Daño genotóxico y citotóxico producido por mercurio sobre células sanguíneas de (Cyprinus carpio) Judith Angelica Nuñez Betancourt*a , Marcela Galar Martínez+a , Sandra Garcia Medinaa , Leobardo Manuel Gómez Oliván b a + Laboratorio de Toxicología Acuática, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, IPN, Av. Wilfrido Massieu s/n, esq. Manuel Stampa, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, México, D.F. CP 07700. Tel: (52) 55 57 29 63 00 ext 52373, e-mail: [email protected] b Laboratorio de Toxicología Ambiental, Facultad de Química, UAEMex, Paseo Colón intersección Paseo Tollocan, Colonia Residencial Colón, Toluca, Estado de México, México, CP 50100. Tel: (52) 7222173890, e-mail: [email protected] Área del Conocimiento: Biomarcadores/bioindicadores Resumen: El mercurio es uno de los metales pesados más importantes para los sistemas acuáticos, ya que no son eliminados por procesos naturales, puede incorporarse a la cadena alimenticia debido a los procesos de bioacumulación y produce efectos tóxicos graves. En peces por ejemplo, se ha demostrado que este metal produce trastornos en la conducta sensorial, alimentaria, reproductiva y del nado. Sin embargo, respecto al daño genotóxico y citotóxico, existe poca información y este tipo de estudios son indispensables para identificar los mecanismos por los que actúa. El objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto citotóxico y genotóxico del mercurio, en sangre de la carpa común (Cyprinus carpio). Para ello se expusieron los organismos a diferentes concentraciones subletales del metal (0.001 mg/L y 0.01 mg/L) durante 12, 24, 48, 72 y 96 y pasado el tiempo de exposición se obtuvieron muestras sanguíneas, en las que se evaluaron los siguientes biomarcadores: el daño DNA mediante el ensayo de micronúcleos y la apoptosis se mediante la técnica de marcaje in situ del DNA fragmentado (TUNEL). Los resultados mostraron que el mercurio produjo una notable inducción de la frecuencia de micronúcleos, así como de la apoptosis de células sanguíneas en ambas concentraciones de prueba a todos los tiempos de exposición; en ambos casos alcanzando su máximo a las 48 h, para posteriormente decaer, aunque siempre por arriba del testigo. Estos resultados ponen de manifiesto la genotoxicidad y citotoxicidad producida por el mercurio y la necesidad de continuar los estudios toxicológicos de este metal. Palabras Clave: Mercurio; genotoxicidad; citotoxicidad; carpa común Abstract: Mercury is one of the most important heavy metals to aquatic systems, since it is not removed by natural processes, can be incorporated into the food chain due to bioaccumulation processes and produce serious toxic effects. In fish, for example, has been shown that this metal produces disorders in sensory, food, reproductive and swimming behavior. However, regarding to genotoxic and cytotoxic damage, there is little information and such studies are essential to identify the mechanisms by which it operates. The aim of this study was to evaluate the cytotoxic and genotoxic effects of mercury in blood of common carp (Cyprinus carpio). Test organisms were exposed to different sublethal concentrations of the metal (0.001 mg / L and 0.01 mg / L) for 12, 24, 48, 72 and 96 and after the exposure time blood samples were obtained and the following biomarkers were evaluated: DNA damage using the micronucleus assay and apoptosis by the technique of in situ labeling of fragmented DNA (TUNEL). The results showed that mercury produced a marked induction of micronuclei frequency and apoptosis of blood cells in both test concentrations at all exposure times, in both cases peaking at 48 h and then decline, although always above the control. These results demonstrate the genotoxicity and cytotoxicity caused by mercury and the need for further toxicological studies of this metal. Keywords: Mercury; genotoxicity; cytotoxicity; common carp 1. Introducción El agua es indispensable para la vida de todos los organismos, siendo además utilizada por el hombre en múltiples actividades tales como la agricultura, la industria, la recreación y por supuesto domésticas. Sin embargo, el crecimiento poblacional y el vertido de contaminantes a los embalses, ha ocasionado que este recurso se vea severamente amenazado. Entre los contaminantes más dañinos para los ecosistemas acuáticos y la biota asociada, se encuentran los metales. Algunos de ellos son esenciales para la vida de los organismos, tal es el caso del cromo, el cobre, el fierro, el molibdeno, el selenio y el zinc, pero son tóxicos a concentraciones elevadas en el medio. Otros, como los denominados metales pesados, entre los que se encuentran el plomo, el cadmio y el mercurio son extremadamente tóxicos. Los metales pesados son considerados entre los contaminantes más importantes para los sistemas acuáticos, ya que no son eliminados por procesos naturales y pueden incorporarse a la cadena alimenticia debido a los procesos de bioconcentración, bioacumulación y/o biomagnificación [1]. En el ambiente acuático el Hg existe tanto en formas inorgánicas y orgánicas, pero el metilmercurio es el compuesto más toxico y el más común de los compuestos órgano- mercuriales. Este tóxico se forma en los sedimentos acuáticos por metilación bacteriana del Hg inorgánico. En aguas neutras, se favorece la formación de dimetilmercurio volátil, el cual puede escapar a la atmosfera [2]. El mercurio es uno de los metales que más ha atraído la atención de la ciencia, debido principalmente a los severos efectos tóxicos que produce, evidenciados sin duda por el episodio acaecido en la Bahía de Minamata, Japón. Es un agente neurotóxico que en humanos se manifiesta como eretismo mercurial: excitabilidad, trastornos emocionales, alteraciones en la memoria y en la capacidad de concentración. En casos más graves el daño neurológico produce retraso psicomotor, incoordinación, ataxia, movimientos involuntarios, parálisis, sordera o ceguera. En especies acuáticas este metal es capaz de producir diversos efectos tóxicos. Devlin (2006), demostró que en los peces Pimephales promelas expuestos a 25 g.L-1 se produce un decremento en la síntesis de proteínas. Así mismo, en diversas especies acuáticas y en sus depredadores han sido observados incrementos en la producción enzimática, decremento de la función vascular, cambios en parámetros sanguíneos, respuesta inmune y renal, así como cambios en el comportamiento [3, 4]. El efecto más importante de la contaminación ambiental por mercurio se produce a nivel acuático, debido a que el metilmercurio es una toxina que se absorbe rápidamente. Se acumula en los tejidos grasos de los peces a concentraciones y niveles elevados, dañando principalmente el sistema nervioso [5]. En particular en peces como el Salmo salar, Pomatoschistus microps, Cyprinus carpio, Liza aurata, Ictalarus melas, se ha observado la acumulación de este metal en las branquias, riñón, hígado, músculo y cerebro; modificación de la actividad de enzimas antioxidantes, lipoperoxidación (LPX) e incremento en los niveles de biomoléculas ricas en grupos sulfhidrilos (-SH) (glutatión reducido y metalotioneínas); así como trastornos en la conducta sensorial, alimentaria, reproductiva y del nado por exposición [1]. La capacidad de producir especies reactivas de oxígeno del mercurio ha sido vinculada con daños genéticos y citotóxicos en mamíferos, por lo que es posible que se presenten este tipo de efectos en organismos acuáticos, tales como la carpa común [6]. La carpa común es un pez de agua templada a semifria, que soporta altos niveles de oxígeno y pH, amoniaco, nitratos, nitritos y fosfatos y ha sido empleada con frecuencia como especie bioindicadora en estudios de toxicidad [7]. 2. Materiales y métodos 2.1 Colecta y mantenimiento de la carpa (Cyprinus carpio) Las carpas se obtuvieron del centro acuícola carpícola Tiacaque, Estado de México y se distribuyeron en peceras de vidrio de 40 L de capacidad (20 peces en cada una). Se colocaron sistemas de filtración para mantener el agua limpia y favorecer la circulación y aireación. Se mantuvieron a temperatura ambiente, con ciclos de luz-obscuridad natural y se alimentaron diariamente con alimento de alta calidad (Nutripec, nutrimentos purina). El peso de los órganismos empleados para los estudios fue de 13.11 ± 1.11 g y una longitud de 7.76 ± 0.19 cm. Los peces se aclimataron 2 semanas antes de la realización del estudio. 2.2 Estudio de toxicidad Se formaron 3 lotes de 2 carpas cada uno por triplicado, cada uno en acuarios de plástico de 10 L de capacidad, con aireación constante y ciclos de luz-obscuridad naturales y fueron expuestos a 0.001 y 0.01 mg/L de Hg, en forma de cloruro de mercurio. El tercer lote corresponde al testigo sin exposición a Hg. Las concentraciones empleadas equivalen al límite máximo permisible ( LMP) para la protección de vida acuática y a un 1/10 de la CL50 determinada previamente en el laboratorio, respectivamente. Transcurridas 12, 24, 48, 72 y 96 h, se obtuvieron muestras de sangre por punción de la arteria/ vena caudal y se determinó la genotoxicidad mediante la cuantificación de la frecuencia de micronúcleos y la citotoxicidad por evaluación de apoptosis mediante la técnica de TUNEL. La muestra se dividió en dos partes, la primera en fresco para la prueba de micronúcleos y la segunda se preservó en solución conservadora del kit para citología líquida (Productos Biológicos de México) para la determinación de apoptosis. 2.2.1 Evaluación de frecuencia de micronúcleos Se realizó un frotis de la muestra sanguínea obtenida de cada organismo después de la exposición, se fijaron con etanol puro durante 20 min y se dejaron secar a temperatura ambiente. Posteriormente se tiñeron con una solución de Giemsa al 10% durante 9 min.Fueron examinados un total de mil eritrocitos para cada muestra en el microscopio de luz y la frecuencia de micronúcleos en las células (MN) se expresó como número por mil (%) MN [8]. 2.2.2 Evaluación de la apoptosis Se tomaron 300 μL de las células en la solución conservadora y se centrifugaron a 300 rpm durante 5 min a 4° C. El botón se resuspendió en 50 μL de la solución de montaje (kit citología liquida- PBM). Se tomó 1 µL de la suspensión celular y se colocó en un portaobjetos con polilisina (Sigma), se secó la preparación a 60°C durante 5 min. Una vez seco el material celular, se fijó con acetona fría por 10 min y se hidrataron con cambios sucesivos de xileno y etanol (del 100% al 50%) y agua. A c o nt inu a c ió n se realizó un pretratamiento con proteína K (20 µg/mL., Bioline) por 10 min y se lavó la muestra tres veces con PBS, añadiendo 60 μL de la enzima TdT a 37°C durante 60 min. Por ultimo, las células se lavaron las muestras tres veces con PBS y se agregó el conjugado anti-FITC para el marcaje de las células apopticas, incubándolo en una cámara húmeda por 30 min a temperatura ambiente. Se lavaron las muestra 4 veces con PBS por 2 min a temperatura ambiente. Finalmente se contrastó el marcaje con IP (1.5 µg/mL). Las laminillas se observaron en el microscopio de fluorescencia (Zeiss) con un sistema de captura de Media Cybernetics y un filtro de 450-490nm. En el ensayo, se incluyó un grupo testigo positivo tratando la muestra con DNasa I (1 µg/mL), mientras que el testigo negativo se consiguió al tratar una muestra sanguínea al igual que las del ensayo, pero no se le aplicó la solución de la enzima TdT. La apoptosis se expresó como el número de células TUNEL positivas por cada 100 células. 2.2.3 Análisis estadístico Los resultados fueron analizados mediante ANOVA no paramétrica de Kruskall Wallis con p < 0.05. 3. Resultados 3.1 Evaluación de micronúcleos Figura 1. Frecuencia de micronúcleos en los organismos expuestos a diferentes concentraciones de mercurio. Cada valor representa la media de 6 organismos ±EE. a Indica la diferrencia b significativa con respecto a su testigo. Indica una diferencia significativa entre 0.001 mg/L y 0.01 mg/L , prueba de ANOVA de no paramétrica de Kruskal-Wallis con p< 0.05. La figura 1 muestra los resultados referentes al efecto genotóxico del Hg sobre la sangre de la carpa común, expresados como frecuencia de micronúcleos. Como puede observarse los organismos expuestos a ambas concentraciones presentan un incremento significativo en el porcentaje de frecuencia de micronúcleos a partir de las 12 hasta las 96 h en comparación con sus testigos (p<0.05), siendo el efecto dependiente del tiempo y la concentración. Es importante mencionar que a partir de as 48 h el porcentaje de micronúcleos comienza a disminuir, aunque nunca recupera el valor presentado por el grupo testigo. 3.2 Evaluación de la apoptosis Figura 2. Porcentaje de células apoptóticas en los organismos expuestos a diferentes concentraciones a de mercurio. Cada valor representa la media de 6 organismos ± EE. Indica la diferencia significativa b con respecto a su testigo. Indica una diferencia significativa entre 0.001 mg/L y 0.01 mg/L, prueba de ANOVA no paramétrica de Kruskal-Wallis con p< 0.05. Los resultados referentes al porcentaje de células en apoptosis se presentan en la figura 2. Como puede observarse, en los organismos expuestos a ambas concentraciones de Hg se presentó un incremento en el porcentaje de células apoptóticas a partir de las 12 y hasta las 96 h en comparación con el testigo, siendo el efecto dependiente del tiempo y la concentración y aunque el daño es más evidente en la concentración más alta (0.01 mg/L, 1/10 CL50) no se encontró diferencia significativa entre estos. Es importante mencionar que a partir de las 48 h el porcentaje de células apoptóticas comienza a disminuir, aunque nunca recupera el valor presentado por el grupo testigo. 4. Discusión El mercurio es un metal sin función biológica conocida, que es tóxico incluso a concentraciones bajas. Su toxicidad y biotransformación han sido extensamente estudiadas, sin embargo la toxicidad del mercurio inorgánico aun permanece en discusión, probablemente debido a las diferencias bioquímicas, fisiológicas y anatómicas entre los modelos estudiados, así como las variedades de técnicas empleadas para su análisis [9]. Además, su posible genotoxicidad y citotoxicidad en organismos acuáticos no han sido evaluadas. La identificación de MN es una prueba importante y potente para la evaluación de genotoxicidad ya que es simple, sensible e independiente de las características del cariotipo de los animales de prueba. En el presente estudio se evaluaron los efectos genotóxicos producidos por dos concentraciones de Hg (LMP para la protección de vida acuática y 1/10 CL50) usando como modelo biológico a la carpa común. En ambos grupos de prueba, LMP y 1/10 CL50 (fig. 1) se encontró un aumento gradual de la frecuencia de MN a partir de las 12 hasta las 48 h, en donde se observó una máxima frecuencia de éstos y disminuyó paulatinamente hasta las 96 h. Estos resultados coinciden con lo observado en el pez Channa punctata expuesto a contaminantes acuáticos, que presentan una mayor frecuencia de MN dependiendo de la concentración del contaminante al que está expuesto el organismo. En este estudio se presentó un aumento en función del tiempo de exposición en la inducción de MN en la sangre periférica de los peces expuestos a una concentración subletal de Hg (II). También informaron que al someter a los individuos a un tiempo de exposición más prolongado se observa un incremento en la inducción de MN seguido de una estabilización ligera y una disminución gradual [10]. Esto concuerda en lo observado en Cyprinus carpio expuesto a diferentes concentraciones de mercurio 0.001 mg/L y 0.01 mg/L (LMP y 1/10 CL50), en donde se encontró que al aumentar el tiempo de exposición se presenta una mayor frecuencia en la inducción de MN, seguido por una estabilización ligera y una disminución gradual. Como puede observarse durante los primeros tiempos de exposición el Hg ejerce un notable efecto genotóxico, pero conforme éste transcurre probablemente el material genético es reparado y el daño revertido. Sin embargo, es posible que una mayor concentración del metal inhiba la división normal de las células, produciendo daño a cromosomas en los eritrocitos y el ADN durante la replicación, además de una posible activación de procesos como la muerte celular [11]. Así, en este trabajo el incremento de células apoptóticas (fig. 2) coincide con un mayor daño al ADN, aunque independientemente del grado de daño la frecuencia de apoptosis es la misma. Es probable que se esté observando una activación de los mecanismo de defensa para reducir el daño, a fin de estabilizar la frecuencia de MN relativamente y por ende las consecuencias biológicas de éstos [11]. El mecanismo de la genotoxicidad inducida por el mercurio es bastante complejo; este metal posee una gran afinidad por las macromoléculas y se une al ADN tanto in vitro como in vivo, lo que conduce a alteraciones en la estructura [12]. Además, se ha demostrado que este metal aumenta los de niveles especies reactivas de oxígeno en los tejidos y células por el agotamiento de los antioxidantes celulares y presenta una fuerte interacción con los grupos sulfhidrilo (-SH) de diversas biomoléculas, entre estas el glutatión, aumentando la producción de radicales libres [13]. La generación de daño oxidativo parece estar relacionado con mecanismos genotóxicos y la interferencia con los procesos de reparación del ADN y la replicación [14]. La inhibición de los procesos de reparación del ADN puede ser un mecanismo importante en la genotoxicidad del metal, en contraste con el daño directo del ADN [9]. Los iones de Hg pueden inducir estrés oxidativo mediante la generación de ROS a través de la interrupción del transporte de electrones en la cadena mitocondrial [15]. Este fenómeno suele ocasionar una degeneración celular, activar las rutas señalizadoras para iniciar la muerte celular. Es más, se ha observado en linfocitos expuestos a compuestos de Hg incrementa el citocromo C en el citosol, activando las ruta de señalización intrínseca de la muerte celular [16]. Kim y Sharm (2006) encontraron en macrófagos de murinos expuestos in vitro a HgCl un incremento en la actividad de las caspasas 3 y el factor de necrosis tumoral alfa (TNFα), proponiendo que la muerte observada en las células se generaba por una mezcla de muerte celular ocasionada por la necrosis y la apoptosis [17]. Dichos efectos están íntimamente relacionados con la generación de especies reactivas de oxígeno. Por otro lado, en linfocitos humanos se encontró que el Hg es capaz de alterar los niveles de las proteínas de la familia Bcl-2, dichas proteínas se encuentran involucradas los procesos antiapoptoticos, por lo que la actividad de las caspasas no es regulada presentándose la muerte por apoptosis [16]. Finalmente, el propio daño del material genético es capaz de desencadenar las rutas señalizadoras intrínsecas a través del p53, el cual activa la expresión de genes pro-apoptosis, como BAX o PUMA. En este contexto no existe antecedentes de que el Hg inorgánico sea capaz de activar la muerte celular por esta vía, sin embargo en ratones expuestos a compuestos orgánicos de Hg se encontró un incremento significativo en los niveles de P53, Bax Bad y la caspasa 3 en células alveolares de tipo II del epitelio [18]. El análisis de la geno/citotoxicidad en células sanguíneas de los organismos expuestos a metales, como el Hg, puede ayudar a entender el mecanismo mediante el cual los contaminantes ejercen su toxicidad. Los tóxicos no solo pueden afectar a nivel molecular, sino también iniciar una cascada de respuestas en los niveles superiores, incluyendo los tejidos, afectando la salud de los organismos, la reproducción, la demografía y genética de las poblaciones, además de procesos como la extinción de las especies [19]. Por lo tanto, los estudios sobre los biomarcadores de geno/citotoxicidad pueden ser utilizados para explicar el impacto de la toxicidad de los xenobióticos en los ecosistemas acuáticos. 5. Conclusiones El Hg es un agente genotóxico y citotóxico, ya que se observó un incremento en la frecuencia de micronúcleos, así como en la la proporción de células apoptóticas en los eritrocitos de la carpa común (Cyprinus carpio), siendo el daño en ambos casos dependiente de la concentración y el tiempo de exposición. Finalmente, la concentración de 0.001 ppm de Hg que se considera como el LMP para la protección de la vida acuática no es apto para el desarrollo de la carpa común (Cyprinus carpio) en este estudio. Agradecimientos Este estudio se realizó gracias al apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (proyecto 181541) y del Instituto Politécnico Nacional a través de la Secretaría de Investigación y Posgrado (proyecto SIP 20110418). Referencias [1] Vieira ,L.R., Gravato ,C., Soares ,A.M.V.M., Morgado ,F., Guilhermino ,L. 2009. Acute effects of copper and mercury on the estuarine fish Pomatoschistus microps: linking biomarkers to behavior. Chemosphere. 76:1416–1427. 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