Avaliação dos efeitos da L-carnitina sobre o estresse oxidativo em pacientes com desordens do metabolismo do propionato

Abstract

As desordens do metabolismo do propionato, acidemia propiônica (PAemia) e acidemia metilmalônica (MMAemia), são doenças hereditárias, autossômicas recessivas, bioquimicamente caracterizadas pelo acúmulo predominante dos ácidos propiônico (PA) e metilmalônico (MMA), respectivamente, nos tecidos e fluidos biológicos dos indivíduos afetados. Esses distúrbios comprometem o catabolismo dos aminoácidos isoleucina, valina, metionina e treonina, ácidos graxos com número ímpar de átomos de carbono e colesterol. Estas alterações no metabolismo levam a episódios de acidose metabólica grave no período neonatal, hiperamonemia, hipo/hiperglicemia, além de manifestações neurológicas, como letargia, hipotonia, convulsões e atraso no desenvolvimento psicomotor. O tratamento dessas acidemias orgânicas consiste na restrição da ingestão de proteínas e dos aminoácidos precursores do propionato, suplementada com uma fórmula semi-sintética contendo aminoácidos essenciais e L-carnitina. Estudos in vitro e in vivo têm demonstrado que os ácidos propiônico e metilmalônico estimulam a oxidação lipídica e protéica e reduzem as defesas antioxidantes em cérebro de ratos. Entretanto, os efeitos oxidantes desses ácidos orgânicos sobre o DNA e a ocorrência de estresse oxidativo em pacientes com desordens do metabolismo do propionato têm sido pouco investigados. Assim, o objetivo deste estudo foi investigar o dano oxidativo a proteínas e a lipídios, bem como a atividade da enzima butirilcolinesterase em pacientes com PAemia e MMAemia, avaliando o efeito do tratamento com Lcarnitina e dieta hipoprotéica sobre esses parâmetros e investigar o efeito in vitro dos ácidos propiônico e metilmalônico sobre o dano ao DNA, na presença e ausência de L-carnitina. Para tanto, foram utilizadas amostras de plasma e urina de pacientes com essas desordens obtidas no momento do diagnóstico e durante o tratamento com L-carnitina (100 mg/Kg/dia) e dieta hipoprotéica. Os resultados demonstraram um aumento significativo nas concentrações plasmáticas de malondialdeído e de proteínas carboniladas, e nas concentrações urinárias de ditirosina e isoprostanos, bem como uma redução significativa de tióis totais e da capacidade antioxidante, no plasma e urina respectivamente, de pacientes com PAemia e MMAemia no momento do diagnóstico dessas doenças. Por outro lado, os pacientes com PAemia e MMAemia em tratamento com dieta hipoprotéica, Lcarnitina e fórmula semi-sintética de aminoácidos apresentaram concentrações significativamente menores de malondialdeído, proteínas carboniladas, isoprostanos e di-tirosina em relação aos pacientes não-tratados. Além disso, foi observada uma relação inversa entre as concentrações plasmáticas de L-carnitina livre (r= -0,67, p<0,05) e total (r= -0,66, p<0,05) com as concentrações de malondialdeído, bem como entre os marcadores urinários de dano oxidativo e as concentrações de carnitina total e livre. Na continuidade do trabalho, foi investigado o efeito in vitro da L-carnitina, em concentrações detectadas no sangue de pacientes com PAemia e MMAemia não-tratados (30 μM) e tratados (60-150 μM), sobre o dano ao DNA em leucócitos periféricos humanos saudáveis induzido pelos ácidos propiônico e metilmalônico, através do ensaio do cometa. Os resultados desse estudo demonstraram que os ácidos propiônico (2-5 mM) e metilmalônico (0,5-5 mM) foram capazes de estimular significativamente in vitro o dano ao DNA quando comparado ao grupo controle. O tratamento in vitro com Lcarnitina reduziu significativamente os índices de dano ao DNA induzidos por PA e MMA 5 mM, de maneira dose-dependente. Ainda, o tratamento com L-carnitina evitou a indução de dano classes 3 e 4 pelo MMA, e a concentração de 150 μM de L-carnitina preveniu os efeitos lesivos de ambos os ácidos sobre o DNA. Por último, foi investigada a atividade da enzima butirilcolinesterase e as concentrações de malondialdeído no plasma de pacientes com desordens do metabolismo do propionato não-tratados (no momento do diagnóstico) e em uso de L-carnitina e dieta hipoprotéica. Os resultados encontrados mostraram que a atividade da butirilcolinesterase está significativamente reduzida, enquanto as concentrações de malondialdeído estão aumentadas no plasma dos pacientes no diagnóstico. Por outro lado, pacientes em tratamento apresentaram concentrações de malondialdeído e atividade da butirilcolinesterase estatisticamente similar ao grupo controle. Também foi observada uma correlação negativa significativa entre a atividade da enzima e as concentrações de malondialdeído no plasma dos pacientes afetados. Concluindo, os resultados desse trabalho permitem inferir que o tratamento com L-carnitina e dieta hipoprotéica é capaz de conferir proteção contra o dano oxidativo a biomoléculas (lipídios, proteínas e DNA) e a redução da atividade da enzima butirilcolinesterase que podem contribuir, ao menos em parte, na fisiopatogenia das desordens do metabolismo do propionato.

The disorders of propionate metabolism, propionic acidemia (PAemia) and methylmalonic acidemia (MMAemia), are inherited autosomal recessive diseases, biochemically characterized by the predominat accumulation of propionic acid (PA) and methylmalonic acid (MMA), respectively, in tissues and biological fluids of affected individuals. These disorders impair the catabolism of amino acids isoleucine, valine, methionine and threonine, odd-chain fatty acids and cholesterol. These alterations in the metabolism lead to severe metabolic acidosis in the neonatal period, with hyperammonemia, hypo/hyperglycemia and neurological manifestations, such as lethargy, hypotonia, seizures, and delayed psychomotor development. The treatment of these organic acidemias consists of a low-protein diet, restricted in amino acids precursors of propionate, supplemented with a semisynthetic formula containing essential amino acids and L-carnitine. In vitro and in vivo studies have demonstrated that methylmalonic and propionic acids stimulate lipid and protein oxidation and reduce antioxidant defenses in rat brain. However, the oxidant effects of these organic acids on DNA and the occurrence of oxidative stress in patients with disorders of propionate metabolism have been poorly investigated. So, the objective of the present study was to investigate lipid and protein oxidative damage, as well as the butyrylcholinesterase activity in patients with PAemia MMAemia, verifing the effect of treatment with L-carnitine and lowprotein diet on these parameters, and to investigate in vitro the effect of propionic and methylmalonic acids on DNA damage, in the presence or absence of Lcarnitine. For this purpose, plasma and urine samples were obtained from patients with Paemia and MMAemia at the moment of diagnosis and during the treatment with L-carnitine (100 mg/Kg/day) and low-protein diet. The results demonstrated a significant increase of malondialdehyde plasma concentrations and carbonylated proteins, and of urinary concentrations of di-tyrosine and isoprostanes, as well as a significant reduction of total sulfhydryl groups and the antioxidant capacity, in plasma and urine, respectively, from patients with PAemia and MMAemia at diagnosis. On the other hand, patients with PAemia and MMAemia under treatment with L-carnitine, low-protein diet and amino acids semi-synthetic formula presented a significant reduction of malondialdehyde, protein carbonyl groups, isoprostanes and di-tyrosine in relation to untreated patients. Furthermore, it was observed an inverse correlation between free (r= -0,67, p<0,05) and total (r= -0,66, p<0,05) plasma L-carnitine concentrations and the malondialdehyde levels, as well as between the urinary biomarkers of oxidative damage and the free and total Lcarnitine concentrations. Subsequently, it was investigated the in vitro effect of Lcarnitine, at concentrations detected in blood of untreated (30 μM) and treated patients with PAemia and MMAemia (60-150 μM) on DNA damage induced by propionic and methylmalonic acids in human healthy peripheral leukocytes, using the comet assay. The results of this study showed that propionic (2-5 mM) and methylmalonic (0.5-5 mM) acids were able to significantly stimulate in vitro DNA damage index (DI) when compared to the control group. In vitro treatment with Lcarnitine significantly reduced DNA damage induced by 5 mM PA and MMA, in a concentration-dependent manner. Furthermore, L-carnitine prevented cells with damage classes 3 and 4 induced by 5 mM MMA, and the dose of 150 μM of this compound prevented the harmful effects on DNA by both acids. Finally, it was investigated the butyrylcholinesterase activity and the malondialdehyde concentrations in plasma from patients with disorders of propionate metabolism at diagnosis and under therapy with L-carnitine and low-protein diet. The found results showed that the butyrylcholinesterase activity is significantly reduced, whereas the malondialdehyde concentrations are increased in plasma from patients at diagnosis. On the other hand, patients under treatment presented malondialdehyde levels and butyrylcholinesterase activity statistically similar to controls. It was also observed a significant negative correlation between this enzyme activity and the malondialdehyde concentrations in plasma from the affected patients. In conclusion, these results allow to suggest that the treatment with L-carnitine and protein restricted diet may offer protection against the oxidative damage to biomolecules (lipids, proteins and DNA) and the reduced butyrylcholinesterase activity that may contribute, at least in part, to the pathophysiology of the disorders of propionate metabolism.