Neurotoxicological and molecular aspects of methylmercury and monosodium glutamate exposure in the lobster cockroach, Nauphoeta cinerea

Abstract

O metilmercúrio (MeHg) é um neurotóxico capaz de se acumular no cérebro em desenvolvimento. Esta substância tem sido associada ao estresse oxidativo, alterações comportamentais e inibição da captação de glutamato, causando a ativação excessiva dos seus receptors e neurotoxicidade, em modelos de roedores. O glutamato monossódico (GMS) é um aditivo alimentar que também tem sido associado ao estresse oxidativo, alterações comportamentais, danos renais e hepáticos em roedores. Recentemente foi demonstrado que o GMS causou uma resposta adaptativa ao estresse oxidativo e diminuiu a sobrevivência de D. melanogaster. No entanto, estudos das possíveis interações de MeHg e GMS são raros na literatura. A N. cinerea, um inseto que representa um modelo promissor para esses estudos, foi utilizado para avaliar se existem interações sinérgicas, aditivas, antagônicas ou de potenciação após a co-exposição ao MeHg e GMS, avaliando as modificações no comportamento e na homeostase redox. A concentração de GMS utilizada foi baseada em estudos preliminares, enquanto a dose subtóxica de MeHg foi baseada num estudo anterior do nosso grupo de pesquisa. A primeira parte deste estudo envolveu a avaliação da coexposição simultânea das ninfas ao GMS ou NaCl e MeHg [Basal; 2% NaCl; 2% GMS; 0,125 mg/g MeHg; 0,125 mg/g de MeHg + 2% NaCl; 0,125mg/g MeHg + 2% GMS] por 21 dias e os seus efeitos no comportamento e nos índices de estresse oxidativo. Grupos tratados com MeHg [0,125 mg/g MeHg; 0,125 mg/g MeHg + 2% NaCl; 0,125mg/g MeHg + 2% GMS] apresentaram um aumento nos comportamentos avaliados, tais como a imobilidade, distância percorrida nas periferia e ‘bottom zone’ e uma diminuição no ângulo de rotação. MeHg + NaCl causou um aumento na distância percorrida nas periferia e ‘bottom zone’ enquanto MeHg + GMS causou um aumento na imobilidade. Houve também uma diminuição na atividade da acetilcolinesterase (AChE) e dos níveis totais de tiol, bem como um aumento nos níveis de TBARS nestes grupos [0,125 mg/g MeHg; 0,125 mg/g MeHg + 2% NaCl; 0,125mg/g MeHg + 2% GMS]. O grupo tratados apenas com MeHg apresentou um aumento ainda maior nos níveis de TBARS quando comparado aos grupos coexpostos e ao controle. O comportamento alterado observado nas ninfas sugere uma alteração no sistema colinérgico, o que poderia ser responsável pela redução da atividade da AChE. A análise de ICP-AES mostrou que os grupos tratados com MeHg [0,125 mg/g MeHg; 0,125 mg/g MeHg + 2% NaCl; 0,125mg/g MeHg + 2% GMS] apresentaram um aumento no conteúdo de Hg na cabeça em relação aos demais grupos. Por fim, a expressão dos genes que codificam proteínas do sistema antioxidante e de detoxificação (glutationa-s-transferase, tioredoxina, catalase, superoxido dismutase, peroxiredoxina) em ninfas foram avaliadas. Grupos tratados com MeHg [MeHg + NaCl; MeHg + GMS] mostraram um aumento na expressão das GstT e GstD. MeHg + NaCl causou um aumento nos níveis de mRNA de GstT, GstD, Sod, Trx1 e Cat; MeHg + GMS causou um aumento nos níveis de mRNA de GstS, GstT e GstD. Também, MeHg + GMS causou um aumento na expressão de Trx5, e uma diminuição de Trx2 e Trx1. Os efeitos de NaCl neste estudo requer uma investigação mais aprofundada. Tomados em conjunto a co-exposição de MeHg e GMS causou uma alteração na homeostase redox em N. cinerea, também o MeHg + GMS mostraram mais interação aditiva do que interação sinérgica ou antagônica.

Methylmercury (MeHg) is a neurotoxicant capable of accumulating in the developing brain. It has been associated with oxidative stress, alteration of behaviors and inhibition of glutamate uptake hence causing over-activation of glutamate receptors leading to neurotoxicity in rodent models. Monosodium glutamate (MSG) is a food additive that has also been linked with oxidative stress, alteration of behaviors, renal and hepatic damage in rodents. Recently MSG was shown to cause an adaptive response to oxidative stress while shortening life span in Drosophila melanogaster. The study of the potential interaction of MeHg and MSG is close to unavailable in literature, hence, Nauphoeta cinerea was used to evaluate if synergistic, additive, antagonistic or potentiation interaction existed after co-exposure of MeHg and MSG by evaluating modifications in behavioral and redox homeostasis. The concentration of MSG used was based on preliminary studies while the subtoxic dose of MeHg was based on the previous study by our research group. The first part of this study involved the evaluation of simultaneous co-exposure of nymphs to MSG or NaCl and MeHg [Basal; 2%NaCl; 2%MSG; 0.125mg/g MeHg; 0.125mg/g MeHg + 2% NaCl; 0.125mg/g MeHg + 2%MSG] for 21 days and its effects on behaviour and oxidative stress indices. MeHg treated groups [0.125mg/g MeHg; 0.125mg/g MeHg + 2% NaCl; 0.125mg/g MeHg + 2%MSG] showed an increase in behaviors such as immobility, distance traveled in the periphery and bottom zone and a decrease in turn angle. MeHg + NaCl caused an increase in distance traveled in the periphery and bottom zone, while MeHg + MSG caused a decrease in immobility. There was a decrease in acetylcholinesterase (AChE) activity and total thiol levels, as well as an increase in TBARS in the MeHg treated groups [0.125mg/g MeHg; 0.125mg/g MeHg + 2% NaCl; 0.125mg/g MeHg + 2%MSG]. MeHg alone caused a greater increase in TBARS levels than the other groups and control. The altered behavior observed in the nymphs suggested an alteration in the cholinergic system and this could be responsible for the reduction in AChE activity. ICP-AES analysis showed MeHg treated groups [0.125mg/g MeHg; 0.125mg/g MeHg + 2% NaCl; 0.125mg/g MeHg + 2%MSG] presented an increase in Hg content in the heads of the nymphs in relation to other groups. Ultimately, analysis of antioxidant and detoxification gene expression (glutathione-S-transferase, thioredoxin, peroxiredoxin, catalase, superoxide dismutase) in the cockroach nymphs was evaluated. MeHg treated groups [MeHg + NaCl; MeHg + MSG] showed an upregulation of GstT and GstD. MeHg + NaCl caused an upregulation of GstT, GstD, Sod, Trx1 and Cat; MeHg + MSG caused an upregulation of GstS, GstT and GstD. Also, MeHg + MSG caused upregulation of Trx5 and downregulation of Trx2 and Trx1. No alteration in the mRNA levels of Prx4 was observed. However, the effect of MeHg + NaCl in the present study requires further investigation. Taken together, co-exposure of MeHg and MSG caused an alteration of redox homeostasis in N. cinerea, also MeHg and MSG showed more of additive interaction than synergistic or antagonistic interaction.