Effects of the goitrogenic compounds methimazole, thiourea and propylthiouracil on the fish thyroid axis, in vivo: the sea bream (Sparus auratus) model

Abstract

Goitrogens are natural or synthetic compounds that suppress the function of the thyroid gland and inhibit the production of thyroid hormones (TH). Methimazole (MMI), propylthiouracil (PTU) and thiourea are used in the clinical treatment of human hyperthyroidism. Their mechanism of action in mammals is relatively well explained and such compounds have been employed in previous studies with fish to induce hypothyroidism, based upon the assumption that they work in the same way. However the action of such compounds in fish is not well studied and the effects are not always consistent with those obtained in mammals. In this context the main objective of the present study was to investigate the effects of goitrogenic compounds in the teleost fish, sea bream and analyze whether these compounds can depress TH production and determine how they influence different components of the thyroid axis in fish. Juvenile fish (~50 g BW) were treated for a period of 21 days with the goitrogens, MMI, PTU and thiourea (1mg/kg day through the food). Assessment of the impact of goitrogens on the central control of the thyroid cascade was assessed by histological investigation of thyroid follicles and thyroid stimulant hormone gene expression in the pituitary by qPCR, in addition to measurements of plasma thyroxine (T4) levels by radioimmunoassay. The effect of goitrogens on peripheral control was assessed by thyronine (T3) measurements in plasma and by determining deiodinase gene expression in the pituitary, liver and kidney. TH transport was also analysed by measuring transthyretin (TTR) plasma levels by Western blot and gene expression in liver with a specific quantitative PCR reaction. Only MMI significantly depressed TH production (p<0.05), especially T4. Histological appearance of the thyroid tissue in this group was indicative of increased thyroid follicle activity and was substantially different from control fish or those treated with PTU or thiourea. In MMI treated fish most of the thyroid follicles were collapsed and contained little colloid which was full of vacuoles and intracellular colloid droplets were evident in the thyrocytes. PTU treatment did not disrupt TH production, however also induced hyperplasia and hypertrophy of the thyrocytes, although it was less marked than that seen in MMI treatment. The relative expression of DI and DII in MMI treated fish was increased in the liver in parallel with the induced hypothyroidism. In contrast to the situation in the liver DI in the kidney is unresponsive to changes in the thyroid status in sea bream. MMI also decreased expression of the thyroid hormone receptor beta (TRβ) in the pituitary parallel to TH depletion, but no significant differences were found in the concentration of plasma TTR or hepatic gene expression (p> 0.05). These data demonstrate that in sea bream MMI seems to function in the same manner as reported in mammals, probably by inhibiting thyoperoxidases ability to activate iodine and transfer it to thyroglobulin. The alterations in deiodinase expression fits well with the general notion that in the sea bream in common with other teleosts peripheral deiodination is the primary control mechanism of thyroid function, independent of the hypothalamus-pituitary-thyroid axis.

Goitrogens são compostos naturais ou sintéticos que podem afectar o funcionamento da tiróide e inibir a produção das hormonas da tiróide. Methimazole (MMI), propylthiouracil (PTU) e thiourea, são utilizados no tratamento clínico do hipertiroidismo em humanos e mecanismo de acção destes compostos em mamíferos é relativamente bem conhecido. Em peixes estes compostos têm sido utilizados com o objectivo de induzir hipotiroidismo, assumindo que o sistema da tiróide trabalha da mesma forma. No entanto a acção destes compostos em peixes não tem sido suficientemente estudada e os efeitos observados muitas vezes diferem com os efeitos observados em mamíferos. Neste contexto, o objectivo do presente estudo foi investigar o efeito de compostos goitrogénicos em diferentes componentes do eixo da tiróide em sea bream, um peixe teleosteo, e analisar se estes compostos podem bloquear a produção das hormonas da tiróide. Juvenis (~50 g BW) foram tratados durante 21 dias com MMI, PTU e thiourea (1mg/kg dia – através da alimentação). Os níveis das hormonas da tiróide (T3 e T4) no plasma foram medidos por radioimunoensaio, as alterações no tecido da tiróide foram observadas e o nível de expressão de um grupo de genes envolvido na produção das hormonas da tiróide (TR,TSH,TTR e Deiodinases) foi quantificado por qPCR na pituitária, fígado e rim. Unicamente MMI diminuiu a produção das hormonas da tiróide significativamente (p<0,05), principalmente T4. O aspecto histológico do tecido da tiróide neste grupo foi indicativo de um aumento na actividade dos folículos, tendo sido drasticamente diferente dos do grupo controlo ou do grupo tratado com PTU ou thiourea. O tratamento com PTU não bloqueou a produção das hormonas, no entanto também desenvolveu tirócitos hiperplásticos e hipertrofiados, no entanto em menor intensidade do que MMI. A expressão relativa de DI e DII no tratamento com MMI foi aumentada no fígado ao mesmo tempo que o hipotiroidismo foi induzido, no entanto a expressão de DI no rim não foi alterada. MMI também diminuiu a expressão do receptor beta das hormonas da tiróide em paralelo à diminuição dos níveis das hormonas no plasma, mas não foram observadas diferenças significativas na concentração de TTR no plasma ou a sua expressão no fígado (p<0,05). Os resultados obtidos demonstram que em sea bream MMI parece actuar da mesma forma do que nos mamíferos, provavelmente pela inibição da capacidade das thyoperoxidases de activar o iodo a transferi-lo a tiroglobulína. A alteração na expressão das deiodinases esta de acordo com a ideia de que sea bream em comum com outros teleosteos o principal mecanismo de controlo da função da tiróide é a deiodinaçao periferal, independentemente do eixo hipotalamo-pituitaria-tiroide.