Korzystny wp yw selenu i magnezu na obni enie stresu oksydacyjnego w mózgach szczurów zatruwanych alkoholem

Transkrypt

1 Korzystny wp yw selenu i magnezu na obni enie stresu oksydacyjnego w mózgach szczurów zatruwanych alkoholem Beneficial effect of selenium and magnesium on reduction of oxidative stress in brain of rats intoxicated with alcohol Iwona Markiewicz-Górka (a f), Marcin Zawadzki (c, d, f), Lidia Januszewska (c, d), Iwona Pirogowicz (f), Krystyna Pawlas (b, f) Katedra i Zak ad Higieny, Akademia Medyczna im. Piastów Âlàskich we Wroc awiu Kierownik Katedry prof. dr hab. Krystyna Pawlas (a) koncepcja, (b) opracowanie wniosku grantowego (tematu statutowego) (c) zebranie materia u do badaƒ (d) badania laboratoryjne (e) statystyka (f) opracowanie tekstu i piêmiennictwa Streszczenie Celem pracy by a ocena wp ywu suplementacji selenem i/lub magnezem na aktywnoêç enzymów antyoksydacyjnych i z agodzenie, indukowanego przez alkohol, stresu oksydacyjnego w mózgach szczurów. 40 szczurów, samców, szczepu Wistar podzielono na 5 grup: 1 kontrolnà i 4 grupy pijàce alkohol. Szczury zatruwane alkoholem otrzymywa y do picia 15% roztwór etanolu przez 4 dni w tygodniu, a przez kolejne 3 dni podawano im czystà wod lub wod z dodatkiem magnezu (100 mg Mg/l H 2 O), selenu (0,4 mg Se/l H 2 O) lub jednoczeênie magnezu i selenu. Eksperyment prowadzono przez 3 miesiàce. Zatruwanie szczurów etanolem, powodowa- o obni enie aktywnoêci katalazy (o 20%) i znaczàcy (blisko dwukrotny) wzrost st enia malonylodialdehydu (MDA) w mózgach w porównaniu do zwierzàt kontrolnych. Podawanie szczurom magnezu i/lub selenu zwi ksza o aktywnoêç katalazy i dysmutazy ponadtlenkowej oraz obni a o st enie MDA w mózgach. U szczurów pijàcych alkohol obserwowano tak e wzrost aktywnoêci peroksydazy glutationowej (GPx). AktywnoÊci peroksydazy glutationowej i katalazy w mózgach by y najwy sze u zwierzàt, którym jednoczeênie podawano Mg i Se. Wnioski: Zwi kszenie poda y Se i/lub Mg w okresach abstynenckich powoduje wzrost aktywnoêci enzymów neutralizujàcych wolne rodniki i obni enie stresu oksydacyjnego w mózgach szczurów. S owa kluczowe: alkohol, mózg, selen, magnez, malonylodialdehyd Summary The aim of the study was to estimate the influence of supplementation with selenium and/or with magnesium the activities of antioxidative enzymes and alleviation of oxidative stress induced by ethanol in the rats brains. Forty male rats of Wistar strain were organized into five groups: 1 control and 4 groups which were given to drink alcohol. Rats were intoxicated with 15% solution of ethanol 4 days a week, and tap water and also water supplemented with selenium (0.4 mg Se/l), magnesium (100 mg Mg/l) or simultaneously with magnesium and Nades ano: Zatwierdzono do druku: Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2) 55

2 selenium for the next 3 days. The experiment has been carried out for over 3 months. The intoxication of rats with ethanol decreased catalase activity (about 20%) and significantly (about twice) rose the concentration of malonylodialdehyde (MDA) in brains in comparison with the control animals. Magnesium and/or selenium administration increased catalase and superoxide dismutase activities and lowered concentration of MDA in brains. In rats drinking alcohol increase of activity of glutathione peroxidise (GPx) was noted. The highest glutathione peroxidase and catalase activities were found in brains of rats supplemented with magnesium and selenium simultaneously. Conclusions: Increased supply of Se and/or Mg during the periods of abstinence increases the activities of enzymes neutralizing free radicals and lessens oxidative alcohol induced stress in brains of rats. Key words: alcohol, brain, selenium, magnesium, malonylodialdehyde. Wst p Indukcja stresu oksydacyjnego jest istotnym mechanizmem patogenetycznym odpowiedzialnym za powodowane przez alkohol uszkodzenia i zaburzenia funkcjonowania ró nych narzàdów [1]. Mózg jako organ o intensywnym metabolizmie tlenowym i du ej zawartoêci wielonienasyconych kwasów t uszczowych jest szczególnie podatny na szkodliwe dzia anie oksydantów, generowanych podczas metabolizowania etanolu. Procesom tym sprzyja równie du e st enie elaza w mózgu. Alkohol zwi ksza zawartoêç niezwiàzanych z bia kami jonów tego metalu, katalizujàcych wytwarzanie wolnych rodników wreakcji Fentona [2]. Alkohol etylowy atwo przechodzi przez barier krew mózg, gdzie jest utleniany do aldehydu octowego przez katalaz oraz w mniejszym stopniu przez dehydrogenaz alkoholowà, a tak e metabolizowany na drodze beztlenowej z wytworzeniem estrów etylowych kwasów t uszczowych (FAEE) [1, 2]. Zarówno aldehyd octowy jak i FAEE mogà bezpoêrednio uszkadzaç mitochondria, zaburzaç ich funkcjonowanie i nasilaç generacj wolnych rodników [3, 4]. Aldehyd octowy, toksyczny metabolit alkoholu reaguje z grupami aminowymi, hydroksylowymi, i sulfydrylowymi bia ek, zmienia ich struktur i powoduje inhibicj enzymów. Jest silnym generatorem wolnych rodników. Reaguje z lipidami i nasila peroksydacj lipidów b on komórkowych. Sprzyja konwersji dehydrogenazy ksantynowej do oksydazy ksantynowej, co prowadzi do zwi kszonej generacji anionorodnika ponadtlenkowego i nadtlenku wodoru. Addukty aldehydu octowego z bia kami i kwasami nukleinowymi wykrywane w tkance mózgowej alkoholików, odpowiedzialne sà za uszkodzenie komórek i degeneracj neuronów [3]. Podczas przewlek ego nadu ywania alkoholu znaczàco zwi ksza si rola mikrosomalnego uk adu utleniania etanolu (Microsomal Ethanol Oxidizing System, MEOS) z udzia- em cytochromu P450 2E1 (g ównie izoenzymu CYP2E1), szczególnie aktywnego w generacji wolnych rodników. Ta droga metaboliczna prowadzi do wytworzenia aldehydu octowego i rodnika 1-hydroksyetylowego [1]. Powstawanie stresu oksydacyjnego w mózgu jest nie tylko zwiàzane z procesami metabolizowania etanolu i dzia aniem jego toksycznych metabolitów, lecz równie z powodowanym przez alkohol obni eniem obrony antyoksydacyjnej, w tym zmniejszeniem aktywnoêci enzymów antyoksydacyjnych i st enia zredukowanego glutationu [2, 5]. Spadek wydolnoêci antyoksydacyjnej jest pog biany, przez obserwowane u alkoholików niedo ywienie i deficyt substancji od ywczych (witamin, sk adników mineralnych) [6, 7]. Spo ywanie alkoholu utrudnia wch anianie, nasila wydalanie i zaburza metabolizm witamin i biopierwiastków, bioràcych udzia w obronie antyoksydacyjnej tkanek, w tym równie magnezu i selenu [7 9]. Selen jest biogennym, pierwiastkiem Êladowym a jego niedobór wià e si ze zwi kszonym ryzykiem rozwoju chorób uk adu krà enia, neurodegeneracyjnych inowotworowych [10, 11]. Wchodzi w sk ad selenobia ek i selenoenzymów takich jak m.in. reduktaza sulfotlenku metioniny, reduktaza tioredoksyny czy peroksydaza glutationowa, bioràcych udzia w obronie antyoksydacyjnej, utrzymaniu i przywracaniu wewnàtrzkomórkowej równowagi oksydacyjno-redukcyjnej. Peroksydaza glutationowa (GPx) stanowi pierwszà lini obrony, usuwa H 2 O 2 i toksyczne nadtlenki zmniejszajàc uszkodzenia komórek powodowane przez reaktywne formy tlenu. Selen jest niezb dny do prawid owego funkcjonowania uk adu nerwowego [8, 10]. Obni one st enie tego pierwiastka i spadek aktywnoêci enzymów selenozale nych zwi ksza utrat komórek nerwowych w zwierz cych modelach chorób neurodegeneracyjnych. Genetycznie uwarunkowany niedobór GPx zwi ksza wra liwoêç mózgu na niedokrwienie i neurotoksyny. Natomiast zwi kszenie jej aktywnoêci w wyniku wzrostu poda y Se lub nadekspresji genu dla GPx agodzi uszkodzenia powodowane przez te czynniki [10]. Ârednie st enia Se w surowicy ludzi ró nià si równie w zale noêci od obszaru geograficznego i w znacznej mierze zale à od zawartoêci tego pierwiastka w glebie, wodzie i spo ywanych produktach [12]. Europa Êrodkowo-wschodnia, w tym Polska, nie nale à do terenów szczególnie zasobnych w ten pierwiastek. U znacznej cz Êci bada- 56 Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2)

3 nych osób z ró nych regionów kraju obserwuje si relatywnie niskie st enie Se w surowicy, na poziomie µg/l, odpowiadajàce dziennemu spo yciu µg, przy zalecanym, wynoszàcym 55 µg/dob [12]. Na przyk ad w populacji Górnego Âlàska bardzo niskie st enie selenu w surowicy *40 µg/l stwierdzono u 13,5% m czyzn i 14,2% kobiet, a st enia z przedzia u µg/l mia o a 46,2% kobiet i 37,5% m czyzn. Jedynie u 10,2% kobiet i 11,7 % m czyzn zawartoêç selenu w surowicy by- a optymalna ( 80 µg/l) [13]. Magnez aktywuje oko o 350 enzymów, jest drugim po potasie kationem wewnàtrzkomórkowym, uczestniczy w metabolizmie lipidów, bia ek, w glowodanów i kwasów nukleinowych. Stabilizuje b ony komórkowe i reguluje przez b onowy transport wapnia, sodu i potasu. Jako aktywator enzymów uczestniczàcych w wytwarzaniu, magazynowaniu i wykorzystaniu wysokoenergetycznych wiàzaƒ w czàsteczkach ATP (adenozynotrójfosforanu) odpowiada za gospodark energetycznà i wywiera poêredni wp yw na wi kszoêç procesów zachodzàcych w organizmie. Zmniejszanie wewnàtrzkomórkowego magnezu wp ywa niekorzystnie na funkcjonowanie mitochondriów i produkcj energii, zmienia przepuszczalnoêç b on komórkowych, zwi ksza st enie jonów Ca 2+ wkomórce, produkcj wolnych rodników i czynników prozapalnych [14]. W Polsce 30 60% populacji przyjmuje niewystarczajàcà iloêç magnezu, a Êrednia poda z dietà jest mniejsza o ok. 15% od zalecanej dawki [15]. Nadu ywanie alkoholu i alkoholizm równie zaburza metabolizm i redukuje zasoby magnezu w ró nych tkankach, w tym tak e w mózgu. Jest to zwiàzane z niedo ywieniem, utrudnionym wch anianiem, nasileniem diurezy, a tak e utratà jelitowego magnezu podczas wymiotów [9]. Powodowane przez alkohol uszkodzenie mózgu i udar sà poprzedzane przez szybki spadek wewnàtrzkomórkowego magnezu, wzrost jonów Ca +2 w cytoplazmie i zwiàzane z tym zw enie naczyƒ t tniczych. Podawanie magnezu moduluje przep yw jonów wapnia przez b ony komórkowe, powodujàc rozszerzenie naczyƒ krwionoênych. Obni anie st enia jonów Mg 2+ wb onach komórkowych mi Êni g adkich naczyƒ krwionoênych mo e byç istotnym mechanizmem odpowiedzialnym za uszkodzenie tkanki mózgowej. Powoduje generacj reaktywnych form tlenu i wzrost st enia wewnàtrzkomórkowych jonów Ca 2+. Prowadzi to do aktywacji izoenzymów kinazy bia kowej C i indukcji jàdrowego czynnika transkrypcyjnego NF-kB, zaanga- owanych w uszkodzenie komórek i tkanki mózgowej [15]. W badaniach in vitro, zaobserwowano, e wra liwoêç neuronów korowych na stres oksydacyjny zwi ksza si w medium pozbawionym magnezu. Brak magnezu destabilizuje b ony komórkowe, powoduje uwalnianie zredukowanego glutationu do medium i spadek jego st enia w komórkach, a wkoƒcu Êmierç neuronów w wyniku ich uszkodzenia oksydacyjnego [16]. Cel pracy Wysokie spo ycie alkoholu w naszym kraju przy jednoczesnej, niskiej poda y selenu i magnezu z po- ywieniem uzasadnia podejmowanie badaƒ nad wp ywem tych pierwiastków na zahamowanie, indukowanych alkoholem niekorzystnych zmian w organizmie. Wp yw chronicznego i doêç intensywnego spo ywania alkoholu (kilka razy w tygodniu przez 3 miesiàce) na procesy oksydacyjne w mózgu badaliêmy na modelu zwierz cym. Celem pracy by a ocena wp ywu podawania selenu i/lub magnezem z wodà pitnà w okresach abstynenckich na aktywnoêç enzymów antyoksydacyjnych i z agodzenie, indukowanego przez alkohol, stresu oksydacyjnego w mózgach szczurów. Materia i metody Zwierz ta i protokó eksperymentu DoÊwiadczenie przeprowadzono na 40 szczurach, samcach szczepu Wistar. Na poczàtku eksperymentu zwierz ta mia y 6 7 tygodni i wa y y ok. 200 g. Szczury zosta y podzielone na 5 grup (po 8 zwierzàt w ka dej): grup kontrolnà (K) i 4 grupy zatruwane alkoholem. Zwierz ta zatruwane alkoholem otrzymywa y do picia 15% roztwór etanolu przez 4 dni wtygodniu, a przez kolejne 3 dni podawano im czystà wod (grupa Et) lub wod z dodatkiem magnezu (100 mg Mg/l H 2 O) (grupa Et+Mg) lub selenu (0,4 mg Se/l H 2 O) (grupa Et+Se) lub jednoczeênie magnezu i selenu (grupa Et+Mg+Se). Szczury przebywa y w plastikowych klatkach, w naturalnych warunkach oêwietleniowych i w temperaturze pokojowej. Karmione by y standardowà paszà dla szczurów ad libitum. Eksperyment prowadzono przez 3 miesiàce. IloÊç wypijanych p ynów i waga szczurów by y systematycznie mierzone podczas eksperymentu. Po up ywie tego czasu, ok. 72 h od ostatniego podania alkoholu, szczury dekapitowano przez domi Êniowe podanie ketaminy i dyslokacj kr gów szyjnych. Mózgi zosta y pobrane, zamro one w temp. 180 C i trzymane w takim stanie do momentu oznaczeƒ biochemicznych. Eksperyment przeprowadzony zosta za zgodà Lokalnej Komisji Etycznej ds. doêwiadczeƒ na zwierz tach we Wroc awiu, nr pozwolenia 47/2007. Przyrost wagi cia a, iloêç wypijanych p ynów, oraz pobór przez szczury alkoholu, magnezu i sele- Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2) 57

4 nu przedstawiono w naszym poprzednim doniesieniu z badaƒ przeprowadzonych na tym samym modelu doêwiadczalnym [17]. Ârednia dawka alkoholu pobierana przez zwierz ta podczas zatruwania etanolem (4 dni w tygodniu) wynosi a ok. 7,4 g/kg/m.c./dob. Natomiast w dniach suplementacji selenem i/lub magnezem (okres abstynencji, 3 dni w tygodniu) szczury przyjmowa y odpowiednio: ok. 2 g mg /kg/m.c./dob i 19,4 µg Se/kg/m.c./dob [17]. Oznaczenia biochemiczne AktywnoÊç dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) ikatalazy (CAT) zmierzono spektrofotometrycznie, przy u yciu gotowych, zestawów odczynników firmy Cayman Chemical: nr kat (dla CAT) i nr kat (dla SOD). Natomiast pomiar aktywnoêç peroksydazy glutationowej (GPx) i st enia malonylodialdehydu wykonano przy u yciu testów firmy OxisResearch: Kit GPx-340TM (Nr kat ) oraz MDA-586 (Nr kat ), odpowiednio. Pomiary biochemiczne zosta y wykonane ÊciÊle wed ug zamieszczonych instrukcji. Tkanki homogenizowano w odpowiednich buforach i odwirowywano, a do oznaczeƒ pobierano supernatanty. Bufory u ywane do homogenizacji tkanek i parametry wirowania by y zgodne z zaleceniami producenta. St enie bia ka w próbkach, oznaczone zosta o za pomocà testu Protein Assay Kit Procedure No. P 5656 firmy SIGMA DIAGNOSTICS. Albumina wo owa zosta a u yta jako standard. Analiza statystyczna Wyniki oznaczeƒ przedstawiono jako Êrednia (5SD). Analiz statystycznà wykonano za pomocà programu STATISTICA 8.0 dla Windows. Do badania istotnoêci ró nic mi dzy grupami zmiennych stosowano jednoczynnikowà analiz wariancji ANOVA, a nast pnie testy post hoc (NIR). JeÊli wariancje by y niejednorodne korzystno z testu Cochrana-Coxa. Istnienie korelacji mi dzy grupami zmiennych o rozk adach normalnych badano testem Pearsona. Wyniki badaƒ Enzymy antyoksydacyjne Wyniki oznaczeƒ enzymów antyoksydacyjnych przedstawiono w tabeli I. Tabela I. AktywnoÊci enzymów antyoksydacyjnych: katalazy (CAT), peroksydazy glutationowej (GPx), dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) w mózgach szczurów Table I. Activities of antioxidative enzymes: catalase (CAT), glutathione peroxidise (GPx), superoxide dismutase (SOD) in brains of rats Katalaza Peroksydaza Dysmutaza Grupy szczurów (CAT) glutationowa (GPx) ponadtlenkowa (SOD) (n48) [U CAT /mg bia ka] [mu GPx /mg bia ka] [U SOD /mg bia ka] Kontrolna (K) 8,58 (51,65) 171,9 (535,5) 0,99 (50,32) Et 6,61 (51,55) a 221,8 (550,1) a 1,32 (50,34) Et&Mg 7,91 (51,39) c 196,2 (539,9) c d 1,64 (50,13) a b Et&Se 8,95 (51,43) b c 234,4 (527,7) a 1,86 (50,30) a b Et&Mg&Se 12,28 (52,17) a b 249,9 (530,6) a 1,78 (50,35) a b ObjaÊnienia: Grupy szczurów: K kontrolna, Et intoksykowana alkoholem, Et&Mg, Et&Se, Et&Se&Mg intoksykowane alkoholem, suplementowane magnezem lub/i selenem, odpowiednio a, b, c, d ró nice statystycznie istotne mi dzy grupami szczurów, p*0,05 a ró nica statystycznie istotna mi dzy grupà kontrolnà, a grupami pojonymi alkoholem, p*0,05 b ró nica statystycznie istotna mi dzy grupà intoksykowanà alkoholem (Et), a grupami intoksykowanymi etanolem i suplementowanymi magnezem i/lub selenem, Et+Mg, Et+Se, Et+Se+Mg, p*0,05 c ró nica statystycznie istotna mi dzy grupami Et+Mg, Et+Se, a grupà Et+Se+Mg, p*0,05 d ró nica statystycznie istotna mi dzy grup Et+Mg a grup Et+Se, p*0,05. Explanation: Groups of rats: K control, Et intoxicated with alcohol, Et&Mg, Et&Se, Et&Se&Mg intoxicated with alcohol, supplemented with magnesium or/and selenium, respectively a, b, c, d significant differences between groups of rats, p*0.05 a Intoxicated with alcohol groups: Et, Et+Mg, Et+Se, Et+Se+Mg significantly different from control group C, p*0.05 b Groups supplemented with Mg and/or Se (Et + Mg, Et + Se, Et + Se + Mg) significantly different from group intoxicated with alcohol alone Et, p*0.05 c Et + Mg, Et + Se groups significantly different from group Et+Se+Mg, p*0.05 d Et + Mg significantly different from Et + Se, p* Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2)

5 Peroksydaza glutationowa (GPx) Peroksydaza glutationowa wzrasta a w grupach pojonych alkoholem (Et, Et&Mg, Et&Se, Et&Se&Mg), odpowiednio o 29%, 14%, 36% i 45% w porównaniu do grupy kontrolnej. Jedynie w grupie Et&Mg wzrost ten nie by statystycznie znaczàcy. AktywnoÊç tego enzymu by a ni sza w grupie suplementowanej tylko magnezem (Et&Mg) ni w grupach Et&Se i Et&Se&Mg, p*0,05. Katalaza (CAT) Alkohol obni a aktywnoêç katalazy (o 20%). Podawanie Se i/lub Mg (grupy: Et&Mg, Et&Se, Et&Se&Mg), zwi ksza o aktywnoêç tego enzymu odpowiednio o 20%, 35% i 86% w porównaniu do grupy Et. W przypadku grupy Et&Mg wzrost ten jednak nie by statystycznie istotny. Najwy szy wzrost aktywnoêci katalazy odnotowano w grupie suplementowanej jednoczeênie Se i Mg (Et&Se&Mg). AktywnoÊç CAT w tej grupie by a wy sza o 43% w porównaniu do grupy K, o 55% ni w grupie Et&Mg i o 37% ni w grupie Et&Se. Dysmutaza ponadtlenkowa (SOD) Uszczurów suplementowanych Se i Mg, grupy: Et&Mg, Et&Se i Et&Mg&Se obserwowano istotny statystycznie wzrost aktywnoêci dysmutazy ponadtlenkowej (SOD), odpowiednio o 66%, 88% i 80% w porównaniu do grupy K oraz o 24%, 41% i 35% w porównaniu do grupy zatruwanej etanolem, niesuplementowanej (Et), p*0,05. St enie malonylodialdehydu (MDA) Wyniki pomiarów malonylodialdehydu w mózgach szczurów przedstawiono na rycinie 1. Zatruwanie etanolem (grupa Et), powodowa a znaczàcy wzrost st enia MDA w mózgach szczurów, w porównaniu do grupy kontrolnej (K). Zwi kszenie poda y selenu i magnezu w okresach abstynenckich (grupy: Et&Mg, Et&Se, Et&Mg&Se) obni a o poziom produktów peroksydacji lipidów odpowiednio o 41%, 37% i 43% w porównaniu do grupy pijàcej alkohol, niesuplementowanej (Et+Se), p*0,05. St enie MDA w grupie otrzymujàcej jednoczeênie selen i magnez (Et&Mg&Se) by o ni sze o 10% ni u suplementowanej tylko selenem (Et+Se), p*0,05. Analiza korelacji Analiza korelacji wykaza a silnà zale noêç mi dzy wzrostem aktywnoêci katalazy a spadkiem st - enia produktów peroksydacji lipidów (malonylodialdehydu) w mózgach szczurów (r410,421, p40,009) rycina a MDA [nmol/g tkanki] MDA [nmol/g tissue] b b c b K Et Et+Mg Et+Se Et+Mg+Se ObjaÊnienia: patrz pod tabelà 1 Explanation: see under table 1 Rycina 1. Wp yw intoksykacji alkoholem, suplementacji magnezem i/lub selenem na st enie malonylodialdehydu (MDA) w mózgach szczurów Figure 1. Influence of alcohol intoxication, and with magnesium and/or selenium supplementation on concentration of malonylodiadyhede (MDA) in brains of rats Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2) 59

6 r = 0,421, p = 0, MDA r wspó czynnik korelacji, p poziom istotnoêci r coefficiets of correlation, p level of significant CAT Rycina 2. Korelacja mi dzy st eniem malonylodialdehydu (MDA) i aktywnoêcià katalazy (CAT) w mózgach szczurów Figure 2. Correlation between concentration of malonylodialdehyde (MDA) level and catalase (CAT) activity in the rats brains Dyskusja Udzia reakcji wolnorodnikowych i stresu oksydacyjnego w poalkoholowym uszkodzeniu organów, w tym mózgu jest dobrze udokumentowany w literaturze [1 3, 5, 16]. Mechanizm uszkodzenia mózgu przez alkohol jest z o ony i wielokierunkowy. Stres oksydacyjny jest prawdopodobnie poczàtkowym i zasadniczym etapem rozwoju zmian patologicznych w mózgu, a wzrost jego poziomu jest obserwowany jeszcze przed wystàpieniem znaczàcych zmian histopatologicznych i fizjologicznych w tym organie [5]. Wyniki naszych badaƒ wskazujà, e d ugotrwa e spo ywanie alkoholu (przez trzy miesiàce, kilka razy w tygodniu, w dawce wynoszàcej ok. 7,4 g etanolu/kg masy cia a/24h), zaburza równowag oksydacyjno-redukcyjnà i nasila peroksydacj lipidów w mózgach szczurów. Jest to zgodne z doniesieniami innych autorów, którzy równie stwierdzali zwi kszenie st enia produktów peroksydacji lipidów w mózgu podczas chronicznego zatruwania etanolem [18,19]. ZaobserwowaliÊmy, e poziom stresu oksydacyjnego, monitorowany jako wzrost st enia MDA korelowa ze spadkiem aktywnoêci katalazy (r410,421, p40,009), a podwy szone st enie malonylodialdehydu, utrzymywa o si jeszcze po dwóch dniach abstynencji. Istotne znaczenie katalazy w ochronie przed powodowanymi przez alkohol uszkodzeniami wykazali Li i wsp. [20]. Badania przeprowadzili na hodowlach komórkowych mi Êni g adkich naczyƒ mózgowych. ObecnoÊç katalazy w medium zapobiega a, w sposób zale ny od aktywnoêci enzymu wzrostowi st - enia jonów Ca 2+ wkomórkach. Wzrost tych jonów zwi ksza kurczliwoêç komórek mi Êni g adkich, co mo e prowadziç do ich uszkodzenia. Wed ug tych autorów generacja nadtlenku wodoru 60 Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2)

7 jest najwczeêniejszym etapem, indukowanego przez alkohol uszkodzenia naczyƒ mózgowych, pociàgajàcego za sobà zmiany neurobehawioralne i zwi kszone ryzyko udaru mózgu. Zatem neutralizacja H 2 O 2 przez katalaz mo e odgrywaç znaczàcà rol w hamowaniu rozwoju zmian chorobowych w mózgu. Utrzymywanie si zwi kszonego st enia produktów peroksydacji lipidów w czasie abstynencji wyst puje równie w p ynach ustrojowych alkoholików, poddawanych detoksykacji [21 23]. Huang i wsp. [21] obserwowa obni anie si aktywnoêci katalazy w surowicy podczas tygodnia abstynencji iodwrotnà korelacj mi dzy aktywnoêcià tego enzymu, a wskaênikami stresu oksydacyjnego. W naszym doêwiadczeniu u szczurów spo ywajàcych alkohol wystàpi spadek aktywnoêci katalazy, jednak zaobserwowaliêmy wzrost aktywnoêci GPx oraz niewielki, statystycznie nieistotny wzrost aktywno- Êci SOD. Adaptacyjne mechanizmy obronne majàce na celu zmniejszenie stresu oksydacyjnego podczas zatruwania alkoholem okaza y si jednak niewydolne. Indukowane przez alkohol procesy oksydacyjne nie zosta y skutecznie zahamowane, zwi kszajàc ryzyko uszkodzenia tkanki mózgowej. Z badaƒ Tsai i wsp. [22] wynika, e podwy szone st enie produktów peroksydacji lipidów i obni ona aktywnoêç SOD w p ynie mózgowo-rdzeniowym alkoholików mo e si utrzymywaç po tygodniu, a nawet po miesiàcu abstynencji. Spadek aktywnoêci enzymów antyoksydacyjnych obserwowany u alkoholików, zwi ksza wra liwoêç neuronów na uszkodzenia oksydacyjne. Równie Chen i wsp. [23] obserwowali utrzymywanie si wy szego poziomu wskaêników peroksydacji lipidów (MDA) i DNA (8-hydroksy-2 -deoksyguanozyny, 8-OHdG) w surowicy alkoholików w czasie detoksykacji. Po tygodniu abstynencji st enie MDA zaczyna o spadaç, jednak wskaêniki uszkodzenia oksydacyjnego DNA utrzymywa y si nadal na wysokim poziomie, korelujàc dodatnio z nasileniem zespo u abstynencyjnego (mierzonego w skali Clinical Institute Withdrawal Assessment for Alcohol). MDA jest jednym z koƒcowych produktów peroksydacji lipidów icz sto jest u ywany jako wskaênik ich generacji i st enia w tkankach. Zarówno MDA jak i inne produkty peroksydacji lipidów takie jak m.in.: 4- hydroksynonenal (4-HNE), 4-okso-2-nonenal (ONE), akroleina sà bardzo reaktywnymi zwiàzkami, które charakteryzujà si znacznie d u szym czasem pó trwania ni wolne rodniki oraz zdolno- Êcià do dyfuzji do obszarów odleg ych od miejsc ich powstawania. Tworzà wiàzania kowalencyjne z bia kami, enzymami, kwasami nukleinowymi zmieniajàc ich struktur i funkcjonowanie. Zaburzajà funkcjonowanie mitochondriów i oddychania komórkowego, co powoduje generacj nowych rodników tlenowych, zapoczàtkowujàcych kolejne, aƒcuchowe reakcje oksydacyjne. Powodujà zahamowanie aktywnoêci enzymów i zmiany w strukturze b on komórkowych, zwi kszenie ich przepuszczalnoêci, depolaryzacj, zaburzenie funkcjonowania kana ów i transporterów b onowych, prowadzàc do zniszczenia komórki [24]. Znaczàca rola produktów peroksydacji lipidów w uszkodzeniu neuronów i chorobach neurodegeneracyjnych jest obecnie coraz lepiej rozumiana i uznawana przez badaczy [25]. Stymulacja obrony antyoksydacyjnej przez regularne çwiczenia fizyczne [26], lub podawanie antyoksydantów [18, 19] agodzi, indukowany alkoholem stres oksydacyjny i zmniejsza ryzyko uszkodzenia tkanki mózgowej. Wyniki naszych badaƒ sugerujà, e oksydacyjne uszkodzenia mogà byç tak e redukowane przez zwi kszonà poda pierwiastków biogennych, o w aêciwoêciach antyoksydacyjnych. Podawanie szczurom selenu i magnezu w okresach abstynencji zwi ksza o potencja antyoksydacyjny i zmniejsza o, powodowany przez alkohol wzrost poziomu MDA w mózgach. Podawanie selenu zwodà pitnà (w st eniu 0,4mg Se/L) w okresach abstynenckich powodowa o wzrost aktywnoêci enzymów neutralizujàcych wolne rodniki: SOD, GPX icat i obni a o st enie malonylodialdehydu. Korzystny wp yw suplementacji selenem nawet przy ni szych st eniach (0,15 mg SeO2/L wody) na obron antyoksydacyjnà i obni enie peroksydacji lipidów w mózgach szczurów wykazali równie Adebayo i wsp. [27]. D ugotrwa e karmienie szczurów dietà niskobia kowà powodowa o znaczàce nasilenie peroksydacji lipidów w tym organie, spadek st enia bia ka ca kowitego i zredukowanego glutationu, aktywnoêci katalazy oraz obni enie wagi mózgu. Zaburzenia te sà podobne do zmian powodowanych przez alkohol. U szczurów, którym przez ostatnie 3 tygodnie eksperymentu podawano selen z wodà pitnà aktywnoêç katalazy, st enie bia ka i waga mózgu by y znacznie wy sze, a wskaêniki stresu oksydacyjnego ni sze ni u zwierzàt karmionych dietà niskobia kowà, nie otrzymujàcych selenu. Magnez podobnie jak selen redukowa poziom stresu oksydacyjnego w mózgu, jednak tylko w niewielkim stopniu zwi ksza aktywnoêç dysmutazy ponadtlenkowej i nie powodowa istotnego wzrostu aktywnoêci peroksydazy glutationowej i katalazy. Neuroprotekcyjne dzia anie magnezu zwiàzane jest g ównie z jego antagonistycznym wp ywem na jony Ca +2 w neuronach i komórkach mi Êni g adkich naczyƒ krwionoênych. Nadmierny nap yw tych jonów do komórek powoduje ich uszkodzenie. Alkohol zwi ksza kurczliwoêç mi Êni g adkich naczyƒ krwionoênych, co prowadzi do uszkodzenia drobnych t tniczek i wystàpienia ognisk mikrokrwawieƒ w tkance mózgowej. Me- Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2) 61

8 chanizmy, dzi ki którym magnez wykazuje dzia anie rozkurczajàce naczynia zwiàzane sà z jego regulacyjnym dzia aniem na st enie wewnàtrzkomórkowych jonów wapnia w komórkach mi Êni g adkich naczyƒ krwionoênych. Powodowane przez etanol uszkodzenie mózgu jest w cz Êci zwiàzane z jego oddzia ywaniem na receptory NMDA (N-metylo-D-asparaginianu). Protekcyjne i antyskurczowe dzia anie jonów Mg 2+ wynika równie z blokowania receptorów NMDA w neuronach i naczyniach krwionoênych [28]. Ochronny wp yw magnezu przed indukowanym przez hemoglobin stresem oksydacyjnym obserwowano w hodowlach komórek kory mózgowej. Wra liwoêç neuronów na zale ne od jonów elaza uszkodzenie oksydacyjne wykazywa a odwrotnà zale noêç od st enia magnezu w medium. W wysokich st eniach, magnez bezpo- Êrednio hamowa peroksydacj lipidów, co mog o wynikaç z wspó zawodniczenia z jonami elaza o wiàzanie z fosfolipidami b onowymi. Przy niskich st eniach magnezu obserwowano zwi kszenie aktywnoêci receptora NMDA, nasilenie peroksydacji lipidów, spadek st enia glutationu zredukowanego i znaczne zwi kszenie obumierania neuronów [29]. Antyoksydacyjne dzia anie magnezu wydaje si byç bardziej zwiàzane z bezpoêrednim hamowaniem, indukowanej przez ró ne czynniki m.in. alkohol generacji oksydantów ni aktywacji obronny antyoksydacyjnej. Taki wp yw mo e wynikaç z konkurowania Mg 2+ zjonami elaza i ograniczenie ich oddzia- ywania na komórki, stabilizacji b on komórkowych oraz warunkowania przez magnez prawid owego funkcjonowanie mitochondriów. Niektórzy autorzy obserwowali jednak wyst powanie zwiàzku mi dzy st eniem magnezu w diecie, a aktywnoêcià enzymów antyoksydacyjnych. Badania Liu i wsp. [30] wykaza y, e suplementacja kurczàt magnezem powoduje liniowy, zale ny od dawki wzrost aktywno- Êci katalazy w wàtrobie oraz zwi kszenie ekspresji m-rna dla tego enzymu. Natomiast Marin i wsp. [31] zauwa yli wzrost aktywnoêci peroksydazy glutationowej w wàtrobie szczurów suplementowanych magnezem w porównaniu do zwierzàt otrzymujàcych diet deficytowà w magnez. W naszym eksperymencie podawanie magnezu razem z selenem silniej stymulowa o aktywnoêç SOD, CAT i GPX, zatem w wi kszym stopniu zwi ksza o ochron tkanki mózgowej przez aƒcuchowymi procesami oksydacyjnymi ni podawanie samego selenu. Wnioski Wyniki naszych badaƒ wskazujà, e podawanie Se i/lub Mg w okresach abstynenckich, zwi ksza potencja antyoksydacyjny i agodzi, indukowany przez alkohol stres oksydacyjny w mózgach szczurów. Badanie finansowane ze Êrodków przeznaczonych na badania statutowe Katedry i Zak adu Higieny Akademii Medycznej we Wroc awiu. Nr grantu ST-31. Wykaz piêmiennictwa 1. Defeng W., Cederbaum A. I.: Alcohol, oxidative stress, and free radical damage; Alcohol Health Res World 2003; 27; 4: Augustyniak A., Michalak K., Skrzydlewska E. Wp yw stresu oksydacyjnego indukowanego etanolem na oêrodkowy uk ad nerwowy (OUN). Postepy Hig Med DoÊw. 2005; 59: Nakamura K., Iwahashi K., Furukawa A. i wsp.: Acetaldehyde adducts in the brain of alcoholics. Arch Toxicol 2003; 77: Czech E., Hartleb M. Non-oxidative metabolism of ethanol and its influence on the metabolic pathway of serotonin and transferrin. Probl Forensic Sci 2002; 52: Das S.K., Hiran K.R., Mukherjee S.: Oxidative stress is the primary event: effects of ethanol consumption in brain. Indian J Clin Biochem 2007; 22,1: Addolorato G., Capristo E., Greco A.V.: Influence of chronic alcohol abuse on body weight and energy metabolism: is excess ethanol consumption a risk factor for obesity or malnutrition? J Intern Med 1998; 244, 5: Gueguen S. et al.: Changes in serum retinol, a-tocopherol, vitamin C, carotenoids, zinc and selenium after micronutrient supplementation during alcohol rehabilitation. J Am Coll Nutr 2003; 22, 4, s Sher L.: Role of selenium depletion in the etiopathogenesis of depression in patient with alcoholism. Med. Hypotheses 2002; 59, 3: Romani A.M.P. Magnesium homeostasis and alcohol consumption. Magnes Res 2008; 21,4: Schweizer U., Bräuer A.U., Köhrle J. i wsp.: Selenium and brain function: a poorly recognized liaison. Brain Res Brain Res Rev 2004; 45.3: Navarro-Alarco n M., Lo pez-martínez M.C.: Essentiality of selenium in the human body: relationship with different diseases. Sci Total Environ 2000; 249: Wasowicz W., Gromadzinska J., Rydzynski K. i wsp.: Selenium status of low-selenium area residents: Polish experience. Toxicol Lett 2003; 137: K apciƒska B., Poprz cki S., Danch A.: Blood Selenium Concentration of Residents of Upper Silesia: Relation to Age and Gender. Polish J of Environ Stud. 2006; 15, 5: Laires M.J., Monteiro C.P., Bicho M.: Role of cellular magnesium in health and human disease. Front Biosci 2004; 9, 1: Pacewicz T., Moniuszko-Jakoniuk J., Brzóska M. M.: The Influence of Ethanol on Magnesium Body Status. Polish J of Environ Stud 2008; 17, 4: Regan R.F., Guo Y.: Magnesium deprivation decreases cellular reduced glutathione and causes oxidative neuronal death in murine cortical cultures. Brain Res 2001; 890: Markiewicz-Górka I., Zawadzki M., Januszewska L., Hombek-Urban K., Pawlas K. Influence of selenium and/or magnesium on alleviation alcohol induced oxidative stress in rats, normalization function of liver and changes in serum lipid parameters. Hum Exp Toxicol 2011; 30, 11: Turkcu U.O., Bilgihan A., Biberoglu G. i wsp.: Carnosine supplementation protects rat brain tissue against ethanol-induced oxidative stress. Mol Cell Biochem 2010; 339: Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2)

9 19. Rumpa T.J., Muneera P.M.A., Szlachetka A.M.: Acetyl-Lcarnitine protects neuronal function from alcohol induced oxidative damage in the brain. Free Radic Biol Med 2010; 49,10: Li W.,. Liu W.,. Altura B.T.,. Altura B. M.: Catalase prevents elevation of [Ca 2+ ]i induced by alcohol in cultured canine cerebral vascular smooth muscle cells: Possible relationship to alcohol-induced stroke and brain pathology. Brain Res Bull 2003; 59, 4: Huang M.C., Chen C.H., Peng F.C., Tang S.H., Chen C.C.: Alterations in Oxidative Stress Status During Early Alcohol Withdrawal in Alcoholic Patients. J Formos Med Assoc 2009; 108, 7, Tsai G.E., Ragan P., Chang R. et al.: Increased Glutamatergic Neurotransmission and Oxidative Stress After Alcohol Withdrawal. Am J Psychiatry 1998; 155: Chen C.H., Pan C.H., Chen C.C. i wsp.: Increased Oxidative DNA Damage in Patients With Alcohol Dependence and Its Correlation With Alcohol Withdrawal Severity. Alcohol Clin Exp Res 2011; 35, 2: Czeczot H., Âcibior-Bentkowska D., Skrzycki M., Podsiad M.:Ocena poziomu peroksydacji lipidów w surowicy chorych z nowotworami przewodu pokarmowego. Wiad Lek 2010, LXIII, 3; Sayre L.M., Perry G., Smit M.A.: Oxidative Stress and Neurotoxicity. Chem Res Toxicol 2008; 21: Somani S.M. and Husain K.: Interaction of Exercise Training and Chronic Ethanol Ingestion on Antioxidant System of Rat Brain Regions. J Appl Toxicol 1997; 17, 5: Adebayo O.L., Adenuga G.A.: Protective Effect of Selenium on Protein-Undernutrition-Induced Brain Damage in Rats. Biol Trace Elem Res 2007; 116: Ema M.,. Gebrewold A.,. Altura B.T. i wsp.: Alcohol-Induced Vascular Damage of Brain Is Ameliorated by Administration of Magnesium. Alcohol 1998; 15, 2: Regan R.F., Jasper E., Guo Y. and Panter S.S.: The Effect of Magnesium on Oxidative Neuronal Injury In Vitro. J Neurochem 1998; 70: Liu Y., Guo Y., Wang Z. and Nie W.: Effects of source and level of magnesium on catalase activity and its gene expression in livers of broiler chickens. Arch Anim Nutr 2007; 61,4: Martin H., Uring-Lambert B., Adrian M. i wsp.: Effects of long-term dietary intake of magnesium on oxidative stress, apoptosis and ageing in rat liver. Magnes Res 2008; 21, 2: Adres do korespondencji dr Iwona Markiewicz-Górka Katedra i Zak ad Higieny Akademii Medycznej im. Piastów Âlàskich we Wroc awiu ul. J. Mikulicza-Radeckiego Wroc aw tel , fax iwona.markiewicz-gorka@am.wroc.pl Medycyna Ârodowiskowa - Environmental Medicine 2012; 15 (2) 63