Estudos sobre a homeostase redox em um modelo animal de acidemia glutárica tipo I

Abstract

A acidemia glutárica tipo I (AG I) causada pela deficiência severa da enzima glutaril-CoA desidrogenase, que catalisa a degradação de lisina (Lis), resulta no acúmulo predominante dos ácidos glutárico (AG) e 3-hidroxiglutárico (3HG). Visto que os mecanismos responsáveis pelos danos cortical e estriatal observados nos pacientes ainda não estão totalmente esclarecidos, avaliamos a homeostase redox em diferentes regiões cerebrais (córtex cerebral, estriado e hipocampo) e tecidos periféricos (fígado e coração) de camundongos selvagens (Gcdh+/+) e nocaute para a enzima glutaril-CoA desidrogenase (Gcdh-/-, modelo genético da AG I) com 15, 30 e 60 dias de vida. Os animais foram submetidos a uma sobrecarga de Lis através de uma injeção intraperitoneal (8 μmol/g) ou de uma dieta enriquecida com esse aminoácido (2,8 % ou 4,7% de Lis) por 60 horas ou 40 dias (2,8% de Lis). Determinamos as substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBA-RS), conteúdo de grupamentos sulfidrilas e formação de grupamentos carbonila, nitratos e nitritos e oxidação da 2’,7’- diclorofluoresceína (DCFH), concentrações de glutationa reduzida (GSH), bem como as atividades das enzimas antioxidantes glutationa peroxidase, glutationa redutase, superóxido dismutase, catalase e glicose-6-fosfato desidrogenase. Inicialmente verificamos que os grupamentos sulfidrilas estavam reduzidas em cérebro e as concentrações de GSH estavam diminuidas em fígado de animais Gcdh-/- de 15 dias, quando comparados aos animais Gcdh+/+ alimentados com uma dieta padrão. A injeção aguda de Lis, além de diminuir os níveis de GSH e os grupamentos tióis em animais Gcdh-/-, aumentou a formação de carbonilas e a oxidação de DCFH, bem como alterou as atividades das enzimas antioxidantes em cérebro e fígado, quando comparados aos animais Gcdh+/+ que também receberam Lis. Por outro lado, os parâmetros avaliados em camundongos de 30 dias de vida não diferiram no cérebro e tecidos periféricos dos animais Gcdh-/- em relação aos camundongos selvagens alimentados com uma dieta padrão. A injeção aguda de Lis em animais Gcdh- /- de 30 dias de vida provocou um aumento das concentrações cerebrais de AG e 3HG, sendo aproximadamente 40% mais altas no estriado quando comparadas com as observadas em córtex cerebral. A injeção aguda de Lis e a administração da dieta enriquecida com Lis em animais Gcdh-/- de 30 dias provocaram dano oxidativo lipídico e proteico e alteraram as defesas antioxidantes em estriado e córtex cerebral, mas não nos outros tecidos desses camundongos com relação aos animais Gcdh+/+. Além disso, animais Gcdh-/- de 60 dias de vida tratados com dieta padrão ou dieta enriquecida com Lis (2,8%) por 40 dias, a partir do 21º dia de vida, mostraram apenas um aumento nos níveis de TBA-RS em córtex cerebral e estriado, enquanto que outros parâmetros avaliados não foram significativamente alterados. Finalmente, através de coloração com hematoxilina e eosina, observou-se a presença de vacúolos no estriado de animais Gcdh-/- de 60 dias de vida após 40 dias de dieta rica em Lis (2,8%). Já em córtex cerebral se encontraram vacúolos nos animais Gcdh-/- com dieta padrão, o que não foi acentuado pela sobrecarga de Lis. Concluindo, presumimos que uma alteração da homeostase redox celular causada por sobrecarga de Lis, principalmente nos estágios iniciais do desenvolvimento, possa contribuir para a patogênese do dano cerebral particularmente estriatal na AG I.

Glutaric acidemia type I (GA I) is an organic acidemia caused by the severe deficiency of glutaryl-CoA dehydrogenase, that catalyzes the degradation of lysine (Lys), biochemically characterized by the predominant accumulation of glutaric (GA) and 3-hydroxyglutaric (3HG) acids in tissues and biological fluids of patients. Considering that the mechanisms underlying the cortical and striatal damage observed in affected individuals remain unclear, we assessed parameters of redox homeostasis in different brain regions (cerebral cortex, striatum and hippocampus) and peripheral tissues (liver and heart) of wildtype (Gcdh+/+) and knockout mice for the enzyme glutaryl-CoA dehydrogenase (Gcdh-/-, a genetic model of GA I) with 15, 30 and 60 days old. The animals were submitted to an overload of Lys through a single intraperitoneal injection (8 umol / g) or to an enriched diet with this amino acid (2.8% or 4.7 % Lys) for 60 hours or 40 days (2.8% Lys). We determined the levels of thiobarbituric acid reactive substances (TBA-RS), concentrations of sulfhydryl and carbonyl groups, nitrates and nitrites and oxidation of 2’,7’- dichlorofluorescein (DCFH), concentrations of reduced glutathione (GSH) as well as the activities of the antioxidant enzymes glutathione peroxidase, glutathione reductase, superoxide dismutase, catalase and glucose-6- phosphate dehydrogenase. We initially found that the sulfhydryl groups were reduced in the brain and GSH concentrations were decreased in the liver of 15-day-old Gcdh-/- animals, compared to Gcdh+/+ animals. Besides decreasing the concentrations of GSH and thiol groups in Gcdh-/- mice, Lys acute injection also increased carbonyl formation and DCFH oxidation, and altered the profile of antioxidant enzyme activities in brain and liver, when compared to Gcdh+/+ mice receiving Lys. The parameters measured in 30-day-old Gcdh- /- mice did not differ in brain and peripheral tissues, as compared to wild type mice treated with normal diet. However, an acute injection of Lys caused an increase of GA and 3HG concentrations in the brain, approximately 40 % higher in the striatum, when compared to the cerebral cortex levels. The Lys acute injection and the enriched Lys diet caused protein oxidative damage and altered both enzymatic and non-enzymatic antioxidant defenses in striatum and cerebral cortex of Gcdh-/- mice, but not in other tissues of these mice, when compared to the wild type mice. Furthermore, 60-day-old Gcdh-/- mice treated with a standard or a Lys enriched diet (2.8 %) for 40 days (from the 21th day of life) showed only an increase of TBA-RS levels in cerebral cortex and striatum, whereas the other parameters analyzed were not altered. Finally, histological brain sections of 60-day-old mice, stained with hematoxilin and eosin, showed the presence of vacuoles in striatum of Gcdh-/- animals 40 days after the diet supplemented with Lys (2.8%). In the cerebral cortex, vacuoles were observed in Gcdh-/- animals with standard diet, but this was not accentuated by Lys overload. In conclusion, it may be presumed that alterations in the cellular redox homeostasis caused by Lys overload, especially in the early stages of development, contribute to the pathogenesis of brain damage observed in GA I, particularly in striatum.