Comparative study on the physiological dynamics evoked by different profiles of lead exposure

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Shvachiy, Liana
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/37849
Resumo: Tese de mestrado, Neurociências, Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2018
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spelling Comparative study on the physiological dynamics evoked by different profiles of lead exposureLead toxicityAutonomic dysfunctionHypertensionBehavioural and cognitive changesGliosisTeses de mestrado - 2018Domínio/Área Científica::Ciências MédicasTese de mestrado, Neurociências, Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2018Lead is a toxic metal which widespread use has resulted in environmental contamination and significant health problems. It is a cumulative toxicant that affects multiple body systems, including the cardiovascular, hematopoietic, reproductive, and renal systems. Lead is also a well-known neurotoxin, inducing changes in neurogenesis, neurodegeneration and changes on glial cells. These changes in the molecular and cellular processes lead to cognitive and behaviour alterations, particularly during developmental phases, persisting throughout the lifetime. Most of the studies that have been performed in both humans and animals were focused in a continuous chronic exposure to lead. This lead exposure causes behavioural changes, cognitive impairment and hypertension associated with sympathoexcitation, baroreceptor reflex hyposensitivity and increased chemoreceptor reflex sensitivity. But the effects of an intermittent lead exposure are scarse and standardized animal models are non-existent. This pattern of exposure has been increasing in the last years due to migrations, implementation of school exchange programs and/or residential changes. Therefore, the overall purpose of this work was to evaluate lead effects on mammal’s physiology along different profiles of lead exposure, including a new animal model of intermittent low-level lead exposure. Animal models of lead exposure were developed by replacing the tap water of seven-day pregnant Wistar females with 0.2% (p/v) solution of lead acetate. After being weaned at 21 days, rat pups, both sexes, were divided into 3 groups of lead exposure: long-term (exposure from foetal period until 28 weeks of age), short-term (exposure from foetal period until 12 weeks) and intermittent (exposure from foetal period until 12 weeks, lead-free period until 20 weeks and a second exposure between 20 and 28 weeks of age). At 12, 20 and 28 weeks of age, behavioural tests were performed for anxiety (Elevated Plus Maze Test), locomotor activity (Open Field Test), spatial working memory (Y-Maze) and episodic long-term memory (Novel Object Recognition test) assessment. Blood pressure (BP), electrocardiogram (ECG), heart rate (HR) and respiratory frequency (RF) were recorded at the same timepoints in the acute experiment. Baroreflex gain (BRG), chemoreflex sensitivity (ChS), cardiovascular variability were also evaluated. Immunohistochemistry studies for neuronal nuclear antigen (NeuN), Synaptophysin (Syn), ionized calcium binding adapter molecule-1 (Iba-1) and Glial fibrillary acidic protein (GFAP) stainings were performed in brain slices, and confocal imaging acquired and stainings quantified at dentate gyrus (DG) of the hippocampus. Blood lead levels were assessed by atomic absorption spectroscopy and metabolic evaluation of all groups was done using metabolic cages. A control group of Wistar rats without lead exposure, of both sexes, with the same number of individuals, underwent the same protocol and were evaluated in the same time points. Student T-test and one-way ANOVA with Tukey’s multiple comparison between means were used (significance p<0.05) for statistical analysis. Our data showed a clear association between lead exposure, hypertension and cardiorespiratory reflexes impairment, without heart rate changes, independently of the type of lead exposure profile. We also demonstrated for the first time that lead intermittent exposure causes adverse health effects, i.e, hypertension, sympathetic overactivity, increased chemoreflex sensitivity and baroreflex impairment, similar to a chronic exposure, however less pronounced. In fact, at 28 weeks, PbI group, the intermittent animal model of lead exposure developed, had a less severe hypertension when compared to the long-term exposure group (PbP), which might suggest that the duration of Pb exposure is more relevant than the time of exposure. Moreover, the effect on diastolic blood pressure produced by lead exposure was more evident than that of systolic blood pressure. Lead exposure from foetal period until 12 weeks of age causes long lasting hypertension and chemoreceptor reflex dysfunction even after a 16 weeks period without exposure. However, the clearance of lead promoted an improvement in baroreceptor reflex function, with repercussions on blood pressure values, since these values decreased, but did not reached the normotensive values. Regarding the autonomic data, in our study, the overactivity of the sympathetic nervous system, evaluated by the LF band, is concomitant with baroreceptor reflex impairment and/or hypertension. This means that the sympathetic nervous system may be involved in the modulation of the baroreceptor reflexes responses or in the hypertension development due to lead exposure. Concerning the effect of lead at behavioural level, all groups exposed to lead, evaluated in the three different time points, had behavioural changes, namely anxiety, hyperactivity and/or long-term memory impairment and molecular changes in the hippocampus region, more specifically, reactive astrogliosis and microgliosis were detected, indicating the presence of neuroinflammation. However, these alterations seem to reverse after lead abstinence for a certain period (single exposure) and are enhanced when a second exposure occurs (intermittent exposure), along with a synaptic loss. In summary, this study shows, that exposure to lead during the developmental phase can alter the normal course of development, with lifelong health consequences. Since all exposed Pb groups had the same route of exposure (i.e. exposure to lead by water) and the same dose and, despite the different time of exposure, all were exposed to lead since foetal period until adulthood, the most susceptible period to adverse health effects. Therefore, we can conclude that the different effects of lead toxicant between groups mainly depends on the total duration of lead exposure. This comparative study brings new insights on the environmental factors that influence nervous and cardiovascular systems during development, which can help creating public policy strategies to prevent and control the adverse effects of Pb toxicity.A identificação de agentes potencialmente tóxicos e a avaliação dos seus efeitos sobre o organismo humano constituem um tema importante de saúde pública. O chumbo encontra-se neste grupo de agentes, sendo bastante utilizado em todo o mundo, devido às suas propriedades únicas, como a alta maleabilidade, baixo ponto de fusão, suavidade, ductilidade e resistência à corrosão. O vasto uso deste metal pesado em indústrias, como a automóvel, cerâmica, de tintas e do plástico levou ao aumento da quantidade de chumbo livre no ambiente e a sua ocorrência nos sistemas biológicos, devido à sua natureza não biodegradável. A toxicidade do chumbo, como resultado da sua ingestão, inalação ou por contacto direto, mesmo em pequenas quantidades, pode evocar efeitos adversos irreversíveis em várias funções do corpo, afetando principalmente os sistemas cardiovascular (sendo uma das causas da hipertensão, promovendo aterosclerose, trombose, arteriosclerose e doenças cardiovasculares), hematopoiético, reprodutivo e renal. O chumbo é também uma neurotoxina já bem estudada, que induz alterações na neurogénese, nas células gliais e neurodegeneração. Estas alterações nos mecanismos celulares e moleculares, quando ocorrem durante as fases de desenvolvimento, provocam alterações cognitivas e comportamentais, que persistem durante toda a vida. Em termos de classificação, dois tipos de toxicidade de chumbo podem ser definidos: a toxicidade aguda, que geralmente ocorre pela exposição ocupacional a níveis elevados de chumbo, sendo esta bastante incomum, e a toxicidade crónica, uma exposição a níveis baixos de chumbo, mais comum no ambiente familiar. A maioria dos estudos realizados até à data em seres humanos e animais, focam-se na exposição crónica contínua e/ou permanente ao chumbo e nas consequências adversas na saúde deste tipo de exposição. Existem já, vários modelos animais descritos para a exposição contínua a níveis baixos de chumbo. No entanto, em determinadas situações, como nas migrações, nos programas de intercâmbio escolar e/ou nas mudanças residenciais, a exposição intermitente ao chumbo pode ocorrer, mas os estudos disponíveis em seres humanos são escassos e os modelos animais padronizados inexistentes para este tipo de exposição, que tem vindo a crescer exponencialmente nos últimos anos. Posto isto, o objetivo geral deste trabalho consistiu em avaliar os efeitos de diferentes perfis de exposição a níveis baixos de chumbo na fisiologia de ratos Wistar, incluindo o desenvolvimento de um novo modelo animal de exposição intermitente a chumbo. Os modelos animais de exposição ao chumbo foram desenvolvidos substituindo a água dos biberões das fêmeas Wistar grávidas de sete dias por uma solução de acetato de chumbo a 0,2% (p/v). Após os 21 dias de desmame, as crias, de ambos sexos, foram divididas em 3 grupos de exposição ao chumbo: de longo prazo (PbP - exposição do período fetal até às 28 semanas de idade), de curto prazo (Short-term PbS - exposição do período fetal até às 12 semanas, com abstinência ao chumbo até às 28 semanas) e intermitente (PbI - exposição do período fetal até 12 semanas, seguida por um período sem chumbo até 20 semanas e uma segunda exposição entre 20 e 28 semanas de idade). Em três diferentes pontos temporais (12, 20 e 28 semanas de idade), os diferentes grupos de animais foram sujeitos a testes comportamentais, para a avaliação dos níveis de ansiedade (EPM), da atividade locomotora (OFT), da memória espacial de trabalho (Y-Maze) e da memória episódica de longo prazo (NOR). Para avaliação dos parâmetros fisiológicos nos diferentes pontos temporais, os animais foram sujeitos a uma experiência aguda, onde foram registados os seguintes parâmetros: pressão arterial (PA), eletrocardiograma (ECG), frequência cardíaca (FC) e frequência respiratória (FR). Nesta experiência também se avaliaram os reflexos baro- e quimiorrecetores e obtiveram-se registos para a análise da variabilidade da FC e da PA sistólica. Após o término da experiência aguda, os animais foram sacrificados e os cérebros extraídos para estudos de imunohistoquímica em secções coronais, nas quais se analisou a morfologia das células e se quantificou a perda neuronal (neuronal nuclear antigen - NeuN), a astrogliose (Glial fibrillary acidic protein – GFAP) e a microgliose (ionized calcium binding adapter molecule-1 - Iba-1), bem como alterações na transmissão sináptica (Synaptophysin – Syn) no girus dentado do hipocampo. Os níveis de chumbo no sangue foram avaliados por espectroscopia de absorção atómica e a avaliação metabólica realizada através do uso de gaiolas metabólicas. Um grupo controlo de ratos Wistar sem exposição ao chumbo, de ambos os sexos e com o mesmo número de indivíduos, foi submetido ao mesmo protocolo e foi avaliado nos mesmos pontos temporais (12, 20 e 28 semanas de idade). Para a análise estatística foi utilizado o teste T de Student e a análise de Variância (ANOVA) unidirecional com o teste post-hoc de Tukey, considerando-se significativas diferenças com p < 0,05. Os resultados deste estudo mostram que, independentemente do tipo de perfil de exposição ao chumbo, existe uma associação clara entre exposição a chumbo, hipertensão e diminuição do ganho do barorreflexo, sem alterações de frequência cardíaca. Também demonstramos, pela primeira vez, que uma exposição intermitente a chumbo provoca efeitos adversos para a saúde, como hipertensão, hiperatividade simpática, aumento da sensibilidade quimiorreflexa e diminuição do ganho do barorreflexo, efeitos adversos semelhantes ao de uma exposição crónica permanente (PbP), porém menos pronunciada. De facto, às 28 semanas, o grupo PbI, o modelo animal intermitente de exposição ao chumbo desenvolvido, apresentou uma hipertensão menos grave em relação ao grupo de exposição de longo prazo (PbP), o que pode sugerir que a duração da exposição ao chumbo é mais relevante do que o tempo de exposição. Além disso, o efeito da exposição ao chumbo sobre a pressão arterial diastólica foi mais evidente do que sobre a pressão arterial sistólica. A exposição ao chumbo, desde o período fetal até as 12 semanas de idade, provoca hipertensão e disfunção quimiorreflexa duradoura, mesmo com um período de 16 semanas sem exposição. No entanto, a abstinência do chumbo promoveu uma melhoria na função barorreflexa, com repercussões nos valores da pressão arterial, uma vez que estes valores diminuíram, apesar de não atingirem os valores de normotensão. Em relação à avaliação autonómica, os dados indicam que quando existe um aumento do tónus simpático, avaliado pela banda LF, este é concomitante com disfunção barorreflexa e/ou hipertensão arterial. Isso significa que o sistema nervoso simpático deve estar envolvido na modulação da resposta barorreflexa ou no desenvolvimento da hipertensão decorrente da exposição ao chumbo. Relativamente ao efeito do chumbo a nível comportamental, todos os grupos expostos ao chumbo, avaliados nos diferentes pontos temporais, apresentaram alterações comportamentais, nomeadamente ansiedade, hiperatividade e / ou défices de memória a longo prazo, bem como alterações moleculares, mais especificamente, astrogliose e microgliose reativa, que indicam a presença de neuroinflamação. No entanto, estas alterações parecem reverter após a abstinência do chumbo durante um determinado período (PbS - exposição de curta duração), sendo mais evidentes quando ocorre uma segunda exposição a chumbo (PbI - exposição intermitente), levando mesmo a perda sináptica mais pronunciada. Em resumo, este estudo mostra, que exposições a chumbo durante as fases de desenvolvimento podem alterar o seu curso normal, com consequências adversas para a saúde que podem persistir para toda a vida. Uma vez que todos os grupos expostos a chumbo tiveram a mesma via de exposição (isto é, exposição ao chumbo através da água) e a mesma dose e, apesar do tempo de exposição diferente, todos foram expostos ao chumbo desde o período fetal até a idade adulta, período em que são mais suscetíveis a efeitos adversos na saúde. Portanto, podemos concluir que os diferentes efeitos tóxicos do chumbo entre os grupos dependem principalmente da duração total da exposição ao chumbo. As novas evidências obtidas por este estudo comparativo permitem-nos contribuir para o esclarecimento sobre os fatores ambientais que influenciam os sistemas nervoso e cardiovascular durante o desenvolvimento, o que pode ajudar a criar estratégias de políticas públicas para prevenir e controlar os efeitos adversos da toxicidade do chumbo.Geraldes, VeraRocha, Isabel, 1964-Repositório da Universidade de LisboaShvachiy, Liana2021-06-16T00:30:17Z2018-06-122018-06-12T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/37849TID:201930137enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:35:15Zoai:repositorio.ul.pt:10451/37849Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:51:49.686536Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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