Hormonal Aspects of Antler Growth Regulation

• Název práce v češtině: Hormonální aspekty regulace parožního růstu
• Název v anglickém jazyce: Hormonal Aspects of Antler Growth Regulation
• Klíčová slova: jeleň európsky, Cervus elaphus, rast parožia, parožné bunky, testosterón, IGF-1
• Klíčová slova anglicky: red deer, Cervus elaphus, antler growth, antler cells, testosterone, IGF-1
• Akademický rok vypsání: 2005/2006
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra ekologie (31-162)
• Vedoucí / školitel: prof. Ing. Luděk Bartoš, DrSc.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 08.03.2010
• Datum zadání: 08.03.2010
• Datum odevzdání elektronické podoby: 31.05.2011
• Datum proběhlé obhajoby: 24.10.2011
• Oponenti: prof. Ing. Jaroslav Petr, DrSc.

Předběžná náplň práce

Parohy jeleňov sú jediným kompletne sa regenerujúcim orgánom u cicavcov a záujem vedcov o ich využitie ako modelu rastu a vývoja kostí stúpa. V posledných rokoch sa ukázalo, že regenerácia parohov je iniciovaná z kmeňových buniek lokalizovaných v okostici pučnice. Následný rast parohu do dľžky však prebieha v rastovom vrcholčeku. Len málo sa vie o endokrinnej stimuláciirastu parohu a už dlhé roky existuje nesúlad medzi in vivo a in vitro štúdiami. Ako druhotný sexuálny znak sú parohy úzko späté so sezónnymi hladinami cirkulujúceho testosterónu. Kedže sú jeho hladiny najnižšie práve v čase rastu parohov a mnohé in vitro štúdie poukazujú na stimulačný efekt inzulínu podobného rastového faktoru (IGF-1), viacerí odborníci sa prikláňajú k názoru že IGF-1 je “hormón stimulujúci rast parohov”.
Tento záver je ale v rozpore s výsledkami in vivo štúdií, ktoré ukazujú nevyhnutnosť testosterónu pre rast parohov aj v jeho nízkych koncentráciách, a taktiež s predchádzajúcim názorom, že testosterón by mal byť “hormón stimulujúci rast parohov”. Zamerali sme sa teda na overenie účinkov IGF-1 na parožné bunky. Uskutočnili sme sériu in vitro experimentov na parožných bunkách izolovaných z viacerých štádií rastových vrcholčekov parohov jeleňa európskeho (Cervus elaphus). Počas in vitro kultivácií sme sledovali vplyv rôznych faktorov ako sú deň odberu tkaniva, individualita jedincov, pasážovanie, koncentrácia bovinného séra a dľžka experimentu na intenzitu proliferácie parožných buniek. Zistili sme, že všetky tieto faktory signifikantne ovplyvnili proliferáciu buniek a dokonca sa vplyvom týchto faktorov menila intenzita proliferačnej odpovede buniek z jednotlivých jedincov, alebo na sledované hormóny. Bunky primárnych kultúr, kultivované v 10% bovinnom sére odobraté na 15. deň od zhodenia parožia proliferovali najintenzívnejšie. Ďalej sme sledovali úcinky rôznych hormónov ako testosterónu, IGF-1 a estradiolu,ako aj účinok antisteroidov Cyproterón acetátu, Flutamidu a ICI 182,780 na proliferáciu parožných buniek. Žiadny z hormónov nevyvolával u buniek jednotnú proliferačnú odpoveď,hoci testosterón a čiastočne aj estradiol v niekoľkých prípadoch proliferáciu stimulovali. Naše experimenty však nepotvrdili stimulujúci účinok IGF-1. IGF-1 buď nemalo žiadny účinok, alebo proliferáciu vo viacerých prípadoch inhibovalo. Zo zmiešaných parožných bunkových kultúr sa nám podarilo izolovať STRO-1 pozitívne mezenchymálne kmeňové bunky. Žial, pre hormonálne experimenty sa nám nepodarilo izolovať dostatočné množstvo týchto buniek. Napriek tejto skutočnosti, naše experimenty ukazujú, že pohlavné steroidy majú mitogénny vplyv na parožné bunky in vitro, a teda by mohli hrať dôležitú úlohu v stimulácii rastu parožia.
Výsledky, ktoré sme získali, sú v zhode s výsledkami mnohých iných fyziologických a behaviorálnych štúdií. Podporujú úlohu testosterónu vo fáze rastu parožia a ukazujú, že primárne kultúry pravdepodobne lepšie reprezentujú in vivo podmienky a procesy prebiehajúce v regenerujúcich sa parohoch.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Deer antlers are the only mammalian organ that completely regenerates and therefore they became an object of rising interest as a potential model for bone growth and development. In recent years, it has been confirmed that annual regeneration of the antler is initiated from the stem cell niche localised in the pedicle periosteum. Antlers grow to the length at the tip. Only a little is known about endocrine stimulation of antler growth and some discrepancy has arisen between in vivo and in vitro studies over the decades. As the secondary sexual character, the antler cycle timing and growth are linked to seasonal levels of testosterone. Since the levels are at their minimum during the antler growth phase, according to many mainly in vitro studies, insulin-like growth factor-1 (IGF-1) tends to be accepted as the “antler stimulating hormone”.
Since the conclusion about the role of IGF-1 was contradictory to previous opinions and also in contrast with our own experience, we aimed to verify the role of IGF-1 in vitro. Our experiments were based on existing in vivo studies demonstrating the importance of testosterone, even in its low levels, and on the hypothesis that testosterone should be the “antler stimulating hormone”. We performed in vitro experiments on cells derived from the growing antler tips of the red deer (Cervus elaphus) at various antler growth stages. Within in vitro cultivations we studied the effects of different factors such as antler sampling day, male individuality, passaging, concentration of foetal calf serum (FCS) and length of the experiment on the intensity of the antler cell proliferation. We found that all these factors not only significantly influenced the cell proliferation, but depending on these factors the intensity of proliferative response of cells from different individuals or under hormonal treatments was significantly changed. Next we studied the effects of various hormonal treatments as testosterone, IGF-1 and estradiol, as well as effect of antisteroids Cyproterone acetate, Flutamide and ICI 182,780, on antler cell proliferation. None of the treatments caused consistent proliferative response. However, testosterone and, partially, estradiol stimulated the proliferation in several cases. On the other hand, the stimulating effect of IGF-1 was not confirmed in our experiments, as IGF-1 either did not affect the antler cell proliferation or even inhibited it in some cases. We isolated STRO-1 positive mesenchymal stem cells from the mixed antler cell cultures but we could not perform hormonal experiments with the cells, as we were unable to obtain sufficient amounts of the positive cells for our experiments. Despite this, our results suggest that the sex steroids are mitogenic for antler cells in vitro and might play an important role in the stimulation of antler growth.
Our results are in accordance with many physiological and behavioural studies. They support the inevitable role of testosterone in the antler re-growth phase and suggest that the primary cultures may better represent the in vivo conditions and processes that occur in regenerating antlers.