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Universidad de Buenos Aires Facultad de Farmacia y Bioquímica Citogenética Humana y Genética Toxicológica Departamento de Bioquímica Clínica Evaluación de la actividad biológica y protectora de la rúcula (Eruca sativa y Diplotaxis tenuifolia) en modelo in vivo Bioq. Iván Ayllón Cabrera Director: Dra. Marta Carballo Director Adjunto: Dra. Marcela M. López Nigro 2018 A todos los que me brindaron su alegría y cariño en el desarrollo de esta aventura. Nada beneficiará tanto la salud humana e incrementará las posibilidades de supervivencia de la vida sobre la Tierra, como la evolución hacia una dieta de vegetales. Albert Einstein ÍNDICE I INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 1 I.1. Alimento funcional y la relación entre dieta y salud ................................................ 2 I.2. Las crucíferas .......................................................................................................... 3 I.3.Rúcula ..................................................................................................................... 5 I.3.1. Reseña histórica .................................................................................................................... 5 I.3.2. Taxonomía y procedencia...................................................................................................... 6 I.4. Fitoquímicos presentes en Crucíferas ...................................................................... 7 I.4.1. Glucosinolatos. ...................................................................................................................... 8 I.4.2. Isotiocianatos ...................................................................................................................... 11 I.4.3. Compuestos fenólicos ......................................................................................................... 12 I.4.4. Carotenoides ....................................................................................................................... 13 I.4.5. Los minerales ....................................................................................................................... 14 I.5. Genética toxicológica ........................................................................................... 15 I.6. Test de micronúcleos ............................................................................................ 18 I.6.1. Antecedentes....................................................................................................................... 18 I.6.2. Ensayo de formación de micronúcleos y modelos experimentales .................................... 21 I.6.3. El Ensayo de micronúcleos en médula ósea de ratón ......................................................... 22 I.7.Ensayo Cometa o Electroforesis De Una Sola Célula ............................................... 24 I.7.1. Desarrollo histórico del ensayo ........................................................................................... 24 I.7.2. La electroforesis de una célula en los estudios de genotoxicidad ...................................... 27 I.7.3. Ensayo cometa en la evaluación de la protección/reparación del daño al ADN ................ 27 I.7.4. Ventajas e inconvenientes en el ensayo ............................................................................. 29 I.7.5. Aplicaciones ......................................................................................................................... 30 II OBJETIVOS ................................................................................................................ 32 II.1. Hipótesis de trabajo y objetivos ........................................................................... 33 II.1.1. Objetivo general ................................................................................................................. 33 II.2.2 Hipótesis de Trabajo ............................................................................................................ 33 II.2.3. Objetivos Específicos .......................................................................................................... 34 III MATERIALES Y MÉTODOS. ........................................................................................ 35 III.1. MATERIALES ....................................................................................................... 36 III.1.1. Material vegetal y preparación del jugo de rúcula............................................................ 36 III.1.2. Selección de dosis .............................................................................................................. 36 III.1.3. Material biológico .............................................................................................................. 36 III.2 MÉTODOS ........................................................................................................... 37 III.2.1. Diseño experimental ......................................................................................................... 37 III.2.2. Ensayo cometa en sangre periférica ................................................................................. 39 III.2.3. Test del micronúcleo en médula ósea ............................................................................... 40 III.3. ANÁLISIS ESTADÍSTICO ........................................................................................ 41 IV. RESULTADOS .......................................................................................................... 42 IV.1. DIPLOTAXIS TENUIFOLIA ..................................................................................... 43 IV.1.1. Peso corporal .................................................................................................................... 43 IV.1.2. Evaluación Genotóxica y Antigenotóxica .......................................................................... 44 IV.2. ERUCA VESICARIA............................................................................................... 51 IV.2.1. Peso corporal .................................................................................................................... 51 IV.2.2. Evaluación Genotóxica y Antigenotóxica .......................................................................... 52 V. DISCUSIÓN ............................................................................................................... 59 V.1. Genotoxicidad/Antigenotoxicidad ....................................................................... 64 V.2. Diplotaxis tenuifolia ............................................................................................ 69 V.3. Eruca vesicaria .................................................................................................... 71 V.4. Evaluación Comparativa ...................................................................................... 75 VI. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 78 VII. RESUMEN .............................................................................................................. 80 VIII Referencias ............................................................................................................ 82 I INTRODUCCIÓN Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 2 I.1. Alimento funcional y la relación entre dieta y salud Idealmente una dieta variada, equilibrada y adecuada debe garantizaruna salud óptima, reduciendo los riesgos de enfermedades carenciales y enfermedades crónico- degenerativas, sin dejar de ser satisfactoria para el paladar (Gonzalvo-Heras y col., 2006). Los estilos de vida actuales tan cambiantes como el desarrollo del hombre exigen que los hábitos de consumo alimentario tengan una mayor calidad en los productos naturales. Debido a esta demanda, surge la creación de nuevos alimentos aplicando nuevos conocimientos científicos y tecnológicos que permitan desarrollar productos destinados a mejorar la salud. Según el Internacional Life Science Institute (ILSI), se establece que un alimento puede ser considerado funcional si se demuestra satisfactoriamente que ejerce un efecto beneficioso sobre una o más funciones selectivas del organismo, además de sus efectos nutritivos intrínsecos, de modo tal que resulte apropiado para mejorar el estado de salud y bienestar, reducir el riesgo de enfermedad, o ambas cosas. Los alimentos funcionales deben seguir siendo alimentos, no son comprimidos ni capsulas, sino alimentos que deben demostrar sus efectos en las cantidades en que normalmente se consumen en la dieta (ILSI, 2004). Algunos ejemplos de alimentos funcionales son los enriquecidos con determinados minerales, vitaminas, fibra alimenticia o ácidos grasos y los alimentos a los que se les ha añadido sustancias biológicamente activas, como fitoquímicos y otros antioxidantes. Actualmente, la industria alimentaria, puede proveer alimentos con composición físico- química controlada o modificada, según el objetivo que se desea obtener con su ingesta, basada en el principio del beneficio para la salud. Esto nos abre grandes perspectivas tanto en investigación respecto a la prevención de ciertas enfermedades, y el impacto de diversos nutrientes en patologías como el cáncer, enfermedades neurológicas y cardiovasculares, como para la industria farmacéutica en la utilización de fitoquímicos para el desarrollo de nuevos fármacos (Villatoro Pulido, 2011). La prevención y protección del daño genético constituyen estrategias claves en la disminución del riesgo de padecer diversas patologías crónicas, como el cáncer. Ambos escenarios implican una menor exposición a xenobióticos que puedan interaccionar con el Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 3 ácido desoxirribonucleico (ADN) u otros blancos biológicos y estimular mecanismos propios del organismo que permitan reducir el impacto de estos xenobióticos. En este contexto, el consumo de vegetales y frutas son un componente fundamental ya que son fuente de nutrientes que resguardan la salud y probablemente reducen el riesgo de cáncer. (Casanova, 2014). Según la Organización Mundial de la Salud (OMS) una dieta poco saludable es uno de los principales factores de riesgo para una serie de enfermedades crónicas, como las enfermedades cardiovasculares, el cáncer, la diabetes y otras condiciones relacionadas con la obesidad; por lo tanto, recomienda el consumo de vegetales y frutas para reducir estas enfermedades crónicas. I.2. Las crucíferas La familia de las crucíferas (Brassicaceae) presenta 390 géneros y 3000 especies, de éstos 108 géneros con especies silvestres en Europa (Herbario Virtual del Mediterráneo Occidental). En Argentina según el catálogo de plantas vasculares de nuestro país, la familia Brassicaceae tiene 59 géneros y 216 especies de las cuales 65 son especies endémicas (Herbario Virtual Flora Argentina). Las crucíferas son plantas herbáceas, presentan hojas alternas, simples, enteras o dentadas y a veces en roseta basal, y su inflorescencia es en racimo con flores hermafroditas, actinomorfas. El cáliz presenta 4 sépalos libres, corola con 4 pétalos libres, 6 estambres libres en 2 verticilos, 4 largos estambres interiores y 2 más pequeños exteriores. El gineceo con ovario súpero de 2 carpelos y 1 estilo, de fruto una silicua o silícula. La familia de las crucíferas es llamada así porque las flores de estas plantas poseen cuatro sépalos y cuatro pétalos, y éstas están colocadas en forma de cruz. Casi todas las especies viven en campos y huertos, muchas de ellas son plantas arvenses. Esta familia contiene especies bien conocidas, utilizadas muy tradicionalmente por el hombre como hortícolas forrajeras, o como fuente de condimentos y aceites. También, tienen mucha importancia económica y hay especies que presentan un aprovechamiento agrícola destacado como: nabos, nabizas, col china y grelos (Brassica rapa), mostaza negra (Brassica nigra), berza, brócoli, coliflor, col asa de cántaro (Brassica oleracea), mostaza india (Brassica juncea), colza (Brassica napus), mostaza etíope (Brassica carinata), rábano común Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 4 (Raphanus sativus), rábano picante (Rusticana armoracia) y muchos otros. Asimismo, muchas de estas especies presentan propiedades medicinales como la rúcula (Eruca vesicaria), la bolsa de pastor (Capsella bursa-pastoris), la mostaza silvestre (Sinapis arvensis) y la mostaza blanca (Sinapis alba) entre otras. Además de estos usos, con las crucíferas se puede producir biodiesel, como por ejemplo con la colza (Brassica napus); también son usadas en biofumigación y se han reportado en la literatura distintos estudios realizados sobre crucíferas en fitorremediación de metales pesados (Bauddh K y col., 2012). En las últimas décadas las publicaciones sobre las crucíferas se han incrementado. Debido a su relación con la dieta y la salud (figura1; fuente Pubmed cruciferae marzo del 2018) las crucíferas han tomado un importante rol como plantas medicinales experimentando un fuerte aumento en la venta y la producción, ya que se reconocen sus importantes efectos beneficiosos en la salud de las poblaciones que las consumen. Estos vegetales son de gran importancia debido al contenido de compuestos bioactivos con propiedades quimioprotectores incluyendo los glucosinolatos, isotiocianatos (ITCs), flavonoides, compuestos fenólicos, minerales, fibra, ácido fólico y carotenoides (Podsedek, 2005; Jing Jin, 2009). Figura 1. Número de publicaciones por año sobre las crucíferas Fuente Pubmed marzo del 2018 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 2 0 1 8 2 0 1 7 2 0 1 6 2 0 1 5 2 0 1 4 2 0 1 3 2 0 1 2 2 0 1 1 2 0 1 0 2 0 0 9 2 0 0 8 2 0 0 7 2 0 0 6 2 0 0 5 2 0 0 4 2 0 0 3 2 0 0 2 2 0 0 1 2 0 0 0 1 9 9 9 1 9 9 8 1 9 9 7 1 9 9 6 1 9 9 5 1 9 9 4 1 9 9 3 1 9 9 2 1 9 9 1 1 9 9 0 1 9 8 9 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=Bauddh%20K%5BAuthor%5D&cauthor=true&cauthor_uid=22908643 Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 5 Según datos de la literatura, los glucosinolatos (GSL) son los principales responsables de las cualidades nutritivas, organolépticas y medicinales de las crucíferas, destacándose éstas por ser la única fuente de estos fitonutrientes en la dieta (Mithen, 2001). Estos compuestos que contienen azufre son los responsables del fuerte sabor de estas verduras y son sintetizados principalmente por la planta, como parte de un mecanismo de defensa contra los depredadores (insectos). Sus productos de degradación, los ITCs han demostrado ser buenos inhibidores del crecimiento de ciertas células tumorales. Uno de los más estudiados es el sulforafano, ITC derivado de la glucorafanina, presente tanto en rúcula como en otras crucíferas como el brócoli, al que se le adjudica un marcado efecto protector y vinculación con procesos anticarcinogénicos (Gibbs, 2009). I.3.Rúcula I.3.1. Reseña histórica El nombre de la rúcula está bien documentado en la antigua literatura de tierra santa. Distintos estudios en la literatura mencionan que este vegetal ya había sido mencionadoen la Biblia como “Oroth” y que fue usado en el periodo helenístico en comidas y medicina (Yaniv y col., 1998). Griegos y Romanos conocían a la rúcula por su propiedades medicinales y afrodisiacas (Morales y Janick, 2002). En la antigua Roma era consagrada a Priapo, plantándose a los pies de las estatuas de esta deidad consagrada al potencial procreador de los machos. Dioscórides (siglo V a.C.), en su obra De Materia Libre Quinqué, cita a la rúcula recomendándola para problemas digestivos y advierte que ingerir el vegetal crudo y sus semillas estimulan la lujuria. Agrónomos hispanoárabes, entre ellos, Ibn Hayyay (siglo XI), Ibn Wafid (siglos XI-XII) y, Ibn al-Awwam (siglo XII), también hablan del cultivo de la rúcula. Ibn al-Awwam comenta el uso de la planta como aromatizante de mostos y arropes, moliendo la semilla y cubriendo con ellas la superficie de las orzas en las que éstos se conservan. También menciona el empleo de sus flores en forma parecida (Nuez y Hernández-Bermejo, 2009). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 6 I.3.2. Taxonomía y procedencia Se denomina rúcula a diferentes especies de plantas pertenecientes a la familia de las crucíferas, dentro de las cuales los géneros más comunes son Eruca y Diplotaxis; también podría incluirse dentro del grupo a las Bunias orientalis (Fuentes y col 2014). La rúcula es una planta anual alógama (2n = 2x = 22) que incluye a Diplotaxis tenuifolia (n=11), Diplotaxis muralis (n=10+11), Diplotaxis viminea (n=10) y Eruca spp. (n=11) (incluye E. vesicaria, E. sativa, E.longirostris y E. pinnatifida). La región del Mediterráneo y Asia occidental son acreditadas como centros de origen y domesticación de la rúcula. Estas se pueden encontrar de forma silvestre, aunque de todas las especies la que ocupa un área geográfica más amplia en el mundo es la Eruca sativa (Padulosi, 1994). Figura 2. Fotografías, a la izquierda rúcula selvática y a la derecha rúcula común La rúcula es un vegetal ampliamente conocido. Esta denominación proviene del latín “uro” que significa “quemo”, debido al sabor pungente que presenta. Tiene mucha importancia como cultivo de hoja en diferentes países mediterráneos, entre los que se encuentran España, Italia, Grecia, Turquía, Egipto y Sudán (Pimpini y Enzo, 1997). En Argentina fue introducida en la región pampeana como planta melífera, pero se difundió haciéndose una de las especies invasoras más abundantes (Fernández, 2009). En concreto, en Buenos Aires es producida y comercializada como hortaliza de hoja por varias empresas Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 7 desde hace algunos años, como Finca Pilar, Sueño Verde, Song y Buy Eat, constituyéndose como un producto gourmet. Se ha asilvestrado también en América del Norte, sur de África y Australia. En India, China y Pakistán es cultivada por el aceite de sus semillas (Sun-Ju y Gensho, 2006). En el resto del mundo, el órgano de consumo lo constituyen las hojas y tallos jóvenes, que se ingieren crudos en ensaladas (Stephens, 2006). Además, es considerada como planta medicinal y puede ser empleada en el control biológico de plagas (D’Antuono y col., 2009). Así como otras crucíferas, contiene fitoquímicos promotores de la salud, incluidos los carotenoides, vitamina C, fibra, flavonoides y glucosinolatos (Bell y col.-2014). I.4. Fitoquímicos presentes en Crucíferas Dado que el término "fito" de la palabra fitoquímicos deriva de la palabra griega φυτόν (fito) que significa planta o vegetal, los fitoquímicos son sustancias químicas presentes en las plantas. Se definen como compuestos bioactivos de origen vegetal que se encuentran en frutas, verduras, granos y otros alimentos vegetales y que han sido vinculados a la reducción del riesgo de las principales enfermedades crónicas. Se estima que más de 5000 sustancias fitoquímicas individuales han sido identificadas, pero un gran porcentaje todavía sigue siendo desconocido y necesita ser identificado a fin de comprender cabalmente los beneficios que los mismos aportan para la salud. Presentan estructuras químicas diversas, entre las cuales podemos citar los carotenos, polifenoles, alcaloides, compuestos nitrogenados y organosulfurados (Liu, 2004). El contenido nutricional de las crucíferas es variable y depende de las condiciones ambientales donde se desarrolla, las estaciones del año en la que se desarrolla, la edad de la misma, el tiempo en que se cosecha (primera o segunda cosecha), las propiedades del cultivo, y el método de conservación, procesamiento y preparación. Por lo general, las partes verdes de las crucíferas poseen un bajo contenido de agua, como también un bajo contenido de ácidos grasos y carbohidratos; esto lo convierte en productos de bajo nivel calórico. También son una buena fuente de minerales, vitamina C y aminoácidos. Además, contienen un gran número de nutrientes y fitoquímicos a los que se les atribuye un potente efecto antioxidante, los cuales se describen a continuación (Juge y col., 2007; Azarenko y col., 2014). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 8 I.4.1. Glucosinolatos. Estos vegetales son la fuente principal de los glucosinolatos (GSL), también llamados tioglicósidos. Estos metabolitos secundarios, sintetizados por las plantas como defensa ante la depredación, son aniones solubles en agua, responsables del sabor y aroma característico de las crucíferas (Villatoro Pulido, 2011). Están formados por un grupo β-tioglucósido, una oxima sulfonada y una cadena lateral variable (R) derivada de un aminoácido (alanina, valina, leucina, fenilalanina, tirosina, entre otros) (figura 3). Figura 3. Estructura general de los glucosinolatos La estructura química variable de la cadena lateral es la que determina la existencia de más de 120 glucosinolatos. Hay especies de crucíferas que presentan solo un GSL en su composición, mientras que otras poseen más de 30 diferentes, siendo una característica propia de cada especie y de cada tejido de la planta (raíz, tallo, hojas y semillas). Se clasifican en base a tres estructuras de diferente precursor de aminoácidos: glucosinolatos alifáticos, glucosinolatos indólicos, y glucosinolatos aromáticos. Estos tres subtipos de GSLs tienen sus correspondientes precursores: así los GSLs alifáticos son derivados de alanina, leucina, isoleucina, valina, y metionina; los GSLs indólicos son derivados de triptófano y los GSLs aromáticos son derivados de la fenilalanina o tirosina (Ishida y col., 2014). La composición y el contenido de glucosinolatos se ven influenciados por el genotipo, las condiciones del clima y del cultivo, incluyendo la fertilización y tiempo de cosecha (Ishida y col., 2014 y Verkerk y col., 2009). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 9 Figura 4. Ejemplos de glucosinolatos que se encuentran en las crucíferas. Tomado de Ishida y col. 2014 Los glucosinolatos se encuentran en el líquido intersticial celular, son sintetizados en la planta como precursores inactivos, que cuando éstas se rompen por efectos de la cosecha, cocción, congelamiento, y masticación del vegetal se ponen en contacto con tioglucosidasas glucohidrolasas (mirosinasas) que se encuentran en los idioblastos. Estas enzimas hidrolizan los glucosinolatos produciendo productos como isotiocianatos (ITCs), nitrilos, tiocianatos, epitionitrilos y oxazolidinas. La proporción y el tipo de estos productos de hidrólisis dependen de la especie vegetal estudiada, el pH, temperatura, iones metálicos y la presencia de proteínas epitioespecíficas (Bones y Rossiter, 2006). Sobre este aspecto, se sabe que la proteína epitioespecífica (ESP) es un cofactor de la mirosinasa, y su presencia condiciona los productos de hidrólisis generados (epitionitrilo o nitrilo)(Matusheski y col., 2006). Por otro lado, la temperatura de cocción también es un factor condicionante. Una cocción de esta crucífera a bajas temperaturas, desnaturaliza a la proteína ESP y conserva a la mirosinasa, por lo que el producto de hidrólisis será ITCs. Y aunque una cocción a temperatura elevada desnaturaliza a la mirosinasa, los glucosinolatos intactos ingeridos también pueden ser convertidos en ITCs por la mirosinasa presente en el colon, gracias a la actividad de la tioglucosidasas de la flora intestinal (Juge y col., 2007). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/core/lw/2.0/html/tileshop_pmc/tileshop_pmc_inline.html?title=Click on image to zoom&p=PMC3&id=40311 Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 10 Diversos estudios epidemiológicos indican una asociación inversa entre una dieta con alto contenido de crucíferas y el riesgo a padecer diversos tipos de cáncer (Abdull Razis y Noor, 2013). En general se cree que la actividad quimiopreventiva de las crucíferas es exclusivamente el resultado de la exposición a productos de degradación de glucosinolatos, tales como ITCs e índoles. Sin embargo, algunos autores consideran a los glucosinolatos intactos como partícipes de este efecto beneficioso de las crucíferas (Abdull Razis y Noor, 2013) Figura 5. Hidrólisis de los glucosinolatos. Tomado de Bell y Wagstaff, 2014. Hasta la fecha en la literatura se han publicado diferentes estudios sobre el contenido en glucosinolatos de Eruca y Diplotaxis, los cuales se han centrado principalmente en el contenido de glucosativina, glucorrafanina y glucoerucina (Sun-Ju y Gensho, 2006; Bennett y col., 2007; Villatoro Pulido y col., 2013; y Bell y col., 2015). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 11 I.4.2. Isotiocianatos Los isotiocianatos (ITCs) son un grupo funcional –N=C=S, que confiere sabor amargo, amostazado y picante, tanto en las semillas como las partes verdes de las crucíferas (Mandiki y col., 2000). Se especula que los ITCs, son los responsables de los efectos protectores de las crucíferas (Traka y col., 2010; Abdull Razis; y Noor 2013). Como ya se mencionó anteriormente, los ITCs son productos de hidrólisis de los glucosinolatos, por efecto de la β tioglucosidasa. Estos ITCs son absorbidos en forma pasiva por las células epiteliales del tracto gastrointestinal donde son rápidamente conjugados con glutatión. Las moléculas conjugadas son enviadas a circulación sistémica posiblemente a través de un transportador de la familia ABC (Casanova, 2014). En general, los ITCs más estudiados son el 1-ITC-4-(metilsulfinil)-butano o sulforafano (SF), el 4-(metiltio) butil ITC o erucina (ER) y el 3-metilsulfinilpropil-ITC o iberina (IB) (Jadhav y col., 2007), los cuales provienen de la hidrólisis de la glucorafanina, glucoerucina y glucoiberina, respectivamente. En otros trabajos también se hace mención que la erucina, puede obtenerse a través de la reducción in vivo del sulforafano (Melchini y col., 2009). Numerosos estudios demuestran que los ITCs serían los responsables del efecto protector de las crucíferas a través de diferentes mecanismos. Por ejemplo, el ITCs sulforafano (SF) ejercería su acción anticarcinogénica por arresto del ciclo celular en diferentes etapas de su progresión, a partir de la regulación de la inhibición de CDKs, así como la disrupción de microtúbulos y modificación de histonas (Juge y col., 2007). Por otro lado, se ha reportado que afectaría la proliferación de células de cáncer de próstata mediante la inhibición de histonas desacetilasas, las cuales están sobre-reguladas en este tipo de cáncer (Gibbs y col., 2009). Otro ITCs, la erucina (ER), presenta actividad antigenotóxica en células de hepatoma humano (HepG2) (Lamy y col., 2008). Asimismo, en otros estudios se ha observado que inhibe la proliferación de células de cáncer de mama MCF7 (Michigan Cancer Foundation-7), conjuntamente con la detención del ciclo celular en mitosis e inducción de apoptosis. Estos efectos estarían asociados a una disfunción en la dinámica de los microtúbulos, por lo que Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 12 se verían afectadas funciones celulares importantes como la mitosis, la migración celular y el transporte a través de estas estructuras celulares (Azarenko y col., 2014). Respecto a otro ITC, la Iberina (IB), un sulfóxido análogo del SF, estudios realizados por Jadhav y col. (2007) indican que este compuesto ejercería una inhibición del crecimiento e induciría a la apoptosis en células de glioblastoma humano, mientras que en células de neuroblastoma se observa que induce el arresto del ciclo celular, efecto asociado a la inhibición de expresión de las proteínas kinasas dependientes de ciclinas Cdk2, Cdk4, y Cdk6 (Jadhav y col., 2007). I.4.3. Compuestos fenólicos En las crucíferas también se encuentran compuestos fenólicos. Estos compuestos son sintetizados en las plantas como respuesta a las presiones ecológicas y fisiológicas de los patógenos, como por ejemplo el ataque de insectos, la radiación UV entre otros. La característica estructural básica de los compuestos fenólicos es un anillo aromático que lleva uno o más grupos hidroxilo, y según en el número de unidades de fenol en su molécula se clasifican como fenoles simples o polifenoles. Por lo tanto, los fenoles de las plantas comprenden fenoles simples, cumarinas, ligninas, lignanos, taninos condensados e hidrolizables, ácidos fenólicos y flavonoides (Khoddami y col., 2013). Se ha reportado en la literatura que algunos de ellos han mostrado propiedades saludables (Prasain y col., 2010); ejemplo de ello son los polifenoles los cuales pueden actuar como antioxidantes in vivo (Halliwell, 2008). Los flavonoides, importantes metabolitos secundarios, son los polifenoles más comunes de la dieta humana y presentan un amplio espectro de actividades biológicas, incluyendo antioxidantes y anticancerígenas. Los flavonoides químicamente, presentan una estructura general de un esqueleto básico de 15 carbonos, que constan de dos anillos fenilos y un anillo heterocíclico (C6-C3-C6). Ellos se subdividen en muchos otros grupos incluyendo flavonas, flavonoles, flavanonas, e isoflavanonas. En las plantas son muy importantes en la protección contra el daño oxidativo. Recientes investigaciones sugieren que en humanos, estos polifenoles aportan beneficios importantes para la salud vinculados a la salud del cerebro y del sistema Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 13 inmunológico, como así también frente al síndrome metabólico y cáncer (Prasain y col., 2010). En este sentido, es evidente que estos componentes de los alimentos serían capaces de modular una variedad de eventos biológicos asociados con la progresión y el desarrollo del cáncer, tales como la proliferación celular, apoptosis, diferenciación celular y neovascularización (Kandaswami y col., 2005; y Maggioni y col., 2014). Distintos estudios presentes en la literatura permiten establecer el perfil de flavonoides presentes en Eruca sativa y Diplotaxis tenuifolia siendo mayoritaria la presencia de kaempferol-3-glucósido, kaempferol-3,4- diglucósido e Isorhamnetina- 3,4-diglucósido, a la vez que se encuentran en menor medida quercetina-3,3,4- triglucósido, quercetina-3- glucósido y myricetina (Bell y col., 2015; Villatoro-Pulido y col., 2013; y Pasini y col., 2012). I.4.4. Carotenoides Siendo abundantes en frutas y vegetales, los carotenoides son una de las clases más importantes de pigmentos vegetales (Edge y col., 1997). Se les atribuye dos funciones clave en plantas y algas: absorben energía de la luz para su uso en la fotosíntesis, y protegen la clorofila del daño solar (Armstrong y col., 1996). Los carotenoides son el grupo más representativo de los tetraterpenos, compuestos que se caracterizan por unaestructura con 40 átomos de carbono que forman una cadena que constituye la “espina dorsal” de la molécula, aunque no todos los carotenoides se ajustan estrictamente a esta regla. Estos átomos de carbono se encuentran ordenados formando cadenas poliénicas conjugadas, pudiendo presentar estructuras cíclicas (anillos) en los extremos, algunas de los cuales se complementan con grupos funcionales que contienen oxígeno. Los carotenoides se pueden dividir en dos clases; los que son derivados oxigenados de estos hidrocarburos se conocen como xantofilas (luteína, violaxantina, zeaxantina), mientras los que contienen exclusivamente carbono e hidrógeno en su estructura se conocen como carotenos (Rodríguez-Bernaldo de Quirós y Costa, 2006). Los carotenoides han mostrado actividad como antioxidantes biológicos, protegiendo las células y los tejidos de los efectos perjudiciales de radicales libres y del oxígeno singulete. Su actividad antioxidante depende de la concentración y localización en las células diana, así como de otros factores (Van den Berg y col., 2000). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 14 En la literatura se ha reportado sobre la concentración de carotenoides en Eruca. Se observó que los principales carotenoides encontrados del grupo de las xantofilas son luteína, zeaxanthina, violaxanthina y neoxantina, y mientras que del grupo de carotenos el caroteno (Villatori-Pulido y col., 2013). I.4.5. Los minerales Los minerales son elementos imprescindibles para la nutrición humana que apoyan los procesos biológicos durante las diferentes etapas de crecimiento y desarrollo. Los humanos requerimos más de 22 elementos minerales para cubrir nuestras necesidades fisiológicas alimentarias. Los elementos que son requeridos en cantidades elevadas son el Calcio (Ca) y el Fósforo (P) y hay otros que son requeridos en pequeñas cantidades como el Hierro (Fe), Zinc (Zn) y Cobre (Cu) (Welch y Graham, 2004; White y Broadley, 2005). A pesar de ser éstos los nutrientes esenciales requeridos en menor cantidad en la dieta humana actual, se observa que existen deficiencias de dichos elementos. Así se estima que de 6 billones de personas, entre el 60-80% son deficientes en Fe, más del 30 % son deficientes en Zn, y más del 15% son deficientes en Ca, Mg y Cu (White y Broadley, 2005). Las Crucíferas son fuente de los principales elementos minerales esenciales para el ser humano. Así lo han demostrado en estudios realizados de hojas en especies de Brassica, como Brassica juncea (Elles y col., 2000) y Brassica oleracea var. capitata (Glew y col., 2005), los cuáles indicaron su potencial uso como suplementos nutricionales de minerales concentrados en forma de cápsulas o tabletas (Villatoro-Pulido, 2011). En el caso particular de la rúcula, estudios realizados por Kawashima y Valente- Soares (2003), así como Cavarianni y colaboradores (2008), indican que las hojas de esta especie poseen concentraciones significativas de los minerales principales. En este sentido Barlas y colaboradores (2011) analizaron el contenido mineral de la Eruca, reportando principalmente K, Na, Fe, Mn, Cu y Zn. Sin embargo otro estudio reveló principalmente la presencia de Fe, Na, K, Mn, Ca, y Mg (Villatoro y col., 2012). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 15 I.5. Genética toxicológica La genética toxicológica surge de la integración de una rama de la genética y una especialidad de la toxicología que participan en la identificación y el análisis de la actividad de agentes sobre el material hereditario de los organismos vivos. Se ocupa esencialmente en identificar y analizar el efecto mutagénico de los agentes químicos, físicos y/o biológicos, así como las consecuencias sobre los ecosistemas, el ambiente y los seres vivos. También provee información precisa de exposición y asesoramiento de riesgo de agentes xenobióticos para una efectiva protección de la salud humana (Carballo, 2006). Como ya es bien conocido, el daño genético puede tener efectos graves en la salud humana, incluyendo un amplio rango de enfermedades hereditarias, cáncer, anomalías congénitas y también asociado a procesos de senescencia en general. El rol que juega la genética toxicológica es muy importante ya que nos permite conocer los mecanismos por los cuales se producen el daño genético y la protección contra éste, y por lo tanto llegar a establecer una adecuada relación riesgo- beneficio del agente en estudio. Los estudios en genética toxicológica se orientan fundamentalmente a la implementación de métodos para ensayos y evaluación de riesgo, definiendo la relación de los agentes genotóxicos (lesión inicial inducida sobre el material genético) con la iniciación de un proceso neoplásico. Por lo tanto se lograría elucidar el impacto de los agentes genotóxicos presentes en el ambiente que alteren la integridad del patrimonio genético. Para poner en evidencia a los agentes genotóxicos se diseñan sistemas de ensayos que emplean diversos biomarcadores mesurables en sistemas biológicos tales como el ser humano. Un biomarcador no es una prueba de diagnóstico, sino un indicador de que se ha producido un cambio temprano, que más tarde podría conducir a la enfermedad clínica (Grandjean, 1995). Por lo tanto, son elementos intermedios que permiten establecer una correlación entre los factores de riesgo y sus posibles efectos. Los biomarcadores son utilizados para detectar una exposición, determinar las consecuencias biológicas de la exposición, detectar los estados iniciales e intermedios de un proceso patológico, identificar a los individuos sensibles de una población y fundamentar la decisión de intervenir de forma individual como también ambiental. Por lo tanto constituyen una herramienta valiosa para prevenir, diagnosticar y tratar Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 16 enfermedades basadas en anomalías del genoma (Natarajan, 2002). Los biomarcadores usualmente son clasificados en tres tipos: los de exposición, susceptibilidad y efecto. Un biomarcador de exposición indica la presencia de un agente xenobiótico o de sus metabolitos, o del producto de la interacción de la sustancia con algún blanco que puede ser medido en el organismo o después de la excreción del organismo para determinar las diferentes características de exposición de este organismo. Por lo general, son evaluados por la medición de sus concentraciones en las muestras apropiadas tales como sangre, suero u orina (WHO, 1993). Algunos marcadores se unen específicamente a moléculas biológicas, como en el caso de aductos de ADN y aductos de hemoglobina, señalando la presencia de la sustancia xenobiótica y su interacción con una macromolécula crítica. Aunque tales aductos son el resultado de un efecto biológico, suelen considerarse biomarcadores de exposición (Perera y col., 1992; Grandjean, 1995). Un marcador de la susceptibilidad, ya sea heredada o inducida, es un indicador de que el individuo es particularmente sensible a los efectos de un xenobiótico o a los efectos de un grupo de los componentes del mismo (Grandjean, 1995). También puede ayudar a definir los momentos críticos cuando las exposiciones son más perjudiciales. Los individuos con mayor susceptibilidad sufrirán un efecto tóxico con exposiciones menores que la población general, incrementando el riesgo de sufrir procesos patológicos. La hipersusceptibilidad es un fenómeno epidemiológico muy conocido que puede ser debido a factores hereditarios (polimorfismos genéticos de numerosas enzimas que metabolizan compuestos extraños), constitucionales (el sexo y la edad son factores determinantes a las respuestas a la exposición química), y factores ambientales (dieta y el estilo de vida) (Grandjean, 1992). Un marcador de efecto es un indicador de alteración bioquímica, fisiológica o genética, resultadode la exposición a un agente xenobiótico, que dependiendo de la magnitud puede ser reconocido e indica un potencial deterioro de la salud o una posible enfermedad (NRC, 1987). Tales marcadores de efectos generalmente son indicadores preclínicos de anormalidades. Estos biomarcadores pueden ser específicos o inespecíficos. Los biomarcadores específicos son útiles porque indican un efecto biológico de una exposición Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 17 particular, proporcionando así evidencia de que potencialmente se puede utilizar para fines preventivos. Los biomarcadores inespecíficos proveen evidencias de un efecto integral que puede ser debido a exposiciones múltiples (Grandjean, 1995). De este modo se logra la identificación de una alteración cuando su magnitud es aún menor, es decir una advertencia temprana de intoxicación, permitiendo determinar si un grupo de signos o síntomas conducen a un proceso patológico temprano, para así intervenir prudente y oportunamente, y por lo tanto evitar la aparición de un daño irreversible. Un marcador de efecto biológico temprano es aquel marcador que nos permite detectar un nivel de daño que todavía es reversible (Bonassi y Au, 2002) y representa un evento que puede correlacionarse con el daño de la salud y tiene una posibilidad predictiva, mientras que un marcador alteración estructural y/o funcional se origina con cambios biológicos más estrechamente relacionados con el desarrollo de la enfermedad. Los marcadores de efecto temprano que caracterizan el daño genético, tienen relevancia particular dentro de la epidemiologia ya que permiten establecer el riesgo potencial de una exposición. Con la vigilancia integrada de la exposición, los biomarcadores de efecto temprano y los biomarcadores genéticos, se puede reflejar el riesgo de susceptibilidad y la salud del individuo (Bonefeld-Jørgensen y col., 2014). A partir del uso de una batería de ensayos donde se combinen las metodologías citogenéticas, moleculares y bioquímicas es posible la caracterización más estricta del daño inducido, detectar cambios o alteraciones que servirían como señal de alarma en procesos oncogénicos y la progresión a estos procesos. Entonces para evaluar y caracterizar el alcance del efecto adverso se realizan estudios de genotoxicidad utilizando determinaciones tales como aberraciones cromosómicas, intercambio de cromátides hermanas, formación de micronúcleos (MNs), electroforesis de una sola cadena (ensayo cometa), entre otras. Para evaluar el daño celular se emplean marcadores tempranos como la cinética de proliferación celular y el índice mitótico, considerados como marcadores de citostaticidad y citotoxicidad respectivamente (Rojas y col., 1993). A continuación se describirán los biomarcadores usados en este trabajo de tesis. Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 18 I.6. Test de micronúcleos Como fue mencionado previamente, para evaluar potencial genotóxico son ampliamente utilizados diferentes ensayos de corto plazo (ECP). Entre ellos la determinación de actividad genotóxica de diferentes sustancias físicas, químicas o biológicas que provocan retraso mitótico, roturas cromosómicas, pérdida cromosómica y/o apoptosis, puede realizarse mediante el test de micronúcleos (MNs). Un MN es literalmente un núcleo pequeño. Como ya es bien conocido, el núcleo es la organela portadora del material genético y al entrar en división celular este material genético debe experimentar su replicación, para luego dividirse de manera equitativa y equilibrada en los dos núcleos de cada célula hija respectivamente. Si este proceso es interrumpido o los cromosomas son el blanco del ataque de agentes físicos, químicos o biológicos, puede suceder alguna ruptura cromosómica o que un cromosoma quede rezagado, y de este modo se dificulte su inclusión en los núcleos de las células resultantes. Cuando esto ocurre, el material genético que no se incorpora al nuevo núcleo sería recubierto por la membrana nuclear al igual que un núcleo, y debido a que presenta la misma condensación cromatínica que el núcleo principal con un tamaño considerablemente menor es que el mismo se denomina MN (Schmid, 1975). Los MN se pueden reconocer utilizando un microscopio óptico por su tamaño, forma, coloración y por estar cerca del núcleo principal. Sabemos que los MN se forman durante la transición de metafase a anafase en la mitosis, y pueden estar constituidos por cromosomas rezagados o por fragmentos acéntricos que se alejan del cromosoma de origen después de la ruptura del mismo. Por lo tanto, el test de MNs es un biomarcador de efecto que permite censar inequívocamente daños producidos por agentes aneunógenos y/o clastógenos respectivamente. I.6.1. Antecedentes Los MNs fueron descritos hace más de un siglo por W. H. Howell en 1891, y J. Jolly en 1907. Estas estructuras fueron nombradas por Howell como “fragmento de materia nuclear” y por Jolly “corpúsculos intralobulares”, hoy conocidas por los hematólogos como cuerpos de Howell-Jolly. Posteriormente Discombe en 1948 observó que estos cuerpos de Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 19 Howell-Jolly se presentaban frecuentemente desde cromosomas retrasados durante la telofase. Similares estructuras fueron descritas en otros tipos de células como en embriones de ratón y ratas por Brenneke (1937), o en Vicia faba por Thoday (1952) y los llamaron “fragmento nucleico” y “micronúcleo” respectivamente (Müller y Streffer, 1994). El ensayo de MN fue usado por primera vez en experimentos de radiaciones in vivo en raíces de Vicia faba para cuantificación de daño cromosómico por Evans y col. en 1959. Posteriormente se dio el paso decisivo como ensayo de MNs para la evaluación de agentes potencialmente genotóxicos con el trabajo de Boller y Schmid en 1970 en el cual emplea estudios in vivo en médula ósea de ratón y sugieren el nombre de test de MNs. En 1976 Countryman y Heddle introducen cultivos de linfocitos humanos como ensayo para detección de daño cromosómico con la determinación de la producción de MNs. Aunque esta metodología no podía ser aplicada eficientemente porque los MNs requieren de división celular, y no se lograba reconocer a células que habían cursado una sola división de aquellas células que habían tenido más de una división mitótica, esto fue resuelto por Feneche y Morley en 1985 bloqueando la citocinesis con citocalasina B. Los primeros trabajos publicados empleando el ensayo de MN para biomonitoreo de genotoxicidad en humanos se deben a Stich y col. (1982), cuando utilizó células exfoliadas de mucosa bucal, si bien postularon que el ensayo podía aplicarse en cualquier otro tejido que permitiera exfoliar las células (mucosa nasal, vejiga urinaria o cérvix), ya que los MN en células exfoliadas aparecen en las mitosis de la capa basal del epitelio (Majer y col., 2001). En la década del 80 se difundieron científicamente monitoreos de trabajadores expuestos a mezclas complejas de solventes orgánicos en el caso de la industria de las pinturas, también casos que ilustraban propiedades potencialmente mutagénicas de metales pesados, clorofenoles o ácidos donde la genotoxicidad se observaba por la formación de MN como efecto de daño en el aparato mitótico o por roturas cromosómicas detectables en linfocitos y en células de mucosa oral (Mudry y Abrevaya, 2006). En el año 1997 se divulgaron las guías para la evaluación de químicos mediante el ensayo de MN en eritrocitos y en médula ósea de mamíferos (OECD, 1997) que, un año más tarde la EPA publicaría como OPPTS 870.5395 en el caso de eritrocitos de mamífero, estableciendo detalladamente: su aplicabilidad; el origen del material para realizar la evaluación de daño; el propósito de este tipo de ensayo; un glosario que permitiría Iván Ayllón ActividadBiológica Y Protectora De La Rúcula 20 homogenizar los criterios de reconocimiento de las aberraciones estructurales y numéricas que el ensayo lleva a evaluar; los principios del método que contempla este ensayo; la descripción, preparación y selección de las especies animales así como las condiciones de alimentación y mantenimiento de las mismas para darle validez universal a los hallazgos realizables con este ensayo; la preparación de las dosis de prueba, los niveles de las mismas y la administración, los tipos de controles a emplear; el procedimiento, número y sexo de los animales a utilizar; el diseño experimental y los límites de este ensayo (Mudry y Abrevaya, 2006). En ambos documentos se considera que la formación de MN es inducida por sustancias que rompen los cromosomas (clastógenos) como por agentes que afectan el aparato mitótico (aneunógenos). Ante esto, diferentes autores pusieron en evidencia que no habría diferencias significativas entre las frecuencias de MN de individuos expuestos a clastógenos por un período breve de tiempo o por varios años, por lo cual la cinética de formación y duración de los MN causados por exposiciones agudas y crónicas a genotóxicos, así como los mecanismos de exfoliación celular de tejidos epiteliales, requerirían de un estudio particular (Mudry y Abrevaya, 2006). Así mismo en 1997 se establece un programa colaborativo a nivel internacional destinado a estudiar la frecuencia de MNs en poblaciones humanas HUMN (del inglés: HUman MicroNucleus) a partir de linfocitos de sangre periférica y en 2007 HUMNxL (Human MN assay in exfoliated cells) empleando células de descamación. En dichos programas se ha trabajado en la validación y estandarización de los procedimientos, así como también el establecimiento de pautas para el recuento de los MNs y otras anomalías nucleares. Este emprendimiento facilitó la adopción de esta metodología como herramienta valiosa en la investigación de patologías relacionadas al daño sobre el genoma humano (Fenech y col., 2011). La evidencia experimental que existe hasta el momento sugiere que la frecuencia de MNs en linfocitos de sangre periférica sería indicador de la probabilidad de padecer cáncer a largo plazo (Bonassi y col., 2011). En 1986 Vig y Swearngin demostraron que los centrómeros en los MN podían ser inmunológicamente detectados empleando anticuerpos específicos anti-cinetocoro obtenidos a partir del suero de pacientes CREST (de las siglas en inglés, calcinosis, Fenómeno de Raynaud, Dismotilidad Esofágica, Esclerodactilia y Telangiectasia). Cabe Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 21 mencionar que con este ensayo puede haber falsos negativos, ya que, si el posible mutágeno induce cromosomas rezagados por inhibición o inactivación de formación de las proteínas de cinetocoro, con el método de CREST no será detectable. Tal es el caso de la 5- azacitidina, del diazepam o de la hidroquinona en células LUC2 en cultivo (Lynch y Parry, 1993). En 1992 Van Hummelen y col. usaron una metodología para estudiar la presencia de MN asociados al área de ADN que contienen y la presencia de centrómero, análisis de imágenes o por citometría de flujo. Asimismo, con esta metodología no solo se pueden evaluar efectos deletéreos sino también se emplea para estudiar el impacto de la dieta y estilo de vida sobre el material genético (Fenech y Bonassi, 2011). Por lo tanto en estos últimos años también el ensayo de MNs viene siendo empleado en estudios sobre los efectos beneficiosos de los fitoquímicos para la salud humana. I.6.2. Ensayo de formación de micronúcleos y modelos experimentales Para evaluar el potencial genotóxico, el ensayo de MN puede llevarse a cabo en diferentes modelos animales y vegetales, así como en distintas líneas celulares, dependiendo del modo de acción del agente en estudio. -Modelos vegetales: Mayormente es usado en el monitoreo de contaminantes ambientales; así la detección de frecuencias de MN tomó como tipo celular de análisis las raíces de Allium cepa y de Vicia faba junto a las células madres del polen de Tradescantia. El empleo de modelos vegetales en condiciones ambientales ha sido muy exitoso por su sensibilidad elevada y bajo costo, para analizar polutantes ambientales y contaminación de suelos. -Modelos animales: para el Test MN in vivo se utilizan mamíferos de bioterio o salvajes, así como algunos modelos de reptiles, aves y más recientemente en una notable diversidad de especies de peces de cuerpos de agua naturales tanto de aguas frías como templadas. En el caso de animales en estado natural, el ensayo de MN es empleado para monitoreo ambiental como biomarcador en poblaciones expuestas a determinados contaminantes, detectando la frecuencia de MN alteradas en organismos centinelas o sensores ambientales naturales. En animales de laboratorio se analizó la genotoxicidad de Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 22 distintos tipos de mutágenos químicos desde antibióticos, herbicidas, metales pesados o químicos de uso industrial, incluyendo inhibidores de corrosión y otros con diferentes aplicaciones domésticas como componentes de propelentes, fungicidas y antihelmínticos (Mudry y Abrevaya, 2006). -Modelos in vitro: Cuando se introdujo en el cultivo de linfocitos humanos el método de bloqueo de la citocinesis se hizo posible llevar a cabo los estudios de MN en células binucleadas de manera notablemente restringida a una única división celular, situación óptima para registrar la expresión de los MN. Así el Ensayo de MN se convirtió en una nueva herramienta, sumamente eficiente para estudiar tanto la dinámica de ciclo celular como la posible clastogenicidad de agentes en el sustrato de sangre periférica. Desde entonces fue posible trabajar in vitro utilizando líneas celulares establecidas como CHO (células de ovario de hámster chino) o HeLa, además del cultivo de linfocitos de sangre periférica de mamíferos a fin de caracterizar este tipo de daño en el genoma (Mudry y Abrevaya, 2006). I.6.3. El Ensayo de micronúcleos en médula ósea de ratón El ensayo de MN en eritrocitos policromatófilos de médula ósea de roedores (rata o ratón) es utilizado para determinar los efectos genotóxicos y citotóxicos causados por agentes xenobióticos. Es un ensayo in vivo, emplea animales enteros y tiene las ventajas de considerar factores como la absorción, distribución y metabolismo de las sustancias químicas en evaluación (Sato y Tomita, 2001). Además, otros aspectos atractivos de esta prueba son su sencillez y fácil ejecución, siendo entre los ensayos in vivo uno de los ensayos más utilizados y ampliamente aceptado por agencias tales como la Organización para la Cooperación y el Desarrollo (OECD) y la agencia estadounidense para la Protección del Medio Ambiente (EPA), como parte de la batería de ensayos recomendados para establecer la validación y/o registro de nuevos productos químicos y farmacéuticos. En la maduración de la serie eritroide, el eritroblasto se convierte en policromático o eritrocito inmaduro (EPC) al perder el núcleo celular manteniendo el ARN en el citoplasma y la basofilia. En ese estadio, la visualización de un posible MN resulta más fácil. Cuando el EPC pierde su contenido de ARN se convierte en normocromático o eritrocito maduro (ENC) con características acidófilas. Utilizando tinciones sencillas como Giemsa o May Grünwald es Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 23 posible diferenciar los dos tipos celulares: los EPC se observan de color azul violáceo y los ENC de color rojo anaranjado (Figura 6). Por lo tanto, si un agente xenobiótico produce un daño en la célula madre tal que genere un MN, éste permanecerá en el citoplasma luego que el núcleo haya sido expulsado y será fácilmente observable al microscopio óptico. Figura 6. Micronúcleosen médula ósea. a: eritrocito normocromático, b: eritrocito policromatófilo, c: eritrocito policromatófilo con MN. La frecuencia de MN de eritrocitos policromatófilos (MNEPCs) es el principal punto de análisis para el ensayo de MN. El aumento de la frecuencia MNEPCs es indicador de daño cromosómico o daño del aparato mitótico del eritroblasto, así como el incremento de la frecuencia de estas células (EPCs) respecto del total (EPC + ENC) es índice de toxicidad celular (Índice de Citotoxicidad) (OECD, 1997; Ribeiro y col., 2003). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 24 I.7.Ensayo Cometa o Electroforesis De Una Sola Célula I.7.1. Desarrollo histórico del ensayo El ensayo cometa fue descrito como un nuevo método para la detección del daño al ADN a mediados de 1980, pero la detección del mismo en células embebidas con agarosa ya se había descrito anteriormente. En 1976, Cook y colaboradores publicaron un artículo donde se investigaba la estructura nuclear basándose en lisis de células con detergentes no iónicos y una alta molaridad de cloruro de sodio. Estos investigadores propusieron un modelo en el cual el ADN estaba anclado a la matriz, organizado con una serie de lazos. Cuando estos nucleoides fueron sometidos a la acción de un agente intercalante (bromuro de etidio), se relajó el súper enrollamiento negativo y los lazos de ADN se expandieron fuera del nucleoide, lográndose visualizar mediante la formación de halos alrededor de los mismos. En 1978 Rydberg y Johanson describieron un método para el análisis de células individuales basado en la lisis alcalina de células previamente irradiadas. Posteriormente esta técnica fue adaptada por Rydberg (1984) a la metodología de citometría de flujo mediante encapsulación de las células de agarosa antes de la irradiación, seguido de la lisis alcalina. Posteriormente, en 1984 Östling y Johanson desarrollaron una técnica nueva que consistía en la utilización de electroforesis en microgel de agarosa para evaluar el daño del ADN a nivel de células aisladas, el cual se conoce como ensayo de cometa. La técnica descrita por ellos consistía en embeber células en agarosa en un portaobjetos, lisarlas por acción de detergentes y sales, y como consecuencia el material genético es liberado. Posteriormente los portaobjetos son sometidos a electroforesis en condiciones de pH neutro de modo que en las células en las que se produjo roturas de doble cadena del ADN (rdc) se incremente la migración de los fragmentos de ADN hacia el ánodo. La migración del ADN se evalúa realizando una coloración con bromuro de etidio (BrEt) y empleando un microscopio de fluorescencia. Sin embargo, en este caso el único daño observado eran las rupturas de doble cadena, dado de que las uniones nucleotídicas no se alteran a pH neutro, siendo un limitante considerable para el ensayo. Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 25 Finalmente, Singh y colaboradores (1988) modificaron el procedimiento en microgel de agarosa utilizando electroforesis en condiciones alcalinas (pH>13), hecho que mejora la eficiencia ya que permite detectar no solo rupturas de doble cadena sino también rupturas de simple cadena, sitios álcali lábiles, sitios en reparación y enlaces cruzados ADN-ADN y ADN- proteínas (cross link), y por lo tanto aumenta la sensibilidad del ensayo para identificar agentes genotóxicos. Es en este trabajo en donde se denomina formalmente a la técnica como “electroforesis de geles de células individuales” (SCGE del inglés Single Cell Gel Electrophoresis), popularmente llamado ensayo cometa por el parecido que tiene la migración del ADN después de la coloración a un cometa (Figura 7). Este método ha sido recomendado como la versión óptima del ensayo para la identificación de agentes potencialmente con actividad genotóxica en el “International Workshop On Genotoxicity Test Procedures” (IWGTP) (Tice y col., 2000). Figura 7. Fotografía del ensayo cometa. Por su parte, Olive (1989) introdujo otra modificación en el ensayo. En él la electroforesis del DNA se realiza pH 12,3 y las células son lisadas en un medio débilmente alcalino, siendo así esta versión exitosa para detectar subpoblaciones de células con diferente sensibilidad a los compuestos genotóxicos o la radiación. El ensayo cometa tradicional detecta distintos tipos de daño al ADN; sin embargo éstos no son los únicos cambios que puede sufrir la hélice. La oxidación de bases puede ser Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 26 consecuencia de la exposición a tóxicos ambientales, radiación, disminución de defensas antioxidantes, enfermedades degenerativas y alteraciones en el sistema de reparación de bases. A fines del siglo pasado, las investigaciones permitieron explicar los efectos de las modificaciones químicas en las estructuras de las bases y sus precursores, que son probablemente tan importantes como las roturas para la función celular y su supervivencia, especialmente bajo condiciones normales de estrés oxidativo endógeno (Klauning y col. 2010). Figura 8. Principios generales para un ensayo cometa. Existen enzimas bacterianas de reparación que se han incorporado al protocolo estándar del ensayo cometa aumentado su especificidad. Estas enzimas presentan una actividad específica frente a un tipo de lesión particular introduciendo una ruptura en la hebra en el sitio donde se encuentra la base modificada. Por ejemplo la enzima formamidopirimidina glicosilasa (FPG) reconoce a la base modificada 8-oxo-Guanina y a dos productos de degradación de purinas; la enzima AlkA reconoce bases alquiladas y la Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 27 endonucleasa III (Endo III) detecta dímeros de timina, pirimidinas oxidadas, entre ellas timina-glicol y uracil-glicol (Collins y col., 1993; Dusinska y Collins, 1996). I.7.2. La electroforesis de una célula en los estudios de genotoxicidad El ensayo de electroforesis de una sola célula ha logrado posicionarse de forma privilegiada dentro de las baterías de ensayos utilizadas para evaluar la seguridad de nuevos productos farmacéuticos u otros agentes (Hartman y col., 2003). Se han realizado muchos estudios en este ámbito utilizando células tanto animales como vegetales, ya que en principio, se puede utilizar células de cualquier tejido u organismo. Los tejidos más utilizados de animales son: sangre, medula ósea, tejido cerebral, mucosa gastrointestinal, hígado, pulmón, riñón, mucosa nasal, piel, bazo, gónadas y gametos. En plantas, se utiliza principalmente las células de hojas, tallos y raíces. El primer estudio de genotoxicidad que utilizó la electroforesis de una sola célula evaluó el potencial mutagénico de agentes generados por el tratamiento del permanganato de potasio con soluciones ácidas (De Méo y col., 1991). Desde ese primer estudio hasta la actualidad, se ha evaluado numerosos compuestos tales como: metales pesados, pesticidas, nitrosaminas, fármacos antineoplásicos, hidrocarburos aromáticos policíclicos, peróxidos, etc. La gran mayoría de estudios in vivo para evaluar genotoxicidad utilizando el ensayo de electroforesis de una sola célula se han llevado a cabo en ratones. Los resultados obtenidos aportan información acerca de la distribución del daño en los tejidos. En la última década, se ha elevado el creciente interés por el ensayo cometa, y su uso en plantas para detectar el efecto genotóxico de los contaminantes y para controlar el medio ambiente (Pourrut y col., 2015). I.7.3. Ensayo cometa en la evaluación de la protección/reparación del daño al ADN La electroforesis de una sola célula, puede ser adaptada para investigar los efectos benéficos de un xenobiótico dado. La característica oacción de una sustancia para proteger, disminuir, reparar o evitar el daño del material genético y celular es denominado Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 28 antigenotoxicidad. La diferencia entre proteger y reparar dependerá del orden temporal en que suceda el daño y la exposición al agente a evaluar (Casanova, 2014). Figura 9. Representación de los caminos de antigenotoxicidad. La reparación del ADN es la segunda línea de defensa contra la oxidación del ADN y la mayoría de los daños son eliminados antes que la célula entre en el proceso de replicación, estado en el que los daños producidos pueden ser fijados como una mutación. Es evidente que la capacidad de reparación puede influir en el riesgo de cáncer y en algunas enfermedades raras con defectos en los genes que codifican para proteínas de reparación como en el caso de Xeroderma pigmentosa que se caracterizan por poseer elevada incidencia en el desarrollo del cáncer. El ensayo cometa es uno de los ensayos más utilizados para evaluar reparación del ADN en enfermedades crónicas como el cáncer, como también para evaluar reparación y protección del ADN por consumo de frutas y vegetales (Collins y Horvathova, 2001). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 29 I.7.4. Ventajas e inconvenientes en el ensayo Un ensayo para la evaluación del daño del ADN debe ser sensible y cuantitativo, nos debe proporcionar datos a nivel individual y debe ser aplicable a diversas poblaciones celulares. El ensayo cometa es un método rápido, sensible y relativamente simple para medir el daño del ADN en una amplia variedad de células. Nos permite establecer relaciones dosis- respuesta a bajas dosis y a bajos niveles de daño. Con respecto a otras técnicas genotoxicológicas como el de las aberraciones cromosómicas (CA), intercambio de cromátides hermanas (SCE), elución alcalina (AE) y MN, el ensayo cometa es altamente sensible es decir, puede detectar entre 50 y 15 000 roturas por célula (Piperakis, 2009). Es un sistema potencialmente sensible para evidenciar daño genotóxico inducido y reparación del ADN. La capacidad que tiene de detectar daño en células individualizadas y que se pueda medir en un gran número de ellas de diferentes tejidos, constituye una de las ventajas principales del mismo (Lovell y Omori, 2008). Por lo tanto, estos datos analizados de forma individual pueden aportar información sobre la heterogeneidad de una muestra (Strauss y col 1994). Entonces el ensayo cometa permite detectar diferencias intercelulares, tanto de la respuesta al daño como de su reparación. Además, requiere un bajo número de células (<10,000 células) para el análisis. En biomonitorización humana sería muy importante, ya que se puede aplicar a células que son el primer sitio de contacto (células de mucosa oral y nasal) con sustancias mutagénica/ carcinogénicas (Andem y col., 2013). Otra de las ventajas del ensayo es que no necesita de células en proliferación en comparación con otras técnicas citogenéticas, también se puede aplicar a diversos tipos celulares (in vivo e in vitro) (Collins, 2004; Speit y Hartman, 2005), tanto procariota como eucariota, solo se requiere que las células en estudio estén suspendidas y aisladas. También se puede realizar con células recién obtenidas (frescas) o con células criopreservadas por un largo periodo de tiempo. Como ya se comentó, el ensayo es capaz de detectar una amplia variedad de lesiones en el ADN como rupturas de doble cadena, rupturas de simple cadena, sitios álcali lábiles, sitios en reparación, aductos y enlaces cruzados ADN-ADN y ADN- proteínas (cross link). La muerte celular inducida o espontánea también produce diferentes tipos de Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 30 fragmentación del ADN lo cual puede interferir en el ensayo generando falsos positivos, por lo tanto se debe de tomar en cuenta al realizar la técnica. Aunque la sensibilidad es una gran ventaja del ensayo, puede tornarse en una desventaja, ya que está ligada a su gran variabilidad. Por lo tanto pequeñas variaciones en las condiciones utilizadas pueden verse reflejadas en los resultados, es por esta razón que el ensayo de electroforesis de una célula no se encuentra validado. Entre las variables que son más afectadas en la técnica se encuentran la concentración de agarosa y de soluciones, el pH, la duración de cada etapa, el uso de enzimas, procesos de obtención de resultados, el observador, etc. El ensayo cometa no puede detectar agentes aneunógenos y rupturas de hebra de rápida reparación. Esta limitación es importante ya que los efectos aneunógenos pueden ser eventos claves en el desarrollo de un proceso carcinogénico (COM, 2000). Otra desventaja de la técnica es la introducción de sesgos, por ejemplo el que se cuente con una cantidad determinada de células en una área de la muestra aumenta la probabilidad de sesgo y por lo tanto, la variabilidad de los observadores (Zúñiga, 2009). Para minimizar los sesgos de selección en el recuento y ofrecer una mayor reproductibilidad entre usuarios, algunos investigadores recomiendan utilizar el método de muestreo aleatorio sistemático (SRS)( McArt y col., 2009). Aunque el ensayo presenta una serie de desventajas, ha sido ampliamente valorada y adoptada por muchos investigadores, lográndose aplicar en numerosas áreas desde la genética toxicológica a la epidemiología molecular en humanos (Dhawan y col., 2009). I.7.5. Aplicaciones Como ya se ha mencionado anteriormente en las ventajas que el ensayo cometa posee, éste se puede aplicar a una amplia gama de tipos celulares. Gracias a esta ventaja el ensayo cometa ha sido utilizado ampliamente en la toxicología ambiental para lo cual se han utilizado un gran número de modelos biológicos, como se esquematiza en la Figura 10. Con estos modelos biológicos se pudo evaluar in vivo como in vitro, el daño basal e inducido, como también la cinética de reparación del mismo. Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 31 Figura 10. Diagrama esquematizado de la aplicación del ensayo de electroforesis de una célula para la evaluación del daño del DNA, en modelos desde bacterias a humanos (adaptada de Dhawan y col 2009). Aire Aves (Cigϋeña –Ciconia; Kite-Milvus) Sangre, esperma Agua Bacteria (Escherichia coli) In vivo Erizo de mar (Strongylocentrotus) coelomocyte Peces marinos (flounder-Paralichthys) Eritrocitos, branquias, hepatocitos Mejillones marinos (Mytilus) Ostra(Crassostrea) Almeja(Mya/Tapes) hemocitos, branquias Estanque Lagos Ríos Mejillón de agua dulce (Dreissena) hemocitos, branquias Peces (pez dorado-Carassius carpa-Cyprinus) Eritrocitos, branquias, hepatocitos Anfibios (Toad-Bufos; Rana-Xenopus) eritrocitos Suelo Alga (Chlayidomonas; Euglena) In vivo Planta de humedales (Bacopa) Hojas, tallos y raices Planta terrestre (Tabacum) Hojas y núcleo de raíz Mosca de la fruta (Drosophila) Intestino, cerebro Roedores (Ratón, rata) Sangre, hígado, baso, cerebro, medula, esperma, Humanos Sangre, células nasales, bucales, esperma. Lombriz (Eisenia) coelornocytes Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 32 II OBJETIVOS Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 33 II.1. Hipótesis de trabajo y objetivos Todo organismo se encuentra expuesto a xenobióticos naturales y/o antropogénicos los cuales pueden ejercer sobre el mismo diversos efectos tanto perjudiciales o como benéficos. En la actualidad existe un gran interés en el aumento del consumo de alimentos y plantas medicinales basado en la posibilidad de disminuir o prevenir el posible impacto negativo a nivel celular y genéticoproducido por sustancias ajenas al individuo. La rúcula es ampliamente consumida en Europa especialmente en Italia, sur de Francia y Grecia, y últimamente se ha vuelto muy popular en América. En los últimos años se ha observado una demanda creciente de esta hortaliza, sobre todo en las grandes capitales (Buenos Aires, Córdoba y Rosario) y en aquellos lugares donde hay una fuerte presencia de descendientes italianos o del Norte de Europa. Las diferencias en la composición de las plantas, que surgen del clima, la tierra, el agua y demás condiciones de cultivo y manipulación, justifican el estudio de la variedad local empleando distintas metodologías que posibiliten evidenciar su capacidad como agente promotor de salud. II.1.1. Objetivo general Este plan de trabajo tiene como objetivo general estudiar las dos rúculas más consumidas en Argentina conocidas como rúcula común y rúcula selvática, y desde el área de la tóxico-genética evaluar geno-antigenotoxicidad in vivo empleando dos biomarcadores de efecto: Ensayo Cometa y Test de MN, en sangre de corazón y en médula ósea de ratón respectivamente. II.2.2 Hipótesis de Trabajo Hipótesis 1: La ingesta diaria de ambas especies de rúcula no induce toxicidad y daño al material genético. Hipótesis 2: El hábito de la ingesta diaria de rúcula podrían proteger contra el daño genético inducido por agentes químicos específicos (antigenotoxicidad). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 34 Hipótesis 3: Eruca sativa (Eruca vesicaria (L.) Cav.) y Diplotaxis tenuifolia podrían ejercer un efecto protector diferente asociado a su composición fitoquímica. II.2.3. Objetivos Específicos a. Estudiar la capacidad de los jugos de rúcula para inducir daño al material genético en modelo in vivo mediante el uso de dos biomarcadores de efecto, test del cometa y test de MN, en sangre y médula ósea de ratón. b. Evaluar la posible capacidad protectora de estos jugos frente al daño inducido por un agente alquilante como la ciclofosfamida (CF) utilizado en quimioterapia. c. Analizar la composición fitoquímica de Eruca vesicaria y Diplotaxis tenuifolia con el objeto de establecer si existe capacidad protectora diferencial. Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 35 III MATERIALES Y MÉTODOS. Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 36 III.1. MATERIALES III.1.1. Material vegetal y preparación del jugo de rúcula La Rúcula (Eruca y Diplotaxis) se adquirió en una huerta orgánica de la provincia de Buenos Aires. Una vez lavado y secado, se pesó el material que sería empleado en la preparación del jugo. El vegetal fue triturado utilizando una juguera comercial, siendo el producto obtenido centrifugado (14000 r.p.m. - 20 minutos – 4 °C); el sobrenadante fue clarificado y esterilizado por filtración (membrana con poro de 0,45 μm y 0,22 μm de diámetro, respectivamente). El jugo resultante (3.9g/ml y 3.4g/ml tanto para Eruca y Diplotaxis respectivamente) fue fraccionado y se conservó en frío (-20 °C) hasta su utilización. Todos los procedimientos descritos fueron realizados en oscuridad para preservar el material. III.1.2. Selección de dosis La selección de las dosis del jugo de rúcula evaluada fue siguiendo el criterio de dosis límite según figura en las especificaciones de los protocolos guías de los ensayos de genotoxicidad (Hartmann y col., 2003; Mac Gregor y col., 1987). El mismo describe que es posible administrar hasta 2 gramos/ kilo de peso/ día de una sustancia a estudiar si el esquema de tratamiento tiene una duración menor o igual a 14 días. En el presente diseño experimental se evaluaron tres dosis: 1, 1,40 y 2 g/kg de peso corporal, siendo la tercera y la primera la dosis límite y la mitad de la misma respectivamente; por su parte la segunda representaría la ingesta promedio del vegetal, considerando absorción completa para un individuo de 70 kg. Cabe destacar que las dosis evaluadas podrían ser fácilmente alcanzadas debido a la buena disponibilidad que presenta el vegetal. III.1.3. Material biológico Se utilizaron ratones Swiss Webster Albino machos y hembras de 7 - 8 semanas provistos por la empresa BIOSERMA y se empleó el bioterio del Instituto de Investigaciones Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 37 Farmacológicas de la Universidad de Buenos Aires (ININFA). Los ratones estuvieron en jaulas de plástico a una temperatura de 18 a 24°C, con 50 a 75 % de humedad, con ciclos de luz - oscuridad de 12 por 12 horas y recibieron agua y alimentos en todo el periodo del tratamiento. Todos los ensayos fueron realizados de acuerdo con las leyes éticas de manipulación animal y de acuerdo a los principios internacionales aceptados con tales propósitos. III.2 MÉTODOS III.2.1. Diseño experimental En el presente esquema, los ratones fueron divididos en 8 grupos de 8 ejemplares de ambos sexos (n=64), dos de los cuales fueron los controles negativo y positivo. La vía oral fue elegida como ruta de administración para el jugo de rúcula y la solución fisiológica debido a que es la forma de ingreso habitual del vegetal al organismo. Además se utilizó la vía intraperitoneal (i.p.) como vía de administración para la solución fisiológica y la ciclofosfamida (CF; Sigma Aldrich) ya que ésta no presenta factores modificadores del compuesto. El tratamiento comprendió 14 días en total durante los cuales los grupos controles recibieron solución fisiológica vía sonda gástrica, mientras que a los grupos restantes se les administró el jugo acuoso por la misma vía. En el día 15, el grupo control positivo y los grupos en los que se determinó actividad antigenotóxica recibieron una dosis única de CF (50 mg/kg, vía i.p.), mientras que los otros grupos fueron tratados con solución fisiológica con la misma forma de administración. En el día 16 del experimental (24-30 horas después del tratamiento intraperitoneal), los ratones fueron sacrificados por dislocación cervical con el fin de extraer sangre del ventrículo derecho cardíaco y los fémures para realizar el ensayo cometa y el test de MN en médula ósea respectivamente (Figura 11). Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 38 Figura 11. Esquema del diseño experimental para la evaluación de geno y antigenotoxicidad de la rúcula Referencias Solución Fisiológica (0.01ml/g de peso del ratón vía gavage) Jugo de rúcula 0,01ml/g de peso del ratón (vía gavage). 1g/kg (3 y 6), 1.4g/kg (4 y 7) y 2g/kg (5 y 8) peso. Dislocación cervical. Ensayo Cometa en sangre de corazón y Test de Micronúcleo en médula ósea. SF: NaCl 0,9%, intraperitoneal (i.p.). CF: Ciclofosfamida 50mg/kg i.p. Grupo 1: control negativo Grupo 2: control positivo Grupo 3, 4 y 5: genotoxicidad Grupo 6, 7 y 8: antigenotoxicidad 1 1 1 1 14 15 .16 14 15 .16 14 15 .16 14 15 .16 Día Iván Ayllón Actividad Biológica Y Protectora De La Rúcula 39 III.2.2. Ensayo cometa en sangre periférica Se empleó la técnica descripta por Casanova y col. 2012 con modificaciones. 50 μl de sangre de ventrículo derecho se resuspendieron en una solución de agarosa de bajo punto de fusión al 0,5% a 37 °C. Se colocaron 100 μl de esta suspensión sobre un portaobjeto previamente tratado con agarosa regular al 1% (por duplicado). Los geles se almacenaron a 4 °C hasta su solidificación para luego agregar una capa protectora de agarosa de bajo punto de fusión al 0,5%. Posteriormente los portaobjetos fueron sumergidos en una solución de lisis (2.5M NaCl, 100mM Na2EDTA, 10mM Trizma, 1% de Triton X-100 y 10% DMSO, pH 10) por 2 horas a 4°C y luego fueron colocados en buffer de electroforesis frío (10N NaOH, 200m Na2EDTA, pH>13) durante 20 minutos
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