Effect of Melatonin and Selenium on Reproductive System of Cadmium Given Female Rats

Abstract

Aim: Cadmium which is discovered in 1817 is a toxic heavy metal and found in phosphate fertilizers, detergents and refined petroleum and it’s one of the major components of cigarette smoking. Selenium is an element, derived from unsaturated fatty acids, thought to degrade peroxides and needed to reduce - prevent the production of free radicals. Melatonin is the major hormone of the pineal gland and it is develops an antioxidant defense system to prevent cell damage caused by free radicals in organism. In our study, it was aimed to determine whether Selenium and Melatonin show antioxidant properties on the toxicity that cadmium accumulates on tissues in the body.

Material Method: Experimental groups; control (Group I), cadmium (Cd) (Group II), melatonin (Group III), selenium (Group IV), cadmium+melatonin (Group V), cadmium+selenium (Group VI), melatonin+selenyium (Group VII) and cadmium+melatonin+selenium (Group VIII) were arranged to be 8 female rats in each group. Serum physiologic (2 mg / kg / day with gavage), cadmium (2 mg / kg / day with gavage), melatonin (3 mg / kg / day, intraperitoneal) 30 days at night (due to melatonin being active at night) were applied once a day and seleneium was applied 6 times in 30 days, 5 days a day. At the end of the experiment, over, tuba uterine and uterus tissues were taken. Some of the receiving tissues were in 10% neutral formaldehyde for histochemical and immunohistochemical evaluation and the other were in phosphate buffer for biochemical study and bloods  were taken into the EDTA tube for apoptotic cell and DNA fragmentation assay.

Results and Discussion: At the end of our study, MDA levels were increased in the over, tubal uterine and uterine tissues according to the cadmium administration group and also increase in GSPx and CAT activity values ​​was detected, similar parameters were also observed in group III, group VII, group VIII. But in group V and group VI, were found to inhibit lipid peroxidation of antioxidants and decrease MDA, GSPx and CAT levels compared to cadmium. As a result of the analysis with DNA ladder kit, DNA fragmentation and consequently apoptotic cells number were observed only in the cadmium-administered group. Histological and immunohistochemical findings gave parallel results to biochemical analyzes and DNA ladder values. in all the tissues of the cadmium group were observed; High MT-3 accumulation, damage (degeneration of ovarian follicles, haemorrhagic areas,mononuclear cell infiltration and increased connective tissue; degeneration in tuba uterina epithelium and degeneration in tubules; degeneration in the uterine epithelium, dilate fields in the endometrium layer and degeneration in the endometrial glands) and increase in E-cadherin, NCAM synthesis.When  significant improvements were observed in group  VI and group VIII, there were no improvement in the group V. We have seen that cadmium brings damage to the female genital system organs and while selenium has protective effect for  tissues from this damage, melatonin has not a protective or corrective effect but we think, the cause of this event  because of to hormonal changes of female rats and the long-term use of melatonin. At last, we hope that our work will contribute to cadmium treatment or protection and will provide a stepping stone to new ways of treatment.

Keywords

• Cadmium,Selenium,Melatonin,Methallothionein

Kadmiyum verilen dişi sıçanlarda üreme sistemi üzerine melatonin ve selenyumun etkisi

Abstract

Amaç: Fosfatlı gübrelerde, deterjanlarda ve rafine petrol türevlerinde bulunan kadmiyum, 1817 yılında keşfedilmiş toksik ağır bir metaldir ve sigaranın majör bileşenlerinden biridir. Selenyum serbest radikallerin üretimini azaltmak ve önlemek için gerekli olan, doymamış yağ asitlerinden türeyen ve peroksitleri yok ettiği düşünülen bir elementtir. Melatonin, pineal bezin majör hormonudur. Organizmada, serbest radikallerin neden olduğu hücre hasarını önlemek için antioksidan savunma sistemi geliştirir. Bu çalışmada, kadmiyumun vücutta dokularda birikerek oluşturduğu toksisite üzerine Selenyum (Se) ve Melatoninin antioksidan özellik gösterip göstermediğinin belirlenmesi amaçlandı.

Gereç-Yöntem: Deney grupları; her grupta 8 dişi sıçan olmak üzere, kontrol (Grup I), kadmiyum (Cd) (Grup II), melatonin (Grup III), selenyum (Grup IV), kadmiyum+melatonin (Grup V), kadmiyum+selenyum (Grup VI), melatonin+selenyum (Grp VII) ve kadmiyum+melatonin+selenyum (Grup VIII) şeklinde düzenlendi. Serum fizyolojik (2 mg/kg/gün; gavajla), kadmiyum (2 mg/kg/gün; gavajla), melatonin (3 mg/kg/gün; intraperitoneal) 30 gün boyunca günde bir kez, selenyum ise 5’er gün arayla 30 günde 6 kez uygulandı. Deney sonunda over, tuba uterina ve uterus dokuları alınarak, bir kısmı histokimyasal ve immünohistokimyasal değerlendirme için %10’luk nötral formaldehit içerisine, diğer kısmı ise biyokimyasal çalışma için fosfat tamponu içerisine ve kan örnekleri apopitotik hücre ve DNA fragmantasyonu tayini için EDTA’lı tüplere alındı.

Bulgular, Sonuç ve Tartışma: Çalışmamızın sonunda kadmiyum verilmesine bağlı olarak over, tuba uterina ve uterus dokularında MDA düzeylerinin kontrol grubuna göre artış gözlendi. GSPx ve CAT aktivite değerlerinde de artış saptandı. Grup III, VII ve VIII’ de benzer parametreler gözlendi. Grup V ve VI’ da ise antioksidanların lipid peroksidasyonu engellenerek MDA, GSPx ve CAT düzeylerinin kadmiyuma göre düştüğü tespit edildi. DNA ladder Kit ile yapılan analizler sonucunda sadece kadmiyum verilen grupta DNA fragmantasyonu ve buna bağlı olarak apopitotik hücre artışı gözlendi. Histolojik ve immünohistokimyasal bulgularımızda biyokimyasal analizler ve DNA Ladder değerlerine paralel sonuçlar verdi. Kadmiyum grubunun bütün dokularında hasar (overlerin foliküllerinde dejenerasyon, hemorajik alanlar, mononükleer hücre infiltrasyonu ve bağ dokusu artışı; tuba uterina’nın epitelinde dejenerasyon ve tubüllerinde dejenerasyon; uterusun epitelinde dejenerasyon, endometriyum tabakasında dilate alanlar ve endometriyal bezlerde dejenerasyon), E-kaderin, NCAM sentezinde artış ve dokularda yüksek MT-3 birikimi gözlendi. Grup VI ve VIII’ de anlamlı düzelmeler gözlemlendi, ancak grup V’te herhangi bir düzelme tespit edilemedi.

Kadmiymun dişi genital sistem organlarında hasar meydana getirdiğini, selenyumun dokuları bu hasardan korurken melatoninin herhangi bir koruyucu ya da düzeltici etkisi olmadığını gördük. Melatoninin koruyucu bir etki gösterememesinin sebebini dişi sıçanların hormonal değişimlerine ve melatoninin uzun süreli kullanımına bağlı olduğunu düşünmekteyiz. Çalışmamızın kadmiyum tedavisine ya da korumasına katkı sağlamasını ve yeni tedavi yollarına basamak teşkil edeceğini umuyoruz.

Keywords

• Kadmiyum,Selenyum,Melatonin,Metallotiyonin

References

1. 1. Ceylan S, Sanlı Y, 1980. Çevre ve Besin Kirlenmesi. Gıda Bil. Teknol. Derg, 3 (1-2), 76-92.
2. 2. Prozialeck W.C, Edwards, J.R., Woods, J.M., 2006.The Vascular Endothelium as a Target of Cadmium Toxicity. Life Sci 79 (16), 1493-1506.
3. 3. Baş L, Demet Ö. (1992). Çevresel Toksikoloji Yönünden Bazı Ağır Metaller. Ekoloji, 5; 42-46.
4. 4. Aydoğdu, N., Kanter, M., Erbas, H., Kaymak, K., 2007.Kadmiyuma Bağlı Karaciger Hasarında Taurin, Melatonin ve Asetilsisteinin Nitrik Oksit, Lipit Peroksidasyonu ve Bazı Antioksidanlar Üzerindeki Etkileri. Erciyes Tıp Dergisi (Erciyes Medical Journal), 29 (2), 089-096.
5. 5. Kolluru GK, Tamilarasan KP, Priya SG, Durgha NP, Chatterjee S. (2006). Cadmium induced endothelial dysfunction: Consequence of defective migratory pattern of endothelial cells in association with poor nitric oxide availability under cadmium challenge. Cell Biol Int.30(5):427-438.
6. 6. Wätjen W, Cox M, Biagioli M, Beyersmann D. (2002). Cadmium-induced apoptosis in C6 glioma cells: Mediation by caspase 9 activation. Biometals. 15:15–25.
7. 7. Joseph P. (2009). Mechanisms of cadmium carcinogenesis. Toxicol Appl Pharmacol. 238: 272–279.
8. 8. Siu ER, Mruk DD, Porto CS, Cheng CY. (2009). Cadmium-induced testicular injury. Toxicol Appl Pharmacol. 238: 240–249.

9. 9. Massanyi P, Toman R, Najmık F. (1995). Concentrations of Cadmium in Ovary, Oviductus, Uterus, Testis and Tunica Albuginea of Testis in Cattle. J Environ Sci Health. 30: 1685-1692.
10. 10. Massanyi P, Uhrin V, Toman R., Pivko J, Luka N, Forgacs ZS, Somosy Z, Fabi M, Danko J. (1995). Ultrastructural Changes of Ovaries in Rabbits Following Cadmium Administration. Acta Vet. Brno. 74: 29–35.
11. 11. Paksy K, Rajczy K, Forgács Z, Lázár P, Bernard A, Gáti I, Kaáli GS. (1997). Effect of cadmium on morphology and steroidogenesis of cultured human ovarian granulosa cells. J Appl Toxicol. 17(5):321-327.
12. 12. Malik AB, Lo SK, Vascular endothelial adhesion molecules and tissue inflammation Pharmacol Rev1996; 48: 213-29.
13. 13. Jung U, Ley K, Mice lacking two or all three selectins demonstrate overlapping and distinct functions for each selectin. J Immunol1999; 162: 6755-62.
14. 14. Cabadak H. Hücre Siklusu ve Kanser. ADÜ Tıp Fak Der 2008; 9 (3): 51-61.
15. 15. Miller L.L, Wang F, Palace V.P, and Hontela A. 2007. "Effects of Acute and Subchronic Exposure to Waterborne Selenite on the Physiological Stress Response and Oxidative Stress Indicators in Juvenile Rainbow trout", Aquatic Toxicology, 83, 263-271.
16. 16. Fox, M. J., 1992.Selenium: Nutritional Implications and Prospects for Therapeutic Medicine. Meth Find Exp Clin Pharmacol, 14 (4), 275- 287.
17. 17. Simonoff, M., Sergeant, C., Garnier, N., Moretto, P., Llabador, Y., Smonoff, G., Conri, C., 1992.Antioxidant Status (Selenium, Vitamins A and E) and Aging. Exs, 62, 368-97.
18. 18. Çetin, E. 2005."Melatonin ve Bağışıklık Sistemi", Erciyes Üniv Vet Fak Derg, 2(2), 119-123.
19. 19. Erdem, M, Bostan, B, Güneş, T, Özkan, F, Şen, C, Özyurt, H, Köseoğlu, D.R, Erdoğan, H. 2010. "Protective effects of melatonin on ischemia-reperfusion injury of skeletal muscle", Eklem Hastalıkları ve Cerrahisi, 21(3), 166-171.
20. 20. Stajn A, Zikic R.V, Ognjanovic B, Saicic Z.S, Pavlovic S.Z, Kostic M.M, Petrovic V.M. Effect of Cadmium and Selenium on the Antioxidant Defense System in Rat Kidneys. Comp. Biochem. Physiol. 1997 Vol. 117C, No. 2, pp. 167–172.
21. 21. Moğulkoç R, Kasım Baltacı A. Hipertiroidi oluşturulan ratlarda intraperitoneal melatonin uygulamasının tiroid hormonları ve testosteron salınmasına etkisi. Genel Tıp Derg 2002;12(4):129-132.
22. 22. Drapper HH, Hadley M. Melondialdehyde Determination as Index of Lipid Peroxidation. Methods Enzymol. 1990; 186: 421-431.
23. 23. Aebi H. Catalase In: Bergmeyer U, ed. Methods of enzymatic analysis. New York and London Academic Press, 1974;pp.673-677.
24. 24. Tapiero, H., Townsend, D.M, Tew, K.D., 2003. The Antioxidant Role of Selenium and Seleno-Compound. Biomedicine & Pharmacotheraphy, 57, 134-144.
25. 25. Refaiy A, Muhammad E, ElGanainy E. Semiquantitative Smoothelin Expression in Detection of Muscle İnvasion in Transurethral Resection and Cystectomy Specimen in Cases of Urinary Bladder Carcinoma. African Journal of Urology, Vol. 17, No. 1, 6-10, 2011
26. 26. Boğa A. Ağır Metallerin Özellikleri ve Etki Yolları. 16:218, 2007
27. 27. Olszowski T, Barana-Bosiacka I, Gutowska I, Chlubek D. Pro-inflammatory properties of cadmium. Acta ABP Biochimica Polonica Vol. 59, No 4/2012 475-482.
28. 28. Siu R. Erica, Mruk D. Dolores, Porto S. Catarina, Cheng C. Yan. Cadmium-induced testicular injury. Toxicology and Applied Pharmacology. 238 (2009): 240-249.
29. 29. Tran D, Moody A.J, Fisher A.S., Foulkes M.E., and Jhs, A.N.,. Protective Effects of Selenium on Mercury-Induced DNA Damage in Mussel Haemocytes. Aquatic Toxicology, 2007; 84: 11-18.
30. 30. Douillet C, Bost M, Accominotti M, Borson-Chazot F, Ciavatti M. Effects of selenium and vitamin E supplements on tissue lipids, peroxides, and fatty acid distribution in experimental diabetes. Lipids1998; 33(4): 393-399.
31. 31. Erdem, M, Bostan, B, Güneş, T, Özkan, F, Şen, C, Özyurt, H, Köseoğlu, D.R, Erdoğan, H. 2010. "Protective effects of melatonin on ischemia-reperfusion injury of skeletal muscle", Eklem Hastalıkları ve Cerrahisi, 21(3), 166-171.
32. 32. Çolakoğlu N, Kükner A, Ozan E, Kara H, Koyutürk L, Kuloğlu T. Sıçan Testis Dokusunda Kadmiyum Klorür’ün Oluşturduğu Yapısak Değişiklikler ve Bu Değişiklikler Üzerine Metallothionein’in Etkileri: Elektron Mikroskobik Çalışma. F.Ü. Sağ. Bil. Tıp Derg. 2011:25(1): 05-09.
33. 33. Jia Y, Lin J, Mi y, Zhang C. Quercetin attenuates cadmium-induced oxidative damage and apoptosis in granulosa cells from chicken ovarian follicles. Reproductive Toxicology, 31 477-485, 2011.
34. 34. Ekincioğlu Z, Demir G, Güneş Dağ D, Pekmez H, Acer N, Özercan M. Reşat. Sigara Dumanının Uterusa Etkileri: Histopatolojik Bir Çalışma. Sağlık Bilimleri Dergisi 17 (2) 69-76, 2008.
35. 35. Thompson J, Bannigan J. Cadmium: Toxic effects on the reproductive system and embryo. Reproductive Toxicology 25, 304-315 2008.
36. 36. Goyer, R.A, Clarkson, W.T., 2001. Toxic Effects of Metals. Edited by: Klaassen, C.D. Casarett and Doull's Toxicology, The Basic Science of Poisons, 6th ed, McGraw-Hill, USA, 811–827.