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Cadmio: efectos sobre la salud. Respuesta celular y molecular

Cadmium: effects on health. Cellular and molecular response

 

Martínez Flores, Karina; Souza Arroyo, Verónica*; Bucio Ortiz, Leticia; Gómez Quiroz, Luis Enrique; Gutiérrez Ruiz, María Concepción

Laboratorio de Fisiología Celular, Departamento de Ciencias de la Salud, División de Ciencias Biológicas y de la Salud, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. Avenida San Rafael Atlixco 186, Colonia Vicentina, Iztapalapa, México D. F. 09340. Tel/ Fax 58044730.

*veso@xanum.uam.mx

Recibido: 15 de mayo de 2012
Aceptado: 2 de agosto de 2012

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Resumen. El cadmio (Cd) es un metal que se encuentra principalmente en la corteza terrestre y siempre se presenta en combinación con el zinc. Es ampliamente utilizado en la industria. Se considera un contaminante y es liberado al ambiente como subproducto de la extracción de cobre, hierro y zinc. La exposición al Cd puede producir una variedad de efectos adversos tanto en el humano como en los animales. Una vez absorbido se acumula en el organismo por tiempos largos. Dependiendo de la dosis, fuente y tipo de exposición puede dañar varios órganos como el hígado, riñón, pulmón, hueso, testículos y placenta. Los seres humanos están expuestos al Cd principalmente a través de la ingesta de alimentos, del humo del cigarro, así como del agua y aire contaminados con el metal. La entrada de Cd a las células no es uniforme en todos los sistemas y puede ser mediada por transporte pasivo o activo, o por canales de calcio. Se considera que uno de los mecanismos de toxicidad de este metal es debido, en parte, a las especies reactivas de oxígeno, las cuales pueden actuar como segundos mensajeros y por tanto alterar diferentes vías de señalización. Por todo lo expuesto el objetivo de esta revisión es analizar los efectos del Cd sobre la salud, así como sobre la respuesta celular y molecular.

Palabras clave: Cadmio; Metalotioneína; Especies reactivas de oxígeno; Cascadas de señalización.

Abstract. Cadmium (Cd) is a metal found in the earth´s crust, always as part of several, mainly zinc-rich, ores. Cd is considered as an environmental pollutant, it is widely used in the industry. It coexists with other metals and its release into the environment is carried out in parallel with the release of copper, iron and zinc. Cd is known to have numerous undesirable effects on health in both humans and animals. Once absorbed, it is effciently retained in the body, where it accumulates throughout life. Depending on the dose, source and type of exposure it could damage several organs as the liver, kidney, lung, bones, testes and placenta. Impor-tant sources of human intoxication are food, cigarette smoke as well as contaminated water and air. Cd cell uptake is not uniform across all systems. This could be mediated by passive or active transport, or via calcium channels. It is known that the toxicity produced by this metal is due, in part to reactive oxygen species, which could act as second messengers that may alter different signaling cascades. The aim of this review is to analyze the effects of Cd on health, as well as on cellular and molecular response.

Key words: Cadmium; Metallotionein; Reactive oxygen species; Signaling pathways.

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INTRODUCCIÓN

El cadmio (Cd), es un metal pesado que se obtiene como subproducto del procesamiento de metales como el zinc (Zn) y el cobre (Cu). Se acumula en el ambiente como resultado de las actividades industriales (Farkas y col. 2007; Pan y col. 2009), que involucran la fabricación de baterías níquel-cadmio, la quema de combustibles fósiles, la generación de polvos por el proceso de fabricación de cemento y fertilizantes fosfatados. Se utilizan pigmentos a base de Cd para crear tintes, pinturas, plásticos y cerámica. Estas actividades industriales son consideradas como una gran fuente de emisión a la atmósfera y de contaminación para mantos acuíferos y suelos. Los ríos contaminados con Cd pueden irrigar tierras de cultivos, además de que el Cd es capaz de combinarse con otros elementos y formar compuestos tales como cloruros, óxidos, sulfuros y de esta manera unirse fuertemente a las partículas del suelo. A nivel mundial se ha estimado que el uso de Cd en la actividad industrial se ha incrementado de 18400 toneladas en 2003 a 20400 toneladas en el 2007 (Moulis y Thévenod 2010). Se considera que la mayor cantidad de Cd en el suelo proviene del uso de fertilizantes de fosfatos para la agricultura, lo cual produce que se acumule a lo largo de la cadena alimenticia en plantas y animales. Es por ello que la Agencia para Sustancias Tóxicas y Registro de Enfermedades (ATSDR), tiene al Cd catalogado entre los 275 materiales más peligrosos (ATSDR 2007). Moulis y Thévenod (2010), mencionan que la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) ha establecido algunas medidas preventivas para disminuir la contaminación por Cd del medio ambiente y la transferencia a través de la cadena alimenticia hasta el ser humano. Estas medidas, involucran reducir la disponibilidad de Cd en el suelo y las plantas mediante la neutralización de acidez del suelo; además de mantener una dieta rica en hierro para que la absorción intestinal de Cd se reduzca. La exposición crónica al Cd puede causar efectos adversos en riñón, hígado, pulmón, páncreas, testículos, placenta y hueso (Satarug y col. 2010); sin embargo este metal puede disparar mecanismos adaptativos, así como generar especies reactivas de oxígeno (ERO) que actúan como mediadores de señalización celular y respuesta anti-apoptótica. Esta respuesta tiene importancia médica ya que este tipo de exposición se ha asociado con varios tipos de cánceres (Liu y col. 2009). Basado en estudios epidemiológicos y experimentales, la Agencia Internacional de Investigación sobre el Cáncer (IARC), ha clasifcado al Cd como un carcino-génico en la categoría I (IARC 1993). Es por ello que el objetivo de esta revisión es analizar los efectos del Cd en la salud, así como sobre la respuesta celular y molecular.

EFECTOS EN LA SALUD

Los efectos de la toxicidad por Cd dependen del tipo de exposición, ya sea a través de la inhalación de aire contaminado, particularmente cerca de fundidoras y las incineradoras o del humo del cigarro, consumo de alimentos y agua contaminados. Además la defciencia de metales esenciales como el hierro (Fe), Cu, Zn y calcio (Ca) en el cuerpo humano facilita la absorción de Cd, por lo tanto sus órganos blanco son el riñón (especialmente la corteza renal), hígado, pulmón, hueso y placenta. Se estima que entre un 10-50% de Cd se absorbe en pulmón, mientras que a nivel gastrointestinal la absorción es del 8%. Así, en fumadores, se ha encontrado que la concentración de Cd en la sangre es de 1-4 µg/l, un valor de 4 a 5 veces más alto que en los no fumadores. Se sabe que un cigarro contiene entre 0,5-3 µg de Cd por gramo de tabaco, dando como resultado una absorción de 3 µg diarios por vía respiratoria. Además del tabaco, alimentos como mariscos tienen altas concentraciones de Cd (Storelli 2009; Ololade y col. 2011). El Cd asimilado, es captado por el hígado donde forma complejos con pequeños péptidos como el glutatión (GSH) (Cd-GSH) o con proteínas de bajo peso molecular como la metalotioneína (MT) (Cd-MT) y es secretado en la bilis o bien liberado a la circulación. Estos complejos son una forma importante de transporte y almacenamiento del metal dentro del organismo, explicando así su larga vida biológica entre los 10-30 años (EFSA 2009).

Infamación

La exposición al Cd, ya sea ocupacional o ambiental, está asociada con infamación. La respuesta infamatoria inducida por el Cd, involucra la producción y liberación de citocinas tales como la interleucina-1ß (IL-1ß), interleu-cina-6 (IL-6), interleucina-8 (IL-8) y el factor de necrosis tumoral-a (TNF-a) (Bakshi y col. 2008; Kataranovski y col. 2009; Lag y col. 2010). Se conoce que la respuesta mediada por el TNF-a, involucra la infltración de células infamatorias, la generación de ERO y la regulación de la expresión de otras citocinas. Lag y col. (2010), encontraron un comportamiento diferencial en la expresión y liberación de citocinas en fbroblastos, células epiteliales y macrófagos de pulmón de ratas expuestas a Cd. El Cd puede inducir infamación, pero las bases moleculares no se conocen con exactitud. Se ha propuesto que las MAPK (proteínas cinasas activadas por mitógenos), específca-mente la cinasa regulada por señales extrace-lulares 1 y 2 (Erk 1/2) y la p38 están involucradas en la inducción del TNF-a en monocitos y macrófagos expuestos a Cd (Haase y col. 2010). Cormet-Boyaka y col. (2012), demostraron que la secreción de IL-8 en células epiteliales alveolares expuestas a Cd, disminuye cuando se inhibe la expresión de la Erk 1/2 con el RNA de silenciamiento o de interferencia (siRNA). Recientemente, se ha determinado que la activación del receptor del factor de crecimiento epidermal (EGFR) contribuye a la respuesta infamatoria que el Cd induce en células de pulmón (A549) de origen humano (Kundu y col. 2011). Asimismo, el Cd activa varios factores de transcripción, tales como la proteína activadora-1 (AP-1) (Souza y col. 2004b) y el factor nuclear-?B (NF-?B) (Freitas y Fernandes 2011), que están involucrados en la expresión de varios mediadores infamatorios.

Riñón

El Cd es nefrotóxico (L'Azou y col. 2007) y el daño renal se manifesta con proteinuria (No-gué y col. 2004), que se determina por un incremento de proteínas de bajo peso molecular como transferrina, albúmina, N-acetil-ß-D-glucosaminidasa (NAG) y ß2-microglobulina en la orina que son utilizadas como marcadores de daño renal. La continua exposición a Cd, además de causar disfunción tubular, también puede progresar a daño glomerular con una disminución en la fltración glomerular (GFR) (Mortensen y col. 2011). Además de la pro-teinuria, el Cd también puede provocar nefrotoxicidad severa que se manifesta como glu-cosanuria, aminoacidonuria e hipercalciurua. Recientemente, se ha determinado que la toxicidad renal por el Cd, puede estar relacionada con el incremento en los niveles de la enzima sintetasa de oxido nítrico (NOS) que afecta la fsiología del órgano (Soyupek y col. 2011). La NOS es la responsable de la síntesis de óxido nítrico (ON) que puede reaccionar con el radical libre anión superóxido (O₂·-), generando peroxinitrito (ONOO-) que produce toxicidad celular. La exposición al Cd también ha sido asociada con el desarrollo de osteoporosis. El grupo de Chen y col. (2009) encontró que el Cd disminuye la viabilidad celular, inhibe la formación de hueso y la actividad de fosfatasa alcalina en osteoblastos de rata. Un estudio reciente, demostró que existe una correlación entre la densidad mineral ósea y una disfunción renal causada por el Cd (Chen y col. 2011).

Cáncer

Se ha asociado la exposición a Cd con una alta mortalidad por cáncer (Akesson y col. 2008). Recientemente, se ha identifcado que el Cd regula la expresión del gene AEG-1, cuya proteína codifcada podría ser importante para el desarrollo del tumor, progresión y metástasis a través del factor NF-?B en células de cáncer de mama (MDA-MB231) (Luparello y col. 2012). Sin embargo, el mecanismo molecular carcinogénico del Cd no se conoce con exactitud.

INGRESO CELULAR

La entrada de Cd a la célula puede llevarse a cabo por diversas vías, dependiendo del tipo celular y de las condiciones fsiológicas. Es por ello que los mecanismos responsables de la acumulación se deben a la competencia que el Cd genera con metales esenciales como el Cu, Zn, Ca y Fe que tienen un sistema de transporte específco. Fotakis y Timbrell (2006), señalan que una tercera parte del Cd entra al hepatocito por canales de Ca y sugieren que la presencia de antagonistas de canales de Ca como la nifedipina y verapamilo, reducen la entrada de Cd, confrmando una interferencia con el transporte de Ca. Debido a que el Ca y Cd tienen un radio iónico y carga similar se puede explicar por qué los dos elementos tienen rutas similares de entrada en la célula (Fotakis y Timbrell 2006). El Fe es transportado por la proteína transportadora 1 de metales divalentes (DMT1) o por la proteína transportadora 8 relacionada a Zn y Fe (ZIP8). Dichas proteínas son utilizadas por el Cd para su entrada a la célula. Esto fue demostrado en las líneas celulares epiteliales derivadas de pulmón humano (H441 y A549) que fueron expuestas a Cd, encontrándose incrementado tanto la acumulación de Cd, como la expresión de los transportadores Zip8 y DMT1 (Mantha y col. 2011). Lo antes dicho se apoya en experimentos con células basóflas (RBL-2H3) de rata, transfectadas con el siRNA para disminuir la expresión del transportador ZIP8, demostrando una reducción en la entrada de Cd (Fujishiro y col. 2011). Recientemente se demostró, que en células epiteliales de pulmón, el Cd incrementó, tanto el ARNm como la expresión del transportador ZIP8 de manera dependiente del factor NF-?B (Napolitano y col. 2012). Por otro lado, el grupo de Wolff y col. (2011) evaluó la participación del fac-tor-1-ADP-ribosilación (Arf1), en la entrada de complejos metal-proteína incluyendo el complejo Cd-MT. El Arf1 es una proteína que participa en la regulación del tráfco vesicular y la sobre-expresión del mutante Arf1 en células renales está relacionada con la reducción en la toxicidad inducida por el complejo Cd-MT. El Cd también puede formar complejos con el GSH, a nivel de sus grupos sulfhidrilo (-SH) y por medio de transportadores específcos, parecidos a las proteínas de resistencia a drogas 1 y 2 (MRP1, MRP2), se puede transportar el Cd-GSH al medio extracelular. En células derivadas de intestino humano (TC7), se determinó un mecanismo para el transporte de Cd en la membrana basolateral y se sugirió la participación de las MRP1 y MRP2 (Carriere y col. 2011). Una vez acumulado, este metal es capaz de afectar los patrones de actividad transcripcional y señalización celular que pueden llevar a respuestas de adaptación o sobrevivencia (Thijssen y col. 2007), proliferación celular (Liu y col. 2008) o puede culminar en la muerte celular vía apoptosis o necrosis (Zhang y col. 2010; Brama y col. 2012).

ESTRÉS OXIDATIVO

Varios mecanismos han sido propuestos para explicar el daño inducido por el Cd en el organismo y las ERO son consideradas como mediadores importantes en esta respuesta. Se conocen a las ERO como moléculas radicales o no radicales que son consideradas como agentes oxidantes. Los radicales libres, se caracterizan por tener un electrón desapareado, lo que los hace muy reactivos, debido a que tienden a sustraer un electrón de moléculas estables con la fnalidad de alcanzar su estabilidad electroquímica. Las ERO comprenden al: radical O₂·-, peróxido de hidrógeno (H₂O₂), radical hidroxilo (OH·-) y lipoperóxidos que se han relacionado con una variedad de enfermedades. Estudios han demostrado que el Cd puede generar ERO de manera indirecta, provocando daño en el ADN (Nzengue y col. 2008), en proteínas, en membranas y alterando la cadena de electrones mitocondrial (Bel-yaeva y col. 2004; Belyaeva y col. 2008; Liu y col. 2011; Mao y col. 2011). Para explicar el papel indirecto del Cd en la generación de los radicales libres, se ha planteado que este metal puede reemplazar al Fe y Cu en varias proteínas de membrana y citosólicas como la fe-rritina, generando un incremento en el radical OH·- vía la reacción de Fenton. Un estudio reciente en células C6 (glioma de rata), expuesto con 20 µM de CdCl₂, reveló que la alteración en la homeostasis de Cu, Zn y la inhibición en las enzimas antioxidantes están involucradas en el estrés inducido por el Cd (Nzen-que y col. 2012). La mitocondria es un blanco intracelular para diferentes estresores, incluyendo el Cd, sin embargo los mecanismos de daño mitocondrial generados por el metal, no están bien defnidos. Dorta y col. (2003), mencionan una secuencia de eventos para explicar la alteración funcional de la mitocondria inducida por el Cd: primero, una interacción del Cd con los grupos -SH de las proteínas de la membrana mitocondrial disipando el potencial de membrana (∆y), que provoca un desacoplamiento y segundo, una inhibición de la cadena respiratoria con la generación de ERO que causan lipoperoxidación mitocondrial. Belyae-va y col. (2004), proponen que el Cd genera ERO a través de una inhibición selectiva en los complejos I y III de la cadena de transporte de electrones mitocondrial.

En células de hepatoma de rata (AS-30D) tratadas con Cd, encontraron un efecto bifásico en la generación de ERO; un incremento a tiempos cortos de exposición y una disminución a tiempos largos con altas concentraciones de Cd así como inhibición en la respiración celular y disipación del ∆y (Belyaeva y col. 2008). Un estudio reciente en células embrionarias humanas de riñón (HEK293), propone que el Cd puede inducir disfunción mitocondrial de manera directa; incluyendo un incremento en la permeabilidad, inhibición en la respiración y provocando estrés oxidativo (Mao y col. 2011). La acumulación de ERO afecta el potencial de membrana mitocondrial y activa una serie de eventos incluyendo la apoptosis. Por otro lado, se ha demostrado que el Cd induce la expresión de la NADPH oxidasa (NOXs) en riñón (Thijssen y col. 2007), en neuronas (Chen y col. 2011) y la actividad en hepatocitos (Souza y col. 2009). Las NOXs son una familia de enzimas trans-membranales que generan ERO e incluyen: NOX1, NOX3, NOX4, NOX5, DUOX1 y DUOX2. Las NOXs se activan a través de una serie de fosforilaciones y de interacciones de la subu-nidad p22 con proteínas citosólicas que son la p40, p47, p67 y una GTPasa Rac. En hepato-citos (Souza y col. 2009) y en neuronas (Chen y col. 2011), el Cd induce la producción de ERO vía la NOX por regular la expresión de la subunidad regulatoria p47. Se ha relacionado la actividad de esta oxidasa en la activación de ciertas vías de señalización sensibles al estado redox y un exceso en la producción de ERO por las NOXs ha sido implicado en una variedad de desordenes que resulta en la muerte celular por apoptosis. El estrés oxida-tivo inducido por el Cd, causa lipoperoxida-ción y los lipoperóxidos producidos pueden reaccionar con el ADN y las proteínas alterando las funciones celulares. En un estudio con ratas Wistar expuestas a Cd, se evaluó la lipo-peroxidación, dando como resultado una elevada cantidad de malondialdehído (MDA) e hi-droperóxidos lipídicos y una disminución en el contenido de GSH (Prabu y col. 2010). Se ha sugerido que el estrés oxidativo inducido por el Cd, está relacionado con la inhibición de enzimas antioxidantes como la catalasa (CAT), la glutatión reductasa (GR), la glutatión peroxi-dasa (GPX), la ascorbato peroxidasa y la su-peróxido dismutasa (SOD) dando como resultado la acumulación de ERO. En la línea celular (CRL-1439) derivadas de hígado de rata (Ikediobi y col. 2004) y en cultivo primario de hepatocitos de rata (Liu y col 2011) expuestas a Cd, encontraron un incremento en la generación de ROS y una disminución tanto en el contenido de GSH como en las actividades de la GPX, CAT y GR. Por otro lado, en células neuronales expuestas con 10 µM de CdCl₂ durante 24 h, se asociaron cambios en la conformación de la superóxido dismutasa dependiente de Cu-Zn (Cu-Zn-SOD) con una disminución en su actividad enzimática y apoptosis inducida por estrés oxidativo (Huang y col. 2006). Un estudio reciente en la línea celular derivada de riñón de mono africano (COS7) tratada con Cd, reveló una disminución en la expresión y contenido de la superóxido dismutasa extracelular (EC-SOD) pero no en las otras isoenzimas y una reducción con el inhibidor de la cinasa p38 (SB203580) (Obara y col. 2011). Con estos resultados concluyen que la reducción de la EC-SOD no está regulada directamente por la cinasa p38 sino en parte por la activación o inactivación de factores de transcripción que reprimen su transcripción.

Por otra parte, estudios in vitro revelan que el Cd induce el rompimiento de la cadena de ADN (Haldsrud y Krokje 2009), sin embargo el mecanismo de daño no está muy claro. Nzengue y col. (2008), demostraron en queratinocitos humanos (HaCaT), que el daño en ADN y los efectos tóxicos inducidos por el Cd, es consecuencia de una disminución en el contenido de GSH alterando el estado redox de la célula. El grupo de Lei y col. (2008), menciona que las transformaciones morfológicas encontradas en células epiteliales de origen bronquial humano (16HBE) por el Cd, están relacionadas con un incremento en la expresión del factor de iniciación de la traducción eucariótica 3 (eIF3). Un estudio reciente en trabajadores expuestos a Cd, demostró una correlación positiva entre la concentración de Cd en orina y la expresión de los factor eIF3 y factor de elongación 1δ (eEF-1δ) (Wei y col. 2012). Estos investigadores sugieren que la sobre-expresión del factor eEF-1δ en sangre, podría ser usado como un biomarcador molecular de exposición poblacional al Cd. Por otro lado, un estudio en la línea celular K562 derivada de leucemia mieloide humana, señaló que el Cd a concentraciones bajas inhibe la actividad de la DNA topoisomerasa IIa por in-teraccionar con los grupos -SH de la enzima (Wu y col. 2011) y que este efecto fue reducido por el glutatión. Así mismo, el grupo de Nem-miche y col. (2011), indicaron que el daño inducido en el ADN de células Jurkat T derivada de leucemia linfoide humana, expuestas a Cd está asociado más a la alteración en la ho-meostasis redox que al contenido de elementos traza intracelular. Recientemente en células epiteliales 16HBE expuestas a Cd, se ha señalado un incremento progresivo en la me-tilación del ADN con la sobre-expresión de la enzima ADN metiltransferasa y esto podría explicar parcialmente la carcinogénesis inducida por el Cd (Zhou y col 2012). De igual forma, en hígado de rata encontraron que el Cd induce hipermetilación del promotor de la caspasa 8 y un incremento en la proliferación celular. Con esto explican que el silenciamiento de la cas-pasa 8 por hipermetilación resulta en la ausencia de la expresión de la proteína con ausencia en la muerte celular por apoptosis mediada por receptor y descontrol en el crecimiento celular (Wang y col. 2012).

SEÑALIZACIÓN Y EXPRESIÓN DE GENES

La exposición al Cd puede alterar varias cascadas de señalización y la expresión de genes. Sin embargo, los mecanismos moleculares que llevan a la desregulación de genes por este metal y las alteraciones celulares que desencadena su toxicidad son poco entendidas. Diversos reportes en la literatura han contribuido a ampliar la lista de genes que responden al Cd; entre ellos los del ciclo celular, respuesta inmune, metabolismo, oncogenes y transportadores (Kawata y col. 2007; Badisa y col. 2008; Yamada y col. 2009; Tokumoto y col. 2011; Wang y col. 2012). Sin embargo, se ha determinado que los genes más expresados son los relacionados con las metalotioneínas (MTs), las proteínas de choque térmico (Hsp) y la apoptosis. Además, se sugiere que la identifcación de estos genes puede ser candidata para evaluar el riesgo a la salud por la exposición al metal. Las MTs inicialmente fueron reportadas como proteínas de unión al Cd, comprenden una familia de proteínas de bajo peso molecular (6-7 kDa) compuestas de más de diez isoformas en humanos. Se encuentran subdivididas en 4 grupos: MT-I, MT-II, MT-III y MT-IV, siendo las isoformas MT-I y MT-II las más distribuidas. Las MTs se caracterizan por tener en su estructura regiones ricas en cisteína, lo que les confere una alta capacidad de unión a metales pesados como el Cd (Ejnik y col. 2010) y protección contra el daño oxidativo. En diversos tipos celulares se ha demostrado que el Cd induce la expresión de la MT-I (Urani y col. 2007; Nzengue y col. 2009; Banni y col. 2010) y de su mRNA por RT-PCR (Mukhopadhyay y col. 2009; Zhang y col. 2012), la cual está asociada con un mecanismo de resistencia (Honda y col. 2010). La expresión de la MT, puede estar regulada en parte por el factor de transcripción-1 que responde a metales (MTF-1). Estudios indican que el MTF-1 puede ser fosforilado por la proteína cinasa C (PKC) o por la cinasa c-Jun N-terminal (Jnk), sin embargo el uso de los inhibidores de estas cinasas no afectan la unión del MTF-1 al promotor de la MT inducido por el Cd (Jiang y col. 2004). Ellos sugieren que en esta regulación pueden estar involucradas múltiples cascadas de señalización que pueden estar cambiando los estados de fosforilación del MTF-1. Por otro lado, Li y col. (2008), demostraron por co-inmunoprecipitación la formación de un complejo multiproteico formado por el MTF-1, la histona acetiltransferasa p300/CBP y el factor de transcripción Sp1 en respuesta al Zn o Cd. Estos autores mencionan que al silenciar p300 con siRNA y por mu-tagénesis en el dominio de transactivación del MTF-1, la transcripción del gen de MT-1 disminuye. Por otra parte, el grupo de Okumura y col. 2011, propone que el mecanismo por el cual el MTF-1 regula la transcripción del gen de la MT involucra una rápida exclusión del nucleosoma del promotor de la MT en respuesta al Zn. Recientemente, el grupo de Zhang y col. (2012), determinaron que el Cd induce un incremento en los niveles de Zn en hígado y riñón que se correlaciona con la expresión del ARNm y la síntesis de la MT, dándole al Zn un papel positivo. El Zn interacciona con el factor de transcripción MTF-1 formando un complejo que se une a elementos ARE en la región promotora del gen de la MT para inducir su expresión.

Además, estudios recientes sugieren que la fosfatasa y tensina homólogo (PTEN), regula la actividad transcrip-cional del factor MTF-1, ya que una disminución en el contenido de la PTEN, reduce la expresión de la MT y promueve la sensibilidad a la toxicidad del Cd (Lin y col. 2012). Otra de las proteínas que se inducen en respuesta a la exposición de Cd es la Hsp70 (Urani y col. 2007; Cardin y col. 2009; Selim y col. 2012) que se activa rápidamente en respuesta al estrés y tiene gran importancia en la protección y tolerancia al Cd. Como molécula chaperona, la Hsp70 tiene la capacidad para unirse a proteínas en proceso de desnaturalización y así prevenir su degradación. Estudios realizados en células de hepatoma humano (HepG2) (Souza y col. 2004b) y fbroblastos de ratón (NIH3T3) (Ridley y col. 2010), indicaron que el Cd aumenta la producción de Hsp70 de manera dependiente del tiempo de exposición y de la dosis (Valbonesi y col. 2008; Gerspacher y col. 2009) y que las cinasas Erk 1/2 y Jnk están involucradas (Nishitai y Matsuoka 2008; Escobar y col. 2009), confriéndole protección celular contra el daño por el metal. Además, señalaron una represión en la expresión de la Hsp70 inducidos por el Cd en células trans-fectadas con el siRNA para las cinasa Jnk, p38 y Erk 1/2 (Nishitai y Matsuoka 2008). Así, se asume que el patrón de expresión para la Hsp70 fue diferente y la inducción de esta chaperona puede ser considerada como una respuesta adaptativa inducida por el Cd, permitiendo a las células realizar sus funciones esenciales para sobrevivir. La producción de la proteína Hsp70 es regulada por el factor de transcripción de choque térmico 1 (HSF-1) que se une a elementos de choque térmico (HSE) localizados en el promotor de la Hsp70. El HSF-1 se encuentra como un monómero inactivo y se activa por fosforilación en parte por las MAPK, en respuesta al estrés inducido por la acumulación de proteínas dañadas. La activación de estas MAPK (Erk 1/2, p38, Jnk) requiere de mecanismos de fosforilación por las cinasas MEK, MKK o SEK. Así, la cinasa Erk 1/2 es fosforilada por las MEK1 y MEK2, la p38 por MKK3 y MKK6, y la Jnk por SEK1 (conocida como MKK4 y MKK7). En base a estas consideraciones, en células de origen embrionario (ES) de ratón, fueron silenciados los genes para las cinasa SEK1 y MKK7 y expuestas a Cd (Nishitai y Matsuoka 2008). Se encontró disminuida la fosforilación del factor HSF-1 sólo cuando las células ES fueron silenciadas para SEK1. Estos resultados sugieren que la cinasa SEK1 puede activar, mientras que la cinasa MKK7 puede suprimir la actividad transcripcional de la proteína Hsp70, a través de la regulación de la fosforilación del factor HSF-1. La hsp70 también puede ser regulada por otros factores de transcripción como AP-1 o el Stat-3 (transductor de señal y activador de la transcripción 3).

Esto fue demostrado en células HepG2 que fueron pre-tratadas con el péptido inhibidor para el Stat-3, indicando una disminución en la producción de la proteína Hsp70 inducida por el Cd (Sou-za y col. 2009). Diversos estudios, han demostrado que el Cd induce la activación de AP-1, Stat-3 y que son regulados por las MAPK. En células HepG2 expuestas a Cd, se ha reportado que la activación de AP-1 es dependiente de la dosis y sensible al estrés oxidante (Sou-za y col. 2004b). Esta activación puede ser mediada por las MAPK (Hsiao y Stapleton 2004; Escobar y col. 2009) o por cambios a nivel transcripcional de los miembros de la familia Fos (c-Fos, FosB, Fra-1, Fra-2) inducidos por el Cd (Iwatsuki y col. 2011). En células HK-2 de origen renal expuestas a Cd se encontró un incremento progresivo en la proteína c-fos y no en su RNAm, sugiriendo una posible estabilidad en la fosforilación de c-fos. Además, las cinasas Erk 1/2 y p38 pueden estar involucradas en la regulación de la expresión de c-fos y en la fosforilación de la proteína c-Fos (Iwatsuki y col. 2011). Se han identi-fcado seis proteínas de la familia de los Stat; Stat-1, Stat-2, Stat-3, Stat-4, Stat-5a, Stat-5b, Stat6 que son activados en respuesta a varias citocinas, factores de crecimiento y estresores como el Cd. Estudios en células epiteliales de riñón (LLC-PK1) y en HepG2, indicaron que la activación de Stat3 es dependiente del tiempo de exposición, de la dosis (Nakagawa y col. 2007) y que es sensible a las ERO procedente de la NADPH oxidasa activada por Cd (Souza y col. 2009). Los Stat son fosforilados en residuos de tirosina por las cinasas Jak (Janus ci-nasa) o en resina por las MAPK para una máxima actividad transcripcional. Se ha determinado que la cinasa p38 fosforila al factor Stat-3 inducido por el Cd en células LLC-PK1 (Nakagawa y col. 2007) y en células HepG2 fue mediada por la Erk 1/2 (Souza y col. 2009). Asimismo, diversos estudios, han demostrado que la activación de las MAPK por el Cd, es dependiente del tiempo de exposición (Valbo-nesi y col. 2009; Iwatsuki y col. 2011), de la dosis (Leal y col. 2007) y que es sensible a las ERO generadas por la NADPH oxidasa (Souza y col. 2009). Sin embargo, el tiempo en que permanecen activadas las MAPK, parece ser importante para la respuesta celular ya sea proliferación, diferenciación o muerte celular. Estudios en cultivo de células de pulmón de rata tratadas con Cd, encontraron un incremento en la activación de Erk 1/2, p38 y Jnk, sin embargo la prolongada activación de p38 parece estar involucrada en el proceso de apoptosis ya que sólo el inhibidor de p38 disminuyó parcialmente la apoptosis inducida por el Cd (Lag y col. 2005). La apoptosis inducida por Cd, involucra vías intrínsecas y extrínsecas.

La vía intrínseca es mediada por señales de estrés celular (daño al ADN) con la activación de la caspasa-9 y la extrínseca implica la activación de receptores de muerte Fas con la activación de la caspasa-8. La caspasa-8 y 9 activan a la caspasa efectora 3 y 7, que participan en la muerte celular. Por lo tanto, la generación de ERO, la alteración del potencial de membrana mitocondrial y la activación de la caspasa-9, representan los principales elementos de la vía apoptótica mitocondrial. Estudios demuestran que el Cd induce apopto-sis vía caspasas (Pham y col. 2006; Lasfer y col. 2008; Lawal y Ellis 2011; Brama y col. 2012). El estudio de Pham y col. (2006), reveló un incremento en la actividad de la caspasa 9 y 3 dependiente del tiempo y la concentración de Cd, así como del factor inductor de apop-tosis (AIF) en hepatocitos de rata. Ellos sugieren que la apoptosis inducida por el Cd involucra un evento primario dependiente de la mi-tocondria pero no necesariamente por las caspasas. Asimismo, el grupo de Kim y Soh (2009), indicaron que el Cd induce la translocación de AIF desde la mitocondria al núcleo y que las ERO son las responsables de este evento en células de testículo de rata. Se ha determinado la participación de la fosfolipasa C (PLC) y de las MAPK en la activación de las caspasas inducidas por el Cd. Esto fue demostrado en células HEK 293 tratadas con Cd, encontrando un incremento tanto en el contenido de Ca como en la actividad de la calpaína y en la activación de la caspasa 3, los cuales fueron inhibidos cuando usaron el inhibidor de PLC (U73122). Estos resultados indican que la vía de señalización mediada por la PLC está involucrada en la apoptosis inducida por Cd (Lawal y Ellis 2011). Se conoce que la vía de señalización mediada por la cinasa Erk 1/2 está implicada en procesos de proliferación celular, sin embargo hay estudios que proponen la activación de esta cinasa con procesos de apoptosis. Esto fue apoyado por los estudios realizados por Chen y col. (2008) en células de neuroblastoma humano (SH-SY5Y), en los cuales la inhibición de las cinasa Erk 1/2 y Jnk pero no de p38, previene parcialmente la apoptosis inducida por le Cd. Por otro lado, estudios realizados en osteoblastos que fueron pretratados con el inhibidor de la cinasa Erk 1/2 (PD98058), señalan una disminución en la apoptosis inducido por el Cd (Arbon y col. 2011).

Se ha reportado que varios metales pesados incluyendo al Cd pueden activar la vía de señalización de la cinasa serina/ treonina mTOR provocando la muerte por apoptosis. Los estudios del grupo de Chen y col. (2008), indicaron que el Cd induce la fosforilación de la cinasa serina/treonina mTOR y de sus efectores. Además, con el inhibidor de mTOR (ripamicina), se encontró disminuida tanto la fosforilación de la cinasa S6K1 como del factor de iniciación eucariótico de unión a proteína 1 (4E-BP1) con una inhibición parcial de escisión de la caspasa 3. Esto indica que la señalización por las MAPK y del mTOR está asociada a la apoptosis inducida por el Cd (Chen y col. 2008). Sin embargo, no es bien conocido el mecanismo mediante el cual los metales activan a mTOR, pero se propone que el Cd induce la generación de ERO que contribuyen a la activación de la señalización por mTOR, lo que fue evaluado por el antioxidante N-acetil-L-cisteína (NAC) (Chen y col. 2011). Además, el mismo grupo determinó que el Cd induce la generación de ERO vía la NADPH oxidasa, que podría estar participando en la activación de mTOR, llevando a la muerte celular, en parte por la activación de la cinasa IP3K y por la inhibición de la fosfatasa PTEN.

En células hepáticas (Xie y col. 2010) y neuronales (Xu y col. 2011), se demostró que el Cd eleva los niveles de calcio intracelular [Ca⁺²]i, induciendo apoptosis por la activación de las MAPK y la cinasa mTOR a través de la fosforilación de la proteína cinasa II dependiente de calmodulina /calcio (CaMKII) (Chen y col. 2011) ya que al silenciar la proteína CaMKII, disminuye la activación de la vía MAPK/mTOR y la muerte celular. Por otro lado, el Cd induce apoptosis a través de la activación p53. En células JB6 de origen epidérmico de ratón, el Cd incrementó la expresión de p53 dependiente de la concentración. Además, al transfectar las células JB6 con el siRNA para la cinasa Jnk1 o Jnk2, la expresión de p53 disminuyó más con Jnk2 que con Jnk1, así como también la toxicidad inducida por el Cd (Son y col. 2010). Recientemente, en células epiteliales de próstata tratadas con Cd, se relacionó la inhibición en la proliferación celular con la acumulación de p53. Además, el silenciamiento de p53 mediante el siRNA, señaló que el Cd induce apoptosis y se sugiere que una mutación en p53, podría contribuir a la resistencia inducida por Cd en la carcinogénesis (Aimola y col. 2012). Se ha asociado la apoptosis inducida por el Cd vía estrés del RE (Yokouchi y col. 2008). En células H4-II-E-C3 derivadas de hepatoma de rata, se estudiaron los cambios transcripcionales mediante análisis de microa-rreglos, encontrando alterados los genes relacionados al estrés del RE y la apoptosis por el Cd (Permenter y col. 2011). El RE tiene un papel muy importante en el plegamiento y transporte de las proteínas, así como en la regulación de Ca intracelular. Sin embargo, si las funciones del RE son severamente dañadas, las células son removidas. El estrés del ER, es defnido como la acumulación de proteínas mal plegadas y la respuesta celular a este fenómeno se denomina "respuesta a proteínas mal plegadas" (UPR) que tiene la función de transmitir la información obtenida a través de los sensores de estrés al núcleo. Esto provoca una disminución en la carga proteica que entra al retículo, así como un aumento en la capacidad del retículo para manejar las proteínas mal plegadas y por último si la homeosta-sis no puede ser restablecida, activar la maquinaria de muerte celular. Tres sensores de estrés del ER se han identifcado en la membrana del RE; una cinasa dependiente de ARN ligada al RE (PERK), el activador del factor de transcripción 6 (ATF-6) y la proteína reclutadora de inositol 1 (IRE1).

La apoptosis se puede dar por la activación de la vía IRE1 y ATF6 que promueven la expresión del factor de transcripción Chop (proteína homóloga a C/EBP). El factor Chop, la cinasa Jnk y las caspasas han sido involucradas en la activación de la apoptosis, ya que Chop disminuye la expresión de la proteína anti-apoptótica Bcl2. Estudios con células NIH 3T3, encontraron que el Cd provoca muerte celular vía la activación de la caspasa-12 (Biagliolo y col. 2008). Mientras que en células LLC-PK1, el proceso de apop-tosis provocado por el Cd fue sugerido por el factor Chop vía el ATF6 y por la activación de la cinasa Jnk vía la IRE1 (Yokouchi y col. 2008). Un estudio reciente, relaciona al estrés del RE con la señalización mitocondrial en la apopto-sis inducida por el Cd. En él se ha descrito que el Cd incrementa la fosforilación del factor de iniciación de la traducción eucariótica 2 a (eIF2a) y la expresión del factor Chop, indicando que la vía PERK es activada por el metal. Asimismo, se indica que Chop promueve la translocación de Bax del citosol a la mitocon-dria provocando la liberación del citocromo c inducido por el Cd (Ji y col. 2011). Sin embargo, dependiendo de la concentración de Cd, la célula puede desarrollar respuestas de adaptación a la apoptosis inducida por el metal. Esto se evaluó en las células de linfoma humano (U937) que fueron expuestas a dosis bajas de Cd (Cui y col. 2011). Estos autores sugirieron, que el mecanismo molecular involucrado en la respuesta adaptativa, es una inhibición tanto en la generación intracelular de ERO como en la activación de la cinasa Jnk, así como una modulación en el balance entre la expresión de proteínas anti-apoptóticas como Mcl-1 y pro-apoptóticas como Bim. (Figura 1).

Figura 1. Efecto del cadmio en la señalización y expresión de genes. El Cd propicia la generación de especies reactivas de oxígeno (ERO) vía la mitocondria o la NADPH oxidasa, pero también por la inhibición de las enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa (SOD), catalasa (CAT), glutatión peroxidasa (GPX), la glutatión reductasa (GR) o por la disminución en el contenido de glutatión (GSH). El Cd activa diferentes cascadas de señalización que son sensibles a las ERO como la fosfolipasa C (PLC), la proteína cinasa C (PKC), las cinasas activadas por mitógenos (MAPK), cinasa serina/treonina mTOR, cinasa S6K1, cinasa II dependiente de calmodulina /calcio (CaMKII), cinasa dependiente de ARN ligada al RE (PERK), proteína reclutadora de inositol 1 (IRE1) y la cinasa trifosfato inositol/proteína cinasa B (PI3K/Akt). El daño en la mitocondria, así como el éstres del retículo endoplásmico y las cascadas de señalización, favorecen la activación de diversos factores de transcripción como el factor de transcripción-1 que responde a metales (MTF-1), factor de transcripción de choque térmico-1 (HSF-1), transductor de señal y activador de la transcripción-3 (Stat-3), proteína activadora-1 (AP-1), factor nuclear-?B (NF-?B), activador del factor de transcripción 6 (ATF-6), factor de transcripción Chop (proteína homóloga a C/EBP), factor de iniciación de la traducción eucariótica 2 a (eIF2a), factor inductor de apoptosis (AIF) y p53 que inducen la transcripción de genes blanco que participan en varios procesos celulares tales como sobrevivencia, protección, cáncer o muerte celular.

RESPUESTA ANTIOXIDANTE

Las células cuentan con una variedad de antioxidantes endógenos de tipo enzimático y no enzimático para controlar las ERO generadas durante el estrés oxidativo. Entre los antioxidantes no enzimáticos tenemos al ácido as-córbico (vitamina C), el a-tocoferol (vitamina E), la albúmina, la MT, el GSH, por mencionar algunos. El de mayor relevancia y abundancia en la célula es el GSH que mantiene el estado de óxido reducción y es cofactor de enzimas antioxidantes como la GPX, GR, GST. El GSH es considerado como un antioxidante importante, debido a que ayuda a mantener los grupos -SH de las proteínas en estado reducido y también ayuda a remover peróxidos tóxicos. En cultivo de hepatocitos tratados con piridoxina (vit. B6), encontraron incrementado el contenido de GSH y disminuida la lipo-peroxidación. Asimismo, las enzimas antioxidantes se recuperaron a niveles control (Wen y col. 2010). Estudios previos demuestran que las enzimas antioxidantes como la SOD, CAT, GPX, GR y GST son determinantes en la respuesta celular al estrés oxidativo y protegen a las células de la apoptosis inducida por el Cd. En células HEK293 que sobre-expresan GST, se demostró una inhibición en la pérdida del potencial de la membrana mitocondrial, en la liberación del citocromo c y en la activación de la caspasa 3, suprimiendo la apoptosis vía las MAPK inducida por Cd (Zhang y col. 2010).

Estudios con α-tocoferol, han demostrado que colabora contra el estrés oxidante (Kara y col. 2008) y que revierte la alteración metabólica de los lípidos provocada por el Cd (Prabu y col. 2010). De igual forma se ha propuesto que el Se y el Zn pueden actuar como antioxidantes y proteger del daño inducido por el Cd. En células estelares de origen hepático (CFSC-2G) (Souza y col. 2004a), el Zn disminuyó la toxicidad inducida por el Cd por incrementar tanto el contenido de GSH como del gen de la MT y disminuir la lipoperoxidación. Por otro lado, en ratas tratadas con Se, se mantuvieron estables los niveles de coles-terol, triglicéridos, fosfolípidos y ácidos grasos mono y poli-insaturados alterados por el Cd (Newairy y col. 2007) y con el Zn se restauraron los niveles de GSH/GSSG y de las enzimas antioxidantes SOD, GPX (Jihen y col. 2011). Recientemente, el grupo de Galazyn y col. (2012), sugirió una correlación positiva entre la actividad de la GPX, la concentración de Se y el índice de lipoperoxidación. De igual forma, se le ha asignado al magnesio (Mg) un papel protector, especialmente en los parámetros de estrés oxidativo. La administración de Mg provocó una disminución tanto en el contenido de Cd como en los niveles de ERO y del MDA. Asimismo, la actividad de la SOD se restableció en hígado de rata, lo que podría explicar su efecto positivo (Matovicy col. 2012). Por otro lado, el NAC puede bloquear la apoptosis dependiente de caspasas, por inhibir la generación de ERO generado por el Cd (Oh y Lim 2006) y por incrementar signifcativamente la viabilidad celular, los niveles de las enzimas CAT, GPX, GR en células hepáticas (Liu y col. 2011; Odewumi y col. 2011).

Se le ha dado un papel neuroprotector a la melatonina porque disminuye los niveles de marcadores de estrés oxidativo como la lipoperoxidación y la carbonilación de proteínas inducidas por el Cd en cerebro de rata y también incrementa la actividad de la acetilcolinesterasa (Shagirtha y col. 2011). Por otro lado, la dexametasona, una hormona que tiene varios efectos farmacológicos, incluyendo anti-infamatorios, disminuye la formación de ERO. En cultivo de he-patocitos, la dexametasona previene el daño oxidativo a las membranas y evita cambios en el cociente GSH/GSSH inducido por el Cd (Fe-rrigno y col. 2010). Recientemente, el grupo de Rennolds y col. (2012), demostró que la curcumina, un antioxidante natural puede tener un efecto anti-infamatorio, disminuyendo la secreción de la IL-6 por la vía del factor NF-?B y la secreción de la IL-8 por la cinasa Erk 1/2 inducido por el Cd en células epiteliales. Recientemente, el grupo de Komoike y col. (2012), determinó que el salubrinal suprime el daño y la muerte por apoptosis inducida por Cd en células HK-2 de origen renal humano. Estos autores señalan que el salubrinal inhibe la desfosforilación tanto del factor eIF2a, como de las cinasas Jnk, p38 y además disminuye la activación de la caspasa 3 y de la polimerasa. Aunque, no se conoce con exactitud el mecanismo de acción de los antioxidantes, éstos pueden prevenir o retardar la oxidación de un sustrato biológico y en algunos casos revertir el daño oxidativo de las moléculas afectadas.

CONCLUSIÓN

El Cd es un metal altamente tóxico, por lo tanto es considerado como un contaminante ambiental muy peligroso, porque es utilizado en la manufactura de productos como pilas, pinturas, fertilizantes, galvanizado de tubos, cerámica entre otros. El Cd afecta diferentes tejidos y órganos como el hígado, riñón, pulmón, testículos y hueso. Puesto que estos efectos traen como consecuencia un problema muy grave a nivel de salud, se ha tratado de proponer estrategias para evitar la contaminación por este metal a nivel mundial. Sin embargo, el organismo puede activar diferentes cascadas de señalización que están relacionadas con respuestas de adaptación y sobrevivencia ante la presencia del metal, mecanismos que dependen tanto del tipo celular como de las condiciones de exposición.

Agradecimientos: Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa.

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