Degeneración Nigroestriada y Deterioro Motor por Exposición prenatal a la Rotenona en la Rata

Abstract

La rotenona (ROT) es el compuesto mas potente una familia de citotóxicos naturales que se extraen de las raíces de algunas leguminosas como el barbasco (Derris elliptica). Tiene una vida media corta en el medio ambiente (2-3 días) y fácilmente se descompone con la luz solar. Por su origen natural la ROT ha sido ampliamente utilizada como insecticida para el control de plagas de áfidos y pulgones en la agricultura y en uso domestico, así como para eliminar peces en lagos (Caboni y cols. 2004; Bove y cols. 2005). La ROT es un compuesto de alta solubilidad en lípidos, lo que le brinda fácil acceso a todos los órganos; en el cerebro alcanza su máxima concentración después de 15 min. Una vez dentro, la ROT se acumula subcelularmente en las mitocondrias, donde se une a la enzima nicotinamida-adenin-dinucle6tido-deshidrogenasa (NADH-deshidrogenasa) del complejo I de la cadena de transporte de electrones (Kilboum y cols. 1997; Betarbet y cols. 2002; Keeney y cols. 2006). Por la unión de la ROT al complejo I mitocondrial, se utiliza experimentalmente como un potente inhibidor este complejo. En los EU, algunas áreas agrícolas tratadas con ROT están bajo estricto control debido al aumento en la incidencia de síntomas de la enfermedad de Parkinson en la población, lo que se ha atribuido a la exposición ocupacional a la ROT, entre otros pesticidas (Ritz y cols. 2000). Hay estudios epidemiológicos que muestran una relación positiva entre la exposición a pesticidas y la enfermedad de Parkinson (Vanacore y cols. 2002; Wirdefeldt K y cols. 2011). Los datos sugieren que la ROT puede tener efectos neurotóxicos que predisponen al desarrollo de la enfermedad de Parkinson (Barlow y cols. 2004; Uversky y cols. 2004; Cory-Slechta y cols. 2005; Landrigan y cols. 2005). El panorama en México sobre el riesgo que representa la exposición a estos pesticidas es mas complejo, debido al escaso control de estos. A pesar de que la ROT se utiliza ampliamente en el sureste y en las zonas camaroneras del norte del país, no se tienen registros sobre el uso de este u otros insecticidas. Estudios realizados por Ranjita Betarbet en 2000 y 2002 en ratas adultas mostraron que la exposici6n a ROT induce disminución de las neuronas dopaminérgicas y aumento del ninfímero de neuronas positivas a a-sinucleína de la sustancia nigra, to que condiciona trastornos motores tales como catalepsia y trastornos de coordinación. En 1999 Langston y cols. propusieron que la exposici6n a sustancias neurotóxicas en edades tempranas puede reducir el número de neuronas en la sustancia nigra, a un nivel mínimo requerido para mantener la funcionalidad neuronal aparentemente normal. Pero a pesar de que las evidencias epidemiológicas y los datos obtenidos con modelos de la enfermedad de Parkinson en rata, apuntan a que la ROT es un factor de riesgo para el desarrollo de esta enfermedad, todavía se desconoce si la exposición a ROT de madres gestantes y/o lactantes puede afectar el desarrollo del sistema dopaminergico nigroestriatal en sus crias, y producirles parkinsonismo o lesiones asociadas con la enfermedad de Parkinson en edades posteriores. Por lo tanto se requiere generar información sobre los efectos tóxicos en la vía nigroestriada en desarrollo que contesten preguntas fundamentales como la ROT durante el desarrollo embrionario puede inducir daños en las neuronas dopaminérgicas nigroestriatales en desarrollo?, Los daños iniciados en el desarrollo embrionario pueden conducir al desarrollo del síndrome parkinsónico en los adultos jóvenes, o hacer mas susceptibles a estas neuronas al daño después de varias exposiciones a esta toxina o a otros xenobióticos? Para tratar de contestar estas preguntas, ratas Wistar gestantes fueron tratadas con ROT in útero y durante la lactancia, así como tratadas únicamente in útero o la lactancia, con el fin de identificar la etapa de desarrollo en la que la ROT puede provocar mayor daño en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia nigra en sus crías. Se consideraron tres diferentes edades en las crías: la postnatal, jóvenes adultas y ratas de 12 meses de edad en las que se cuantificaron tres de las principales características fisiopatológicas de la enfermedad de Parkinson: la perdida de neuronas dopaminérgicas de la sustancia nigra, la concentración de la proteína a—sinucleína en la sustancia nigra y el estriado, y la capacidad para ejecutar una prueba de actividad motora. Los resultados obtenidos en el presente trabajo sugieren que la exposición a ROT en etapas temprana del neurodesarrollo (la gestación y la lactancia) de las ratas produce claims en la sustancia nigra, no solo en las crías expuestas indirectamente a ella, sino también en las madres, originando la disminución del número de neuronas tirosina hidroxilasa positivas, aumento en el contenido de la proteína a—sinucleína, que resulto ligeramente mayor en la sustancia nigra que en el estriado, ambos parámetros guardan una estrecha relación con deficiencias motoras observadas, que dependen de la etapa del neurodesarrollo y de la dosis de ROT a la que las crías se exponen, los valores de los parámetros evaluados se exacerban significativamente: 1) Cuando la exposición a ROT se prolonga hasta la lactancia tras la administración de esta a las hembras gestantes, lo que sugiere el paso de la ROT a través de la placenta, la leche materna y la barrera hematoencefálica inmadura en las crías y 2) Cuando ocurre una segunda exposición a ROT en la edad adulta, lo que pone de manifiesto la vulnerabilidad del sistema dopaminérgico nigroestriatal a daños que ocurren por posteriores exposiciones, observándose en las crías deficiencias motoras progresivas con el avance de la edad, disminución hasta del 75% de las neuronas dopaminérgicas TH-IR en la sustancia nigra, así como aumento en el número de neuronas de la sustancia nigra marcadas con el fluoróforo fluoro Jade C, que tiene alta afinidad por las neuronas en proceso de neurodegeneración.

Rotenone (ROT) is the most potent compound of a family of natural cytotoxins extracted from the roots of some legumes such as barbascum (Derris elliptica). It has a short half life in the environment (2-3 days) and easily decomposes with sunlight. For its natural origin the ROT has been widely used as domestic insecticide as well as in the control aphids in pests and agriculture, and for eliminate fish in lakes (Caboni et al. 2004, Bove et al. 2005). The ROT has highly solubility in lipids; it gives easy access to all the organs, in the brain reaches its peak after 15 min. Inside of the cells, the ROT accumulates in the mitochondria, where it binds to the enzyme nicotinamide adenine dinucleotide dehydrogenase (NADH dehydrogenase) of the complex I in the electron transport chain (Kilboum et al. 1997; Betarbet and cols. 2002, Keeney et al. 2006). The ROT has widely used experimentally as a potent inhibitor mitochondrial complex I. In the USA, some agricultural areas treated with ROT are under strict control because the increased in the incidence of symptoms of Parkinsons disease in the population, which has been attributed to occupational exposure to the ROT, among other pesticides (Ritz and cols. 2000). Epidemiological studies show a positive relationship between exposure to pesticides and Parkinsons disease (Vanacore et al. 2002; Wirdefeldt K et al. 2011). The data suggest that the ROT may have neurotoxic effects that influence the development of Parkinsons disease (Barlow et al. 2004, Uversky et al. 2004, Cory-Slechta et al. 2005, Landrigan et al. 2005). The picture in Mexico on the risk by exposure to these pesticides is more complex, due to poor control of these. Although the ROT is used widely in agriculture areas in the southeast of the country and in the shrimp culture areas of northern, however there are no records of the use of this and other insecticides. Studies by Ranjita Betarbet in adult rats showed that exposure to ROT induced decrease of dopaminergic neurons and increased numbers of neurons positive for a - synuclein in the substantia nigra, which affects motor disorders such as catalepsy and impaired coordination. In 1999, Langston et al. suggested that exposure to neurotoxic substances at early age may reduce the number of neurons in the substantia nigra, in a minimum level required to maintain neuronal function appears normal. But although the epidemiological evidence and data obtained with models of Parkinsons disease in rats a • suggest that the ROT is a risk factor for developing this disease, it is still unknown whether exposure to pregnant mothers ROT and /or nursing may affect the development of the nigrostriatal dopaminergic system in their offspring, and cause them injury associated with parkinsonism or Parkinsons disease later in life. It is therefore necessary to generate information on the toxic effects in the nigrostriatal pathway in development to answer fundamental questions how do the ROT during embryonic development can induce damage in nigrostriatal dopaminergic neurons in development?, Will the damage initiated in embryonic development may lead to the development of the parkinsonian syndrome in young adults rats, or make these neurons more susceptible to damage after repeated exposure to this toxin or other xenobiotics? To try to answer these questions, pregnant Wistar rats were treated with ROT in utero and during lactation, and treated only in utero or breastfeeding, in order to identify the developmental stage in which the ROT can cause more damage to the dopaminergic neurons of the substantia nigra in the offspring. We considered three different ages in the offspring: the postnatal, young adult rats and elderly rats of 12 months of age that were quantified in three major pathophysiological features of Parkinsons disease: loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra, the concentration of a-synuclein protein in the substantia nigra and the striatum, and the ability to execute a test of motor activity. The results obtained in this study suggest that exposure to early stage ROT neurodevelopment (gestation and lactation) rats produces damage in the substantia nigra, not only in pups exposed to it indirectly, but also on mothers causing the decreased number of tyrosine hydroxylase positive neurons, increased content of a- synuclein protein, which result slightly higher in the substantia nigra than in the striatum, both parameters are closely related with motor impairments observed, depending on neurodevelopment stage and ROT dose to which the pups are exposed, the values of the parameters evaluated was significantly exacerbated when: 1) exposure to ROT extends through lactation after administration of the pregnant females, suggesting the passage of the ROT through the placenta, breast milk and immature blood-brain barrier in the offspring and 2) when it occurs a second exposure to ROT in adulthood, which highlights the vulnerability of the dopaminergic system nigrostriatal damage that occur after exposure was observed in the offspring progressive motor deficits with advancing age, decreased to 75% of TH-IR dopaminergic neurons in the substantia nigra and increased number of neurons in the substantia nigra labeled with the fluorescent dye Fluoro-Jade C that has high affinity for the neurons in the process of neurodegeneration.