Efecto del tratamiento con vanadio (iv) sobre la biodisponibilidad y distribución tisular del selenio y magnesio en ratas diabéticas-stzinfluencia sobre el estado antioxidante

Resumen

RESUMEN Aunque el vanadio es un elemento traza ampliamente distribuido en la naturaleza y es esencial para algunas formas de vida, su papel como micronutriente, su esencialidad así como su actividad biológica y farmacológica no se encuentran completamente establecidas. Dicho elemento se encuentra asociado con la regulación, incremento del transporte y metabolismo de la glucosa, así como con el aumento de la sensibilidad al receptor de la insulina. Debido a los altos niveles de vanadio presentes en el medio ambiente, su amplio uso industrial, su frecuente empleo como suplemento por diferentes tipos de atletas (fundamentalmente culturistas) (Barceloux et al, 1999) y al creciente interés por sus efectos farmacológicos, el estudio del metabolismo del vanadio constituye actualmente una importante área de investigación (Domingo et al, 1991; Oster et al, 1993; Domingo et al, 1995; Zaparowska et al, 1998;Thompson et al, 2006; Michibata, 2012). Aunque se han realizado ensayos clínicos para algunos compuestos de vanadio (Thompson et al, 2006a), se recomienda que el uso de los compuestos de vanadio debe estar controlado hasta que se disponga de más información sobre sus posibles efectos tóxicos derivados de los tratamientos crónicos. Como se ha comentado, actualmente muchos aspectos del metabolismo del vanadio no se encuentran bien esclarecidos, como lo son las interacciones digestivas y metabólicas con otros elementos involucrados en la defensa antioxidante. Según algunos autores (Thompson et al, 2006b, Kawabe et al, 2006; Yanardag et al, 2006), al favorecer la metabolización de la glucosa, el vanadio reduciría la producción de especies reactivas de oxígeno y en consecuencia prevendría el daño oxidativo ocasionado por la hiperglicemia. Dado que el vanadio altera el metabolismo de diversos elementos traza tales como el Mg, Fe, Cu, Zn and Se, varios autores han asociado la acción del vanadio con efectos pro-oxidantes (Oster et al, 1993; Scibior et al, 2006;, 2009, 2010a, 2014; Sánchez et al, 2011, 2012, 2014 a,b). La presencia de estrés oxidativo se encuentra asociada con cambios en la producción de citokinas (Dye et al, 1999), cambios inflamatorios (Pierce et al, 1996) y la presencia de tumores pulmonares (Assem et al, 2012). En este contexto, se ha sugerido que el vanadio puede actuar como inhibidor en diferentes formas de cáncer (Das et al, 2012). Aunque existe cierto grado de información sobre interacciones entre el vanadio y el selenio (Haider et al, 1998; Kumar et al, 1993; Zwolak et al, 2012) y entre el vanadio y el magnesio en ratas no diabéticas (Scibior et al, 2006,2009,2010, 2012, 2014), no existe información sobre posibles alteraciones en la homeostasis del selenio y del magnesio, dos elementos muy relacionados con el estado antioxidante,en ratas diabéticas que reciben tratamiento con vanadio,. Además, también se ha puesto de manifiesto que ambos elementos se encuentran relacionados con el metabolismo de la glucosa, y de modo similar al vanadio, participan en el control de éste favoreciendo la activación de kinasas del receptor de la insulina y la traslocación del transportador GLUT 4 en ratas diabéticas. De acuerdo con los comentarios anteriores, en el presente estudio nos planteamos profundizar en el efecto de la exposición a vanadio en ratas sanas, y aportar nuevos datos sobre si el tratamiento con vanadio a ratas diabéticas altera la homeostasis del selenio y del magnesio; además, dada la ausencia de publicaciones sobre este tema, también consideramos de interés estudiar si el tratamiento con vanadio podría afectar a los cambios en el metabolismo del magnesio ocasionados por la diabetes. Para la realización del estudio se seleccionó el bis(maltolato)oxovanadio(IV) (BMOV), porque se ha sugerido que dicho compuesto es más efectivo como hipoglucemiante, mejor tolerado y menos tóxico en los modelos animales que los compuestos inorgánicos de vanadio (Caravan et al, 1995; Thompson et al, 2006b). Además, es un compuesto estable en soluciones acuosas (Caravan et al, 1995). El desarrollo del trabajo se ha realizado en dos fases: A) En la primera fase se estudió la influencia de la exposición de ratas sanas al BMOV sobre la homeostasis del selenio y magnesio. Para la realización de este estudio se utilizaron dos grupos de 10 ratas. Un grupo control y otro expuesto a 6.22 mg de BMOV / día (1 mg V / día) durante 35 días. B) En una segunda fase se estudiaron los cambios en la homeostasis del selenio y magnesio ocasionados por el tratamiento con BMOV a ratas a las que se les ha inducido diabetes tipo 1 mediante tratamiento con STZ. Para este estudio se utilizaron 4 grupos de 10 ratas. Un grupo control, un grupo de ratas diabéticas, un grupo de ratas diabéticas tratadas con 6.22 mg de BMOV / día (1 mg V / día) y un grupo de ratas diabéticas tratadas con 18.66 mg de BMOV / día (3mg V/día) durante 35 días. Queremos destacar que para la realización de la primera fase (estudios realizados en ratas sanas) se empleó una única dosis de vanadio (1 mg V/d), mientras que para la realización de la segunda fase (estudios realizados en ratas diabéticas) se emplearon dos dosis de vanadio (1 y 3 mgV /d), este hecho se justifica porque al tratar a las ratas diabéticas con la dosis de 1 mg vanadio/ día, no obtuvimos efecto hipoglucemiante lo que nos condujo a la utilización de una dosis mayor con la finalidad de poder asociar el efecto hipoglucemiante del vanadio con los cambios en la homeostasis de ambos elementos. La dosis empleadas en el presente estudio (1mg V / día aprox. 5 mg V/ kg de peso/d y 3 mg V/ d aprox. 15 mg V / kg de peso / d) son superiores a la dosis menor descrita que causa efectos adversos en la rata (0.8 mg V / kg de peso / d) no obstante, estas dosis son bajas en comparación con las dosis utilizadas habitualmente en otros estudios y mucho menores que la LD50 (dosis letal %0 (40-90 mgV/kg peso/d) (EFSA 2004). Las dosis empleadas se eligieron cuidadosamente tras una larga revisión de los estudios realizados anteriormente y representan dosis intermedias de BMOV, respecto a las dosis utilizadas en reportes previos (Yuen et al, 1993; Dai et al, 1995). En nuestro estudio se observó la presencia de desordenes gastrointestinales en algunos animales de los grupos tratados con vanadio. Dichos animales fueron retirados del estudio. Estos desordenes gastrointestinales también han sido observados en otros estudios en ratas sanas (Scibior et al, 2006) y diabéticas (Oster et al, 1993). El estudio ha dado lugar a diversas publicaciones entre las que destacamos por mayor relación con la Tesis que se presenta: Sánchez-González C. Bermudez-Peña C, Trenzado CE, Goenaga-Infante H, Montes-Bayon M, Sanz-Medel A, Llopis J. Changes in the antioxidant defence and in selenium concentration in tissues of vanadium exposed rats. Metallomics 2012; 4: 814-819 Sánchez-González C, Bermúdez-Peña C, Guerrero- Romero F, Trenzado CE, Montes-Bayón M, Sanz-Medel A, Llopis J. Effect of bis(maltolato) oxovanadium (IV) (BMOV) on selenium nutritional status in diabetic streptozotocin rats. Br J Nutr 2012; 108: 893-899. Sánchez C, Torres M, Bermúdez-Peña C, Aranda P, Montes-Bayón M, Sanz-Medel A, Llopis J. Bioavailability, tissue distribution and hypoglycaemic effect of vanadium in magnesium-deficient rats. MagnesRes 2011; 24: 196-208. Bermúdez-Peña C, López-Chaves C, Llopis J, Guerrero- Romero F, Montes-Bayón M, Sanz-Medel A, Sánchez-González C. Aggravation by vanadium of magnesium deficiency in STZ-induced diabetic rats. . MagnesRes 2013; 26: 74-82. Los resultados obtenidos mostraron que el tratamiento con vanadio a ratas sanas a dosis de 6.22 mg BMOV / día ocasionó una reducción en la ingesta de alimentos y agua (aprox. 15% y 50% respectivamente), la cual se asoció con una reducción en la ganancia de peso (aprox. 20%). Estos cambios estuvieron acompañados de una fuerte caída de la absorción del selenio y un incremento de las pérdidas renales de magnesio. La menor absorción de selenio ocasiono una caída de sus niveles séricos y una depleción tisular del catión que afectó fundamentalmente al riñón e hígado. El incremento de las pérdidas renales de magnesio dio lugar a hipomagnesemia y a un descenso en el contenido de magnesio en el fémur. Además en estas ratas, también se aprecio una menor actividad de la fosfatasa alcalina sérica y un incremento de los niveles de urea circulante y citokinas pro-inflamatorias (IL-6 y TNF alfa). Las pérdidas hepáticas de selenio estuvieron acompañadas por la caída de la actividad de la glutation peroxidasa, glutation transferasa y NAD(P)H:quinona-oxidoreductasa I y por el incremento de la peroxidación lipidica y oxidación proteica (niveles de MDA y grupos carbonilo) en el hígado, lo que indica un deterioro de las defensas antioxidantes y la presencia de un daño oxidativo hepático. El deterioro de la defensa antioxidante y la presencia de un proceso inflamatorio, podrían haber sido la causa del estado anémico moderado que se observó en estas ratas. El tratamiento con 6.22 mg BMOV / día (1mg V/día) a ratas diabéticas-STZ no tuvo ningún efecto antidiabético y solo se observaron efectos menores sobre la homeostasis del selenio y magnesio. Sin embargo, el tratamiento con 18.66 mg BMOV / día (3mg V/día) indujo un claro efecto antidiabético, normalizando la ingesta de alimentos y la glucemia en ayunas. Además, el tratamiento con 3mg V/día también causo un descenso en la absorción y niveles séricos del selenio depleción tisular del catión (en suero, riñón, hígado y bazo). Esta dosis también ocasionó un incremento de las pérdidas renales de magnesio, que indujeron hipomagnesemia y depleción tisular de este elemento (en riñón, hígado, bazo y femur). Esta situación estuvo acompañada por incrementos de los niveles de ácido úrico, urea, colesterol total, colesterol-LDL y triglicéridos y un descenso de la actividad sérica de la aspartato aminotransferasa y fosfatasa alcalina. A esta dosis, también se han encontrado incrementos de la proteína-C-reactiva y citokinas pro-inflamatorias (IL-6 y TNF alfa) en el suero. Como en el caso de las ratas sanas el tratamiento con 18.66 mg BMOV / día (3mg V/día), las pérdidas hepáticas de selenio estuvieron acompañadas por la caída de la actividad de la glutation peroxidada (GPx), glutation transferasa (GST) y NAD(P)H:quinona-oxidoreductasa I y por el incremento de la peroxidación lipidica y oxidación proteica (niveles de MDA y grupos carbonilo) en el hígado. Esta situación indica la presencia de un daño oxidativo a nivel hepático por el deterioro de las defensas antioxidantes. En términos generales podemos concluir que el BMOV altera la homeostasis del selenio y del magnesio, lo que conduce a un incremento del estrés oxidativo y la aparición de un proceso inflamatorio Además, podemos afirmar que en las ratas diabéticas. se han observado efectos semejantes a los encontrados en las ratas sanas empleando una dosis tres veces superior, lo que sugiere que las ratas diabéticas son menos sensibles al efecto toxico del vanadio que las ratas no diabéticas. SUMMARY Vanadium (V) is a trace element that is widely found in nature. It is essential for some forms of life, but its role as a micronutrient, its essentiality and its biological and pharmacological activity are not yet fully established. It has been associated with the regulation, increased transport and metabolism of glucose, and with increased sensitivity to insulin receptors. Due to high levels of V in the environment, its widespread industrial application, its common use as a supplement for athletes (especially bodybuilders) (Barceloux et al., 1999) and the growing interest in its pharmacological effects, the metabolism of V is now an important area of research interest (Domingo et al., 1991; Oster et al., 1993; Domingo et al., 1995; Zaparowska et al., 1998; Thompson et al., 2006; Michibata, 2012). Although clinical trials have been completed for some V compounds (Thompson et al., 2006), it has been recommended that the use of V compounds should be controlled until more information is available about the possible toxic effects of chronic treatment. As mentioned above, many aspects of the metabolism of V remain to be fully established, such as its digestive and metabolic interactions with other elements involved in antioxidant defence. According to some authors (Thompson et al., 2006b; Kawabe et al., 2006; Yanardag et al., 2006), V promotes glucose metabolism; this reduces the production of reactive oxygen species and thus prevents the oxidative damage caused by hyperglycaemia. However, many authors have associated V with pro-oxidant effects, because it alters the metabolism of trace elements such as Mg, Fe, Cu, Zn and Se (Oster et al., 1993; Scibior et al., 2006; 2009, 2010a, 2014; Sánchez et al., 2011, 2012, 2014 a, b). The presence of oxidative stress is associated with changes in cytokine production (Dye et al., 1999), inflammatory changes (Pierce et al., 1996) and the presence of lung tumours (Assem et al., 2012). However, other authors have suggested that V may act as an inhibitor in different forms of cancer (Das et al., 2012). Although some studies have been made of interactions between V and selenium (Haider et al., 1998; Kumar et al., 1993; Zwolak et al., 2012) and between V and magnesium in nondiabetic rats (Scibior et al., 2006, 2009, 2010, 2012, 2014), there is no information on possible alterations in the homeostasis of selenium and of magnesium, two elements closely related to the presence of oxidative stress, in diabetic rats following treatment with vanadium. Furthermore, from their relation with oxidative stress, it has also been shown that both elements are related to the metabolism of glucose, and similarly to vanadium, participate in the control of glucose metabolism, while the translocation of the GLUT4 transporter in diabetic rats promotes kinase activation in the insulin receptors. Taking into account the above findings, this study further considers the effect of exposure to vanadium in healthy rats, and provides new data about whether treatment with vanadium in diabetic rats alters the homeostasis of selenium and of magnesium. Furthermore, in view of the absence of previous research on this question, we also consider it of interest to examine whether the treatment could affect diabetes-induced changes in the metabolism of magnesium. Bis(maltolato)oxovanadium(IV) (BMOV) was selected for this study because reports have suggested that this compound is more effective as a hypoglycaemic agent, better tolerated and less toxic in animal models than inorganic V compounds (Caravan et al., 1995, Thompson et al., 2006b). Moreover, it is stable in aqueous solutions (Caravan et al., 1995). The study was implemented in two phases: A. In the first phase, we investigated the influence of exposure to BMOV in healthy rats on the homeostasis of selenium and magnesium. In this study, two groups of 10 rats were used, a control group and an experimental group, exposed to 6.22 mg BMOV/day (1 mg V/day) for 35 days. B. In the second phase, we studied the changes in the homeostasis of selenium and magnesium caused by treatment with BMOV in rats induced with type I diabetes by treatment with STZ. For this study, four groups of 10 rats were used: a control group, a group of diabetic rats, a group of diabetic rats treated with 6.22 mg BMOV/day (1 mg V/day) and a group of diabetic rats treated with 18.66 mg BMOV/day (3 mg V/day) for 35 days. In the first phase (studies in healthy rats) a single dose of vanadium (1 mg V/day) was used, while in the second phase (studies in diabetic rats), two doses were used (1 and 3 mg V/day). This different approach was adopted because the treatment of diabetic rats with a dose of 1 mg V/day did not produce a hypoglycaemic effect. Therefore, a higher dose was used, to be able to associate the hypoglycaemic effect with changes in the homeostasis of Se and Mg. The doses used in the present study (1 mg V/day approx. 5 mg V/kg/day and 3 mg V/day approx. 15 mg V/kg/day) are higher than the lowest dose described to cause adverse effects in rats (0.8 mg V/kg/day), but these doses are low compared to those commonly used in other studies and much lower than LD50 (lethal dose 50%) (40-90 mg V/kg/day) (EFSA 2004). Moreover, the doses used were carefully chosen after a lengthy review of previous studies in this respect and represent intermediate doses of BMOV among those used in the literature (Yuen et al 1993; Dai et al., 1995). Gastrointestinal distress was observed in some animals in the groups treated with V. These animals were removed from the study. Such gastrointestinal disorders have also been observed in other studies, both in healthy rats (Scibior et al., 2006) and in diabetic ones (Oster et al., 1993). This study has given rise to several publications, of which the following are the most closely related to this thesis: Sánchez-González C. Bermudez-Peña C, Trenzado CE, Goenaga-Infante H, Montes-Bayon M, Sanz-Medel A, Llopis J. Changes in the antioxidant defence and in Se concentration in tissues of vanadium exposed rats. Metallomics 2012; 4: 814- 819 Sánchez-González C, Bermúdez-Peña C, Guerrero-Romero F, Trenzado CE, Montes-Bayón M, Sanz-Medel A, Llopis J. Effect of bis(maltolato) oxovanadium (IV) (BMOV) on Se nutritional status in diabetic streptozotocin rats. Br J Nutr 2012; 108: 893-899. Sánchez C, Torres M, Bermúdez-Peña C, Aranda P, Montes-Bayón M, Sanz-Medel A, Llopis J. Bioavailability, tissue distribution and hypoglycaemic effect of vanadium in Mg-deficient rats. MagnesRes 2011; 24: 196-208. Bermúdez-Peña C, López-Chaves C, Llopis J, Guerrero-Romero F, Montes-Bayón M, Sanz-Medel A, Sánchez-González C. Aggravation by vanadium of Mg deficiency in STZ-induced diabetic rats. . MagnesRes 2013; 26: 74-82. The results obtained show that treatment with V in healthy rats at doses of 6.22 mg BMOV/day reduced food and water intake (approx. 15% and 50% respectively), which was associated with a reduction in weight gain (approx. 20%). These changes were accompanied by a sharp drop in selenium absorption and increased renal losses of magnesium. This situation led to a depletion of tissue selenium (in serum, kidneys and liver), hypomagnesaemia and reduced magnesium content in the femur. In addition, reduced activity of serum alkaline phosphatase and increased levels of circulating urea and pro-inflammatory cytokines (IL-6 and TNF alpha) were observed. Liver selenium losses were accompanied by a reduction in the activity of glutathione peroxidase, glutathione transferase and NAD(P)H:quinone-oxidoreductase I and by increased lipid peroxidation and protein oxidation (levels of MDA and carbonyl groups) in the liver. These changes indicate deterioration in antioxidant defences and the presence of hepatic oxidative damage. The deterioration of antioxidant defence and the presence of an inflammation process could have been the cause of the mild anaemic state observed in these rats. Treatment of the STZ-diabetic rats with 6.22 mg BMOV/day (1 mg V/day) had no antidiabetic effect and reduced effects on the homeostasis of selenium and magnesium. However, treatment with 18.66 mg BMOV/day (3 mg V/day) induced a clear antidiabetic effect, normalising food intake and fasting blood glucose. Furthermore, treatment with 3 mg V/day also caused a decrease in the absorption and serum levels of Se and tissue depletion of this cation (in serum, kidneys, liver and spleen). This dosage also caused an increase in the renal losses of magnesium, thus inducing hypomagnesaemia and tissue depletion of this element (in kidney, liver, spleen and femur). This situation was accompanied by increased levels of uric acid, urea, total cholesterol, LDL-cholesterol and triglycerides and decreased serum activity of aspartate aminotransferase and alkaline phosphatase. At this dose, we also observed increases in C-reactive protein and pro-inflammatory cytokines (IL-6 and TNF alpha) in serum. As in the case of the healthy rats, in the treatment with 18.66 mg BMOV/day (3 mg V/day), the hepatic losses of selenium were accompanied by a reduced activity of glutathione peroxidase, glutathione transferase and NAD(P)H:quinone-oxidoreductase I and by increased lipid peroxidation and protein oxidation (levels of MDA and carbonyl groups) in the liver. This situation indicates the presence of hepatic oxidative damage by the impairment of antioxidant defences. Overall, we conclude that BMOV alters the homeostasis of selenium and magnesium, leading to increased oxidative stress and the onset of an inflammatory process. In addition, in diabetic rats, the effects observed were similar to those found in healthy rats, but when a three times larger dose was used. Therefore, diabetic rats are less sensitive than nondiabetic rats to the toxic effect of V.