradientes de temperaturas opuestos, complementarios, que resultan en una temperatura intratesticular relativamente uniforme [14]. Adicionalmente, a pesar de que la temperatura intratesticular fue significativamente mayor cuando un testículo estaba dentro del escroto comparado a cuando estaba expuesto, la temperatura superficial escrotal fue similar habiendo ó no un testículo subyacente [14]. Por consiguiente, el escroto tiene una influencia significativa sobre la temperatura testicular pero los testículos tienen una pequeña influencia sobre la temperatura escrotal.

Los gradientes de temperatura escrotal y testicular pueden ser debidos a la vasculatura. El escroto está vascularizado de arriba a abajo. Sin embargo, la arteria testicular (después de salir del aspecto ventral del cono vascular testicular) recorre la longitud del testículo (debajo del cuerpo del epidídimo), alcanza la parte baja del testículo, y después diverge en múltiples ramas que se extienden dorsalmente y lateralmente a lo largo de la superficie del testículo antes de entrar al parénquima testicular [15]. Por consiguiente, el testículo está vascularizado de abajo hacia arriba. En un estudio reciente [16], se demostró que la sangre dentro de la arteria testicular tiene una temperatura similar en la parte superior del testículo (debajo del cono vascular testicular) comparado con la parte inferior del testículo, pero que era significativamente más fría al punto de entrada en el parénquima testicular (temperaturas intra-arteriales 34.3, 33.4 y 31.7 grados Celsius, respectivamente). Consecuentemente, estos gradientes de temperatura opuestos resultan colectivamente en una temperatura intratesticular casi uniforme.

En toros, las temperaturas de la cabeza, cuerpo y cola del epidídimo promediaron 35.6, 34.6 y 33.1 grados Celsius, respectivamente, y el gradiente entre la cabeza y la cola promediaron 2.5 grados Celsius [13]. La temperatura de la cabeza fue mayor que la del parénquima testicular en la parte superior del testículo, probablemente porque la cabeza está cerca del cono vascular testicular. Sin embargo, la cola, un sitio importante para el almacenamiento del esperma y la maduración, fue levemente más fría que el parénquima testicular.

Fuentes de calor testicular

El flujo sanguíneo testicular y la toma de oxígeno fueron recientemente medidos en ocho toros Angus para determinar la importancia del flujo sanguíneo versus el metabolismo como fuentes de calor testicular [17]. El flujo sanguíneo en la arteria testicular promedió 12.4 ml por minuto. La sangre arterial fue más caliente (39.2 versus 36.9 grados Celsius, P<0.001) y tuvo un mayor porcentaje de hemoglobina saturada con oxígeno que la sangre en la vena testicular (95.3 versus 42.0% P<0.001). Basados en el flujo sanguíneo y la saturación de la hemoglobina, el oxígeno utilizado por un testículo (1.2 ml por minuto) se calculó que produce 5.8 calorías de calor por minuto, comparado con 28.3 calorías por minuto atribuidas al flujo sanguíneo (aproximadamente cinco veces más).

El testículo usualmente opera al borde de la hipoxia [8]. Un incremento de temperatura aumenta el metabolismo, con una necesidad concomitante de incrementar oxígeno para mantener el metabolismo aeróbico. Sin embargo, estudios en carneros [8] han mostrado que el flujo sanguíneo cambia muy poco en respuesta a los incrementos en la temperatura testicular y consecuentemente los testículos se tornan hipóxicos. Incrementar la saturación sanguínea de oxígeno no es práctico debido a que la sangre está casi completamente saturada bajo condiciones normales. A pesar de que incrementar el flujo sanguíneo incrementaría la entrega de oxígeno, también traería considerable calor adicional a los testículos. Por consiguiente, incrementar la pérdida de calor desde el escroto parecería la respuesta más apropiada.

Evaluación de la temperatura superficial escrotal con termografía infrarroja

Los termogramas infrarrojos del escroto de toros con termorregulación escrotal aparentemente normal tuvieron una simetría de izquierda a derecha y fueron 4 a 6 grados Celsius más calientes arriba del escroto que abajo [4,18]. Unos patrones de temperaturas más aleatorios, frecuentemente con ausencia de simetría izquierda a derecha y teniendo áreas localizadas de mayor temperatura, fueron interpretados como termorregulación anormal de los testículos ó epidídimos. A pesar de que los toros con termogramas anormales usualmente tienen semen de pobre calidad [4,18], no todos los toros con pobre calidad de semen tenían un termograma anormal. En toros con orquitis unilateral, la temperatura superficial escrotal fue mayor sobre el testículo afectado comparado con el otro testículo [18]. La temperatura superficial escrotal en carneros [19] fue altamente correlacionada tanto con la temperatura subcutánea escrotal como con la temperatura de un testículo substituto (balón lleno de agua). Sin embargo, ahora se reconoce que se debe ejercitar cautela cuando se hagan inferencias sobre la temperatura intratesticular basados en la medición de la temperatura superficial escrotal [13].

La termografía infrarroja ha sido usada como un adjunto a la evaluación de la sanidad reproductiva de los toros. Treinta toros de carne de un año de edad que fueron satisfactorios en una evaluación de sanidad reproductiva estándar, fueron expuestos individualmente a aproximadamente 18 novillas por un período de monta de 45 días [20]. Para los toros con un patrón de temperatura superficial escrotal clasificados como normal ó dudoso, las tasas de preñez 80 días después del final del período de monta fueron similares (83 versus 85%), pero fueron mayores (P<0.01) que las tasa de preñez para los toros con un patrón de temperatura superficial escrotal anormal (68%).

Efectos de la temperatura testicular elevada

Temperatura ambiental elevada

El efecto de la temperatura ambiental elevada sobre la calidad seminal ha sido determinado en muchos estudios. En un estudio, dos toros Guernsey fueron expuestos a 37 grados Celsius y 81% de humedad relativa por 12 horas por día por 17 días consecutivos [21]. Aproximadamente 30 a 40% de los espermatozoides fueron morfológicamente anormales (sobre todo colas enrolladas y cabezas sueltas) y el número total de espermatozoides, la concentración espermática, y la motilidad disminuyeron profundamente. En otro estudio [22], las temperaturas ambientales de 40 grados Celsius con una humedad relativa de 35 a 45% por tan poco tiempo como 12 horas, redujeron la calidad del semen. Los toros Bos taurus son más susceptibles a las altas temperaturas ambientales que los toros Bos indicus [22]. Después de la exposición a altas temperaturas ambientales, la disminución en la calidad de semen fue menos severa, ocurrió más tardíamente y se recuperó más rápidamente en toros cruzados (Bos indicus x Bos taurus) que en toros Bos taurus puros[23].

Aislamiento escrotal

El aislamiento del escroto (con ropa, lana u otros materiales) ha sido frecuentemente utilizado como un modelo de temperatura testicular aumentada. En un estudio [24], el escroto de toros Bos indicus x Bos taurus fue aislado por 48 horas. La naturaleza y el tiempo (Día 0 = iniciación del aislamiento) de la aparición de los espermatozoides morfológicamente anormales fueron: decapitados, Días 6 - 14; acrosomas anormales, Días 12 - 23; colas anormales, Días 12 - 23; y gotas protoplasmáticas, Días 17 - 23. Por consiguiente, el calentamiento escrotal afectó a los espermatozoides en la cabeza del epidídimo así como a las espermátides. A pesar de que la producción diaria de espermatozoides no fue afectada, las reservas de espermas epididimales fueron reducidas en casi un 50% (9.2 billones versus 17.4 billones), particularmente en la cabeza (3.8 versus 6.6 billones) y en la cola (3.7 versus 9.5 billones), tal vez debido a la resorción selectiva de espermatozoides anormales en la red testicular y en los conductos excurrentes. En otro estudio [25,26], los escrotos de seis toros Holstein fueron aislados por 48 horas (Día 0 = iniciación del aislamiento). El número de espermatozoides colectados no fue significativamente afectado pero la proporción de espermatozoides progresivamente mótiles disminuyó de un 69% (antes de la aislamiento) a 42% en el Día 15. La proporción de espermatozoides normales no fue significativamente diferente entre el Día-6 y el Día-9 (80%), disminuyó abruptamente al Día 12 (53%) y alcanzó el nadir al Día 18 (14%). A pesar de que hubo considerable variación entre los toros en el tipo y proporción de espermatozoides anormales, aparecieron anormalidades específicas en una secuencia cronológica consistente: sin cola, Días 12 a 15; diadema, Día 18; vacuolas piriformes y nucleares, Día 21; acrosoma en botón, Día 27; y defecto de diacylglicerol (Dag), Día 30. Cuando se colectaron espermatozoides 3 - 9 d después del aislamiento y se examinaron inmediatamente, su motilidad y morfología fueron similares a los valores pre-aislamiento [25]. Comparado con el semen colectado antes del aislamiento, seguido por congelación, descongelación e incubación a 37 grados Celsius por 3 horas [25], hubo reducciones significativas en la proporción de espermatozoides mótiles progresivos (46 versus 31%, respectivamente) y en la proporción de espermatozoides con acrosomas intactos (73 versus 63%). La congelación más la incubación pos-descongelación manifestaron cambios que habían ocurrido en los espermatozoides que estaban en el epidídimo al momento del aislamiento escrotal.

En un estudio reciente [27], el aislamiento escrotal (4 días) y el tratamiento con dexametasona (20 mg por día por 7 días) fueron utilizados como modelos de calentamiento testicular y estrés, respectivamente. Algunos toros parecían predispuestos a producir espermatozoides con una anormalidad particular. Cabezas piriformes, vacuolas nucleares, esperma microcefálico, y condensación anormal del ADN fueron las anormalidades más comunes en toros aislados que en los toros aislados y tratados con dexametasona. Contrariamente, el tratamiento con dexametasona resultó en un efecto más temprano y más severo sobre los espermatozoides epididimales, en un incremento mayor y más temprano en los reflejos de las piezas medias distales, y en un incremento más temprano de gotas proximales y distales. En general, los tipos de espermatozoides defectuosos y el tiempo de su detección fueron similares para los dos tratamientos.

Aislamiento del cuello escrotal

El cuello escrotal de cinco toros fue aislado por 7 días (Días 1 a 8) como un modelo de toros con excesiva condición corporal (que usualmente tienen grasa considerable en el cuello del escroto). Los espermatozoides dentro del epidídimo ó en la fase del acrosoma durante el aislamiento parecieron ser los más afectados [28]. Los toros aislados tenían el doble de espermatozoides con defectos en la pieza media y cuatro veces más gotas el Día 5, menos espermatozoides normales y tres veces más defectos de la pieza media y gotas en el Día 8, menos espermatozoides normales en los Días 15 y 18, y más espermatozoides con defectos de cabeza en los Días 18 y 21. La calidad del semen en los toros aislados casi retornó a los valores de pre-aislamiento para el Día 35. En un segundo experimento [28], la temperatura subcutánea escrotal incrementó 2.0, 1.5 y 0.5 grados Celsius en la parte superior, media y baja del testículo, respectivamente, y la temperatura intratesticular fue 0.9ºC más alta en las tres regiones correspondientes 48 horas después del aislamiento del cuello escrotal comparada con la temperatura de pre-aislamiento. Claramente el cuello escrotal es un sitio importante de pérdida de calor.

Temperatura epididimal elevada

En la mayoría de los animales, la cola del epidídimo es algo más fría que los testículos [29], facilitando la función de almacenamiento de esperma. El incremento en la temperatura de la cola del epidídimo disrumpe las funciones normales absorbentes y secretoras, cambia la composición (iones y proteínas) del fluido de la cola, e incrementa (aproximadamente tres veces) la tasa del paso espermático a través de la cola [29]. Consecuentemente, el número de espermatozoides en el primer eyaculado declina, con una disminución aún más dramática en el número de espermatozoides en los eyaculados sucesivos. Adicionalmente, el incremento en la temperatura parece acelerar prematuramente la maduración del esperma [29].

Efecto del incremento de la temperatura sobre las células testiculares

A pesar de que el calentamiento parece afectar la función de las células de Sertoli y de Leydig, las células germinales son las más sensibles al calor [30]. Todas las etapas de la espermatogénesis son susceptibles, con la severidad del daño relacionada con la proporción y duración del incremento de la temperatura [30]. Los espermatocitos en la profase meiótica mueren a causa del calor, mientras que los espermatozoides que están más maduros usualmente tienen anormalidades metabólicas y estructurales [31]. Calentar el testículo usualmente disminuye la proporción de espermatozoides progresivamente mótiles y vivos, e incrementa la incidencia de espermatozoides morfológicamente anormales, especialmente aquellos con cabezas defectuosas [32]. A pesar de que hay considerable variación entre toros en la naturaleza y proporción de espermatozoides defectuosos, el orden de aparición de defectos específicos es relativamente consistente [26,27]. A menos que las espermatogonias estén afectadas, el intervalo entre la interrupción del calentamiento y la restauración de espermatozoides normales en el eyaculado corresponde al intervalo desde el inicio de la diferenciación a la eyaculación [30]. A pesar de que la morfología espermática haya retornado a lo normal, su utilización puede resultar en una reducción en las tasas de fertilización y en un aumento en la incidencia de mortalidad embrionaria [33].

Resumen de la temperatura testicular elevada

Cuando la temperatura escrotal/testicular se ve incrementada (independientemente de la causa), la morfología espermática generalmente no está afectada inicialmente (por un intervalo correspondiente al tiempo de tránsito epididimal) pero subsecuentemente declina [32]. En algunos estudios [24,28], los espermatozoides que estaban en el epidídimo al momento del calentamiento escrotal fueron morfológicamente anormales cuando se colectaron poco tiempo después del calentamiento. En otro estudio [25], los cambios en estos espermatozoides se manifestaron solamente después de que fueron congelados, descongelados e incubados. La morfología espermática usualmente retorna a los valores pre-tratamiento aproximadamente dentro de las 6 semanas del insulto térmico. Sin embargo, un incremento prolongado y (ó) severo en la temperatura testicular aumentará el intervalo para la recuperación. Parece que la disminución en la calidad seminal asociada con el incremento en la temperatura testicular está ultimadamente relacionada con la severidad y la duración del incremento en la temperatura testicular.