Experimentally-induced Wernicke’s encephalopathy modifies crucial rat brain parameters: the importance of Na+,K+-ATPase and a potentially neuroprotective role for antioxidant supplementation

Abstract

Wernicke's encephalopathy (WE) is a serious neuropsychiatric syndrome caused by chronic alcoholism and thiamine (T) deficiency. Our aim was to shed more light on the pathophysiology of WE, by introducing a modified in vivo experimental model of WE and by focusing on changes provoked in the total antioxidant status (TAS) and three crucial brain enzyme activities in adult rats. Rats were placed on ethanol (EtOH) consumption (20 % v/v) for a total of 5 weeks. By the end of the third week, rats were fed a T-deficient diet (TDD) and were treated with pyrithiamine (PT; 0.25 mg/kg) for the remaining 2 weeks. Following the induction of WE symptomatology, rats were treated with three consecutive (every 8 h) injections of saline or T (100 mg/kg) and were sacrificed. Brain homogenates were generated and used for spectrophotometrical evaluation of TAS and enzymatic activities. Additionally, in vitro experiments were conducted on brain homogenates or pure enzymes incubated with T or neuromodulatory antioxidants. Pre-exposure to EtOH provided a successful protocol modification that did not affect the expected time of WE symptomatology onset. Administration of T ameliorated this symptomatology. WE provoked oxidative stress that was partially limited by T administration, while T itself also caused oxidative stress to a smaller extent. Brain acetylcholinesterase (AChE) was found inhibited by WE and was further inhibited by T administration. In vitro experiments demonstrated a potential neuroprotective role for L-carnitine (Carn). Brain sodium-potassium adenosine triphosphatase (Na(+),K(+)-ATPase) activity was found increased in WE and was reduced to control levels by in vivo T administration; this increase was also evident in groups exposed to PT or to TDD, but not to EtOH. In vitro experiments demonstrated a potential neuroprotective role for this Na(+),K(+)-ATPase stimulation through T or L-cysteine (Cys) administration. Brain magnesium adenosine triphosphatase (Mg(2+)-ATPase) activity was found decreased by prolonged exposure to EtOH, but was not affected by the experimental induction of WE. Our data suggest that T administration inhibits AChE, which is also found inhibited in WE. Moreover, increased brain Na(+),K(+)-ATPase activity could be a marker of T deficiency in WE, while combined T and antioxidant co-supplementation of Cys and/or Carn could be neuroprotective in terms of restoring the examined crucial brain enzyme activities to control levels.

Εμβρυϊκή Και Νεογνική Νευροτοξικότητα Και Ηπατοτοξικότητα Της Αιθανόλης Και Της Ελλιπούς Σε Θειαμίνη Διατροφής

“…Σε in vivo πειραματική μελέτη σε ενήλικους Wistar επίμυες στην οποία πραγματοποιήθηκε χρόνια έκθεση (μερικές εβδομάδες) σε EtOH (20% v/v στο πόσιμο ύδωρ) βρέθηκε μία σταθέρη αύξηση της δραστικότητα της Νa + ,Κ + -ΑΤΡάσης στον εγκέφαλο, εν αντιθέσει με την οξεία έκθεση σε EtOH (5 gr/kg, ενδοπεριτοναϊκά) η οποία προκάλεσε αναστολή στη δραστικότητα της εγκεφαλικής (Νa + ,Κ + )-ΑΤΡάσης (Ledig et al, 1985). Σε παρόμοια πρόσφατη μελέτη της εργαστηριακής μας ομάδας (Zarros et al, 2013) όπου πραγματοποιήθηκε χρόνια έκθεση (5 εβδομάδες) σε EtOH (20% v/v στο πόσιμο ύδωρ) σε ενήλικους Albino-Wistar επίμυες δεν παρατηρήθηκε αήξηση στη δραστικότητα της Νa + ,Κ + -ΑΤΡάσης, όπως στη μελέτη των Ledig et al (1985).…”

“…Μέχρι σήμερα, μονάχα ένας μικρός αριθμός in vitro μελετών (Rangaraj and Kalant, 1980, Kalant and Rangaraj, 1981, Syapin and Alkana, 1986, Syapin et al, 1985 (Ledig et al, 1985). Αντίθετα, σε πρόσφατη μελέτη της εργαστηριακής μας ομάδας, έπειτα από χρόνια (5 εβδομάδες) έκθεση σε EtOH (20% v/v στο πόσιμο ύδωρ) σε ενήλικους Wistar επίμυες, παρατηρήθηκε στατιστικώς σημαντική αναστολή στη δραστικότητα της Mg 2+ -ATPάσης στον εγκέφαλο αυτών (Zarros et al, 2013 (Oliveira et al, 2007) στην οποία χορηγήθηκε TDD σε επίμυες, τόσο κατά τη διάρκεια της κύησης, όσο και για 10 ακόμη ημέρες μετά τη γέννηση των απογόνων. Στην προαναφερθείσα μελέτη (Oliveira et al, 2007), το βάρη σώματος τόσο των νεογέννητων απογόνων, όσο και των ηλικίας 10 ημερών απογόνων επιμύων, βρέθηκαν στατιστικώς σημαντικά μικρότερα (P<0,05) συγκριτικά με τις αντίστοιχες ομάδες μαρτύρων.…”

“…αντιθέσει με τις ομάδες EtOH1 (ομάδα χορήγησης EtOH κατά την κύηση) και ΤDD1+EtOH1 (ομάδα συγχορήγησης EtOH και TDD, κατά την κύηση) στις οποίες παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση στη δραστικότητα της Νa + ,Κ + -ΑΤΡάσης (+51%, P<0,05 και +37%, P<0,05 Αναφορικά με τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής στις ομάδες συγχορήγησης EtOH και TDD, τόσο στους νεογέννητους, όσο και στους ηλικίας 21 ημερών απογόνους επιμύες, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι η δραστικότητα της Νa + ,Κ + -ΑΤΡάσης στον ολικό εγκέφαλο σημείωσε σημαντική αύξηση, συγκριτικά με τις αντίστοιχες ομάδες Control. Τα εύρηματα αυτά συνάδουν με την αύξηση που παρατηρήθηκε στην δραστικότητα της Νa + ,Κ + -ΑΤΡάσης σε ολικό εγκέφαλο ενήλικων επιμύων, σε μελέτη προσομοίωσης της εγκεφαλοπάθειας Wernicke στην οποία χορηγήθηκε EtOH (20% v/v στο πόσιμο ύδωρ) για διάρκεια πέντε εβδομάδων, σε συνδυασμό με TDD στις δύο τελευταίες από τις πέντε εβδομάδες(Zarros et al, 2013).…”