O ácido 5-aminolevulínico (ALA) é o primeiro precursor do grupo heme acumulado, principalmente no fígado, em alguns tipos de porfirias hepáticas hereditárias (porfiria aguda intermitente-AIP e tirosinemia) ou adquiridas (intoxicação por chumbo) devido à diminuição da atividade da enzima porfobilinogênio deaminase. Amostras de biópsias de fígado de pacientes portadores de AIP revelaram alterações estruturais nas mitocôndrias e no retículo endoplasmático, acúmulo de lipofuscina, gordura e corpúsculos de ferritina. Têm sido demonstrado que mutações mitocondriais induzidas por pró-oxidantes também contribuem para o envelhecimento celular e para o desenvolvimento do câncer. Esses dados podem estar relacionados à maior incidência de carcinoma hepatocelular (HCC) em pacientes sintomáticos de AIP. In vitro, ALA produz espécies reativas de oxigênio (ROS), através da oxidação catalisada por metais, e pode ser visto como uma fonte endógena de ROS, iniciando danos oxidativos a estruturas celulares como o DNA, podendo estar envolvido na iniciação e promoção do câncer. Além disso, o produto final de oxidação do ALA, o ácido 4,5-dioxovalérico (DOVA) é capaz de induzir modificações nas bases do DNA como outros derivados carbonílicos reativos. Neste estudo, demonstramos que o ALA é capaz de produzir danos ao DNA como quebras de fita de DNA plasmidial, aumento do nível de 8-oxo-7,8- dihidro-2\'-desoxiguanosina e 5-hidroxi-2´-desoxicitidina em DNA de órgãos de ratos tratados com ALA e aumento da formação de diversas bases modificadas em DNA de timo de bezerro. O DOVA reagiu com 2´-desoxiguanosina e DNA de timo de bezerro isolado produzindo dois adutos diastereoisômeros. O ALA e o DOVA foram capazes de aumentar a mutagenicidade em S. typhimurium TA104 e induzir resposta SOS em E. coli PQ37. Danos ao DNA mitocondrial e nuclear também foram detectados através da técnica de reação quantitativa em cadeia da polimerase em fibroblastos humanos transformados tratados com ALA. Todos esses dados fornecem informações referentes ao potencial genotóxico do ALA e permitem estabelecer uma proposta de bases moleculares para conectar as lesões ao DNA promovidas pelo ALA com a maior incidência de carcinoma hepatocelular em pacientes sintomáticos de AIP. / 5-Aminolevulinic acid (ALA) is a heme precursor accumulated in some inborn (acute intermittent porphyria-AIP and tyrosinosis) or acquired (lead poisoning) types of hepatic porphyria. In AIP patients, ALA is overproduced and accumulated in the liver. Liver biopsy samples of AIP patients revealed mitochondrial and endoplasmic reticulum structural alterations and accumulation of lipofucsin, fat and ferritin bodies. Mitochondrial mutations induced by pro- oxidants were suggested to contribute to cellular aging and cancer. These findings may be connected to the higher frequency of hepatocellular carcinoma (HCC) associated to symptomatic AIP patients. In vitro, ALA produces reactive oxygen species (ROS) upon metal- catalyzed oxidation and can be viewed as a deleterious endogenous source of ROS, triggering oxidative damage to cell structures and organs and being involved in the initiation and promotion of cancer. Besides, the final oxidation product of ALA, the 4,5-dioxovaleric acid (DOVA) is expect to induce DNA base modifications as already shown for other reactive carbonyl derivatives. In this study we demonstrated that ALA is able to produce DNA lesions such as strand breaks in plasmid DNA, increased steady state level of 8-oxo-7,8- dihydro-2\'-deoxyguanosine and 5-hydroxy-2´-deoxycytidine in rat organs DNA of ALA-treated rats and increased formation of several modified DNA bases in calf thymus DNA. 4,5-Dioxovaleric acid was showed to react with 2\'-deoxyguanosine and isolated calf thymus DNA through Schiff?s base formation to produce two diastereisomeric adducts. Aminolevulinic acid and DOVA were able to increase mutagenicity of the S. typhimurim strain TA104 and induce SOS response in E. coli PQ37. The mitochondrial and nuclear DNA damage were also detected by quantitative polymerase chain reaction technique in transformed human fibroblasts treated with ALA. All these data provide additional information on the genotoxic potential of ALA and reinforce the hypothesis that ALA may be involved in the induction of HCC in symptomatic AIP patients.

O ácido 5-aminolevulínico (ALA) é o primeiro precursor do grupo heme acumulado, principalmente no fígado, em alguns tipos de porfirias hepáticas hereditárias (porfiria aguda intermitente-AIP e tirosinemia) ou adquiridas (intoxicação por chumbo) devido à diminuição da atividade da enzima porfobilinogênio deaminase. Amostras de biópsias de fígado de pacientes portadores de AIP revelaram alterações estruturais nas mitocôndrias e no retículo endoplasmático, acúmulo de lipofuscina, gordura e corpúsculos de ferritina. Têm sido demonstrado que mutações mitocondriais induzidas por pró-oxidantes também contribuem para o envelhecimento celular e para o desenvolvimento do câncer. Esses dados podem estar relacionados à maior incidência de carcinoma hepatocelular (HCC) em pacientes sintomáticos de AIP. In vitro, ALA produz espécies reativas de oxigênio (ROS), através da oxidação catalisada por metais, e pode ser visto como uma fonte endógena de ROS, iniciando danos oxidativos a estruturas celulares como o DNA, podendo estar envolvido na iniciação e promoção do câncer. Além disso, o produto final de oxidação do ALA, o ácido 4,5-dioxovalérico (DOVA) é capaz de induzir modificações nas bases do DNA como outros derivados carbonílicos reativos. Neste estudo, demonstramos que o ALA é capaz de produzir danos ao DNA como quebras de fita de DNA plasmidial, aumento do nível de 8-oxo-7,8- dihidro-2\'-desoxiguanosina e 5-hidroxi-2´-desoxicitidina em DNA de órgãos de ratos tratados com ALA e aumento da formação de diversas bases modificadas em DNA de timo de bezerro. O DOVA reagiu com 2´-desoxiguanosina e DNA de timo de bezerro isolado produzindo dois adutos diastereoisômeros. O ALA e o DOVA foram capazes de aumentar a mutagenicidade em S. typhimurium TA104 e induzir resposta SOS em E. coli PQ37. Danos ao DNA mitocondrial e nuclear também foram detectados através da técnica de reação quantitativa em cadeia da polimerase em fibroblastos humanos transformados tratados com ALA. Todos esses dados fornecem informações referentes ao potencial genotóxico do ALA e permitem estabelecer uma proposta de bases moleculares para conectar as lesões ao DNA promovidas pelo ALA com a maior incidência de carcinoma hepatocelular em pacientes sintomáticos de AIP. / 5-Aminolevulinic acid (ALA) is a heme precursor accumulated in some inborn (acute intermittent porphyria-AIP and tyrosinosis) or acquired (lead poisoning) types of hepatic porphyria. In AIP patients, ALA is overproduced and accumulated in the liver. Liver biopsy samples of AIP patients revealed mitochondrial and endoplasmic reticulum structural alterations and accumulation of lipofucsin, fat and ferritin bodies. Mitochondrial mutations induced by pro- oxidants were suggested to contribute to cellular aging and cancer. These findings may be connected to the higher frequency of hepatocellular carcinoma (HCC) associated to symptomatic AIP patients. In vitro, ALA produces reactive oxygen species (ROS) upon metal- catalyzed oxidation and can be viewed as a deleterious endogenous source of ROS, triggering oxidative damage to cell structures and organs and being involved in the initiation and promotion of cancer. Besides, the final oxidation product of ALA, the 4,5-dioxovaleric acid (DOVA) is expect to induce DNA base modifications as already shown for other reactive carbonyl derivatives. In this study we demonstrated that ALA is able to produce DNA lesions such as strand breaks in plasmid DNA, increased steady state level of 8-oxo-7,8- dihydro-2\'-deoxyguanosine and 5-hydroxy-2´-deoxycytidine in rat organs DNA of ALA-treated rats and increased formation of several modified DNA bases in calf thymus DNA. 4,5-Dioxovaleric acid was showed to react with 2\'-deoxyguanosine and isolated calf thymus DNA through Schiff?s base formation to produce two diastereisomeric adducts. Aminolevulinic acid and DOVA were able to increase mutagenicity of the S. typhimurim strain TA104 and induce SOS response in E. coli PQ37. The mitochondrial and nuclear DNA damage were also detected by quantitative polymerase chain reaction technique in transformed human fibroblasts treated with ALA. All these data provide additional information on the genotoxic potential of ALA and reinforce the hypothesis that ALA may be involved in the induction of HCC in symptomatic AIP patients.

Para otimizar um modelo experimental para o estudo do desbalanço redox em porfirias relacionadas ao acúmulo de ácido 5-aminolevulínico-(ALA), via inibição da ALA desidratase-(ALA-D), ratos foram tratados com o éster metílico de succinilacetona-(SAME), um catabólito da tirosina que inibe fortemente a ALA-O, mimetízando o estado metabólico observado nos portadores de portirias e tirosinemias. Estabeleceram-se modelos de tratamento agudo por 36 e 18 h. No primeiro, os animais receberam 3 injeções de SAME (10, 40 ou 80 mg/kg, grupos Ali-IV). No segundo, os animais receberam 3 injeções de 40 mg/kg de SAME, ALA ou éster metílico de ALA (grupos BII-IV), ALA:SAME (30: 10 mg/kg, grupo BV), ou 10 mg/kg SAME (grupo BVI). Paralelamente, avaliou-se se os sintomas neurológicos característicos das portirias decorriam de danos oxidativos mitocondriais. Para isso, aplicou-se uma tecnologia óptica para medidas da difusão da depressão cortical que determinou a oxigenação e o estado redox do cit c em mitocôndrias do córtex cerebral de ratos submetidos ao tratamento crônico com ALA (40 mg/kg), SAME (10 e 40 mg/kg) e ALA:SAME (30: 1O mg/kg), a cada 48 h, durante 30 dias. Tratamento agudo/36 h: Os níveis de ALA no plasma, fígado, cérebro e urina e o clearance renal do ALA aumentaram nos grupos tratados. A atividade de ALA-D e a coproporfirina urinária reduziram. A marcação para proteínas carboniladas, ferro e ferritina aumentou no fígado e cérebro dos grupos tratados, especialmente no All. Os níveis de malondialdeído hepático aumentaram no grupo AIV. A razão GSH/GSH+GSSG e a atividade de GPx cerebrais aumentaram nos grupos AIV e AIII, respectivamente. Consistentemente com estes dados indicando um desbalanço oxidativo induzido pelo SAME, alterações mitocondriais e citosólicas ultraestruturais foram reveladas, especialmente no fígado. Tratamento agudo/18 h: Os níveis de ALA plasmáticos aumentaram nos grupos tratados, exceto em BIV. O grupo BII mostrou aumento dos níveis hepáticos de ALA. Interessantemente, a inibição da atividade de ALA-D não foi evidenciada. O conteúdo de ferro plasmático aumentou no grupo BII. Para os grupos tratados com 10 e 40 mg SAME/kg, a atividade de SOD hepática reduziu ~50% com a extensão do tratamento de 18 para 36 h, sugerindo que este último é mais efetivo em promover danos oxidativos induzidos pelo ALA. Tratamento crônico/30 dias: Embora nenhuma alteração tenha sido evidenciada no estado redox dos animais tratados, o tratamento com ALA reduziu o fluxo sanguíneo cerebral (CBF) e o consumo de oxigênio-(CMRO2), sugerindo uma vasoconstrição mediada pelo ALA, efeito este confirmado por ensaios de reatividade vascular conduzidos em anéis de aorta de ratos incubados com ALA. O tratamento com ALA:SAME restaurou os níveis de CBF e CMRO2. Interessantemente, a disponibilidade do radical superóxido-(O2•-) estava reduzida nos anéis de aorta incubados com ALA. Juntos, estes dados: a)validam o modelo de tratamento agudo/36 h para o estudo bioquímico e dos possíveis efeitos fisiológicos induzidos pelo ALA, e b)sugerem que as alterações mediadas pelo ALA exógeno levam à vasoconstrição. / To optimize an experimental model for studying redox imbalance in porphyrias related to 5-aminolevulinic acid (ALA) accumulation through the inhibition of ALA dehydratase (ALA-D), rats were treated with methyl ester of succinylacetone (SAME), a tyrosine catabolite that strongly inhibits ALA-D, what mimics the metabolic state observed in patients suffering from porphyrías and tyrosinemias. Models of acute treatment were established during 36 and 18 h. In the first model, animals received 3 injections of SAME (10, 40 or 80 mg/kg, groups Ali-IV). In the second model, animals received 3 injections of 40 mg/kg SAME, ALA or methyl ester of ALA (groups BII-IV), ALA:SAME (30:10 mg/kg, group BV), or 10 mg/kg SAME (group BVI). Concomitantly, we evaluated if the neurologic symptoms characteristics of porphyrias were a consequence of the oxidative mitochondrial impairment. For this, an optical technology for the measurement of cortical spreading depression was applied. This techonology determined the cerebral oxygenation and the redox state of cit c in mitochondria of the cerebral cortex of rats submitted to a chronic treatment with ALA (40 mg/kg), SAME (10 and 40 mg/kg) and ALASAME (30:10 mg/kg), alternate days, during 30 days. Acute treatment/36 h: ALA levels in plasma, liver and urine and clearance of renal ALA increased in treated groups. ALA-D activities and urinary coproporphyrin were found to be decreased. Liver and brain proteins carbonyl, iron and ferritin were higher in the liver of treated groups, especially in All. Liver malondialdehyde levels were higher in group AIV. Cerebral GSH/GSH+GSSG ratio and GPx activities increased in groups AIV and AIII, respectively. Consistently with these data indicating SAME-induced oxidative imbalance, mitochondrial and cytosolic ultrastructural changes were revealed, especially in the liver. Acute treatment/18 h: Plasma ALA levels increased in all treated groups but BIV. Group BII showed increased hepatic ALA levels. Interestingly, inhibition in ALA-D activities was not evidenced. Plasma iron content increased in group BII. For the groups treated with 10 and 40 mg SAME/kg, liver SOD activities reduced ~50% by extending the treatment from 18 to 36 h, suggesting that the latter is more effective in ALA-induced oxidative damage. Chronic treatment /30 days: Despite no changes in the redox state of treated animals were observed, the treatment with ALA reduced the cerebral blood flow (CBF) and the consumption of oxygen (CMRO2), suggesting a vasoconstriction mediated by ALA. This effetc was confirmed by vascular reactivity assay performed in aortic rings of rats incubated with ALA. The treatment with ALA:SAME recovered the CBF and CMRO2 levels. Interestingly, the availability of superoxide radical (O2•-) was reduced in the aortic rings incubated with ALA. Altogether, these data a) validate the model of acute treatment/36 h for studying biochemical and possibly physiological effects induced by ALA, and b)suggest that the changes mediated by exogenous ALA lead to vasoconstriction.

Para otimizar um modelo experimental para o estudo do desbalanço redox em porfirias relacionadas ao acúmulo de ácido 5-aminolevulínico-(ALA), via inibição da ALA desidratase-(ALA-D), ratos foram tratados com o éster metílico de succinilacetona-(SAME), um catabólito da tirosina que inibe fortemente a ALA-O, mimetízando o estado metabólico observado nos portadores de portirias e tirosinemias. Estabeleceram-se modelos de tratamento agudo por 36 e 18 h. No primeiro, os animais receberam 3 injeções de SAME (10, 40 ou 80 mg/kg, grupos Ali-IV). No segundo, os animais receberam 3 injeções de 40 mg/kg de SAME, ALA ou éster metílico de ALA (grupos BII-IV), ALA:SAME (30: 10 mg/kg, grupo BV), ou 10 mg/kg SAME (grupo BVI). Paralelamente, avaliou-se se os sintomas neurológicos característicos das portirias decorriam de danos oxidativos mitocondriais. Para isso, aplicou-se uma tecnologia óptica para medidas da difusão da depressão cortical que determinou a oxigenação e o estado redox do cit c em mitocôndrias do córtex cerebral de ratos submetidos ao tratamento crônico com ALA (40 mg/kg), SAME (10 e 40 mg/kg) e ALA:SAME (30: 1O mg/kg), a cada 48 h, durante 30 dias. Tratamento agudo/36 h: Os níveis de ALA no plasma, fígado, cérebro e urina e o clearance renal do ALA aumentaram nos grupos tratados. A atividade de ALA-D e a coproporfirina urinária reduziram. A marcação para proteínas carboniladas, ferro e ferritina aumentou no fígado e cérebro dos grupos tratados, especialmente no All. Os níveis de malondialdeído hepático aumentaram no grupo AIV. A razão GSH/GSH+GSSG e a atividade de GPx cerebrais aumentaram nos grupos AIV e AIII, respectivamente. Consistentemente com estes dados indicando um desbalanço oxidativo induzido pelo SAME, alterações mitocondriais e citosólicas ultraestruturais foram reveladas, especialmente no fígado. Tratamento agudo/18 h: Os níveis de ALA plasmáticos aumentaram nos grupos tratados, exceto em BIV. O grupo BII mostrou aumento dos níveis hepáticos de ALA. Interessantemente, a inibição da atividade de ALA-D não foi evidenciada. O conteúdo de ferro plasmático aumentou no grupo BII. Para os grupos tratados com 10 e 40 mg SAME/kg, a atividade de SOD hepática reduziu ~50% com a extensão do tratamento de 18 para 36 h, sugerindo que este último é mais efetivo em promover danos oxidativos induzidos pelo ALA. Tratamento crônico/30 dias: Embora nenhuma alteração tenha sido evidenciada no estado redox dos animais tratados, o tratamento com ALA reduziu o fluxo sanguíneo cerebral (CBF) e o consumo de oxigênio-(CMRO2), sugerindo uma vasoconstrição mediada pelo ALA, efeito este confirmado por ensaios de reatividade vascular conduzidos em anéis de aorta de ratos incubados com ALA. O tratamento com ALA:SAME restaurou os níveis de CBF e CMRO2. Interessantemente, a disponibilidade do radical superóxido-(O2•-) estava reduzida nos anéis de aorta incubados com ALA. Juntos, estes dados: a)validam o modelo de tratamento agudo/36 h para o estudo bioquímico e dos possíveis efeitos fisiológicos induzidos pelo ALA, e b)sugerem que as alterações mediadas pelo ALA exógeno levam à vasoconstrição. / To optimize an experimental model for studying redox imbalance in porphyrias related to 5-aminolevulinic acid (ALA) accumulation through the inhibition of ALA dehydratase (ALA-D), rats were treated with methyl ester of succinylacetone (SAME), a tyrosine catabolite that strongly inhibits ALA-D, what mimics the metabolic state observed in patients suffering from porphyrías and tyrosinemias. Models of acute treatment were established during 36 and 18 h. In the first model, animals received 3 injections of SAME (10, 40 or 80 mg/kg, groups Ali-IV). In the second model, animals received 3 injections of 40 mg/kg SAME, ALA or methyl ester of ALA (groups BII-IV), ALA:SAME (30:10 mg/kg, group BV), or 10 mg/kg SAME (group BVI). Concomitantly, we evaluated if the neurologic symptoms characteristics of porphyrias were a consequence of the oxidative mitochondrial impairment. For this, an optical technology for the measurement of cortical spreading depression was applied. This techonology determined the cerebral oxygenation and the redox state of cit c in mitochondria of the cerebral cortex of rats submitted to a chronic treatment with ALA (40 mg/kg), SAME (10 and 40 mg/kg) and ALASAME (30:10 mg/kg), alternate days, during 30 days. Acute treatment/36 h: ALA levels in plasma, liver and urine and clearance of renal ALA increased in treated groups. ALA-D activities and urinary coproporphyrin were found to be decreased. Liver and brain proteins carbonyl, iron and ferritin were higher in the liver of treated groups, especially in All. Liver malondialdehyde levels were higher in group AIV. Cerebral GSH/GSH+GSSG ratio and GPx activities increased in groups AIV and AIII, respectively. Consistently with these data indicating SAME-induced oxidative imbalance, mitochondrial and cytosolic ultrastructural changes were revealed, especially in the liver. Acute treatment/18 h: Plasma ALA levels increased in all treated groups but BIV. Group BII showed increased hepatic ALA levels. Interestingly, inhibition in ALA-D activities was not evidenced. Plasma iron content increased in group BII. For the groups treated with 10 and 40 mg SAME/kg, liver SOD activities reduced ~50% by extending the treatment from 18 to 36 h, suggesting that the latter is more effective in ALA-induced oxidative damage. Chronic treatment /30 days: Despite no changes in the redox state of treated animals were observed, the treatment with ALA reduced the cerebral blood flow (CBF) and the consumption of oxygen (CMRO2), suggesting a vasoconstriction mediated by ALA. This effetc was confirmed by vascular reactivity assay performed in aortic rings of rats incubated with ALA. The treatment with ALA:SAME recovered the CBF and CMRO2 levels. Interestingly, the availability of superoxide radical (O2•-) was reduced in the aortic rings incubated with ALA. Altogether, these data a) validate the model of acute treatment/36 h for studying biochemical and possibly physiological effects induced by ALA, and b)suggest that the changes mediated by exogenous ALA lead to vasoconstriction.