A single cell study of aluminium effect on rat anterior pituitary

Abstract

O alumínio foi pela primeira vez reconhecido como um agente neurotóxico para o Homem em 1886. Uma vasta gama de efeitos tóxicos do alumínio a nível celular foi já demonstrada, no entanto permanece desconhecido o modo como o alumínio afecta as células da hipófise anterior. A exposição ocupacional a alumínio pode causar redução dos níveis séricos de prolactina, uma hormona peptídica sintetizada e secretada principalmente pelas células lactotropas hipofisárias. O principal objectivo deste trabalho foi estudar o efeito do alumínio na viabilidade celular e na actividade exocitótica em culturas de células da hipófise anterior do rato enriquecidas em lactotrofos. A quantificação das células vivas e mortas foi realizada por citometria de fluxo após dupla marcação com sondas fluorescentes. Observámos uma diminuição significativa na viabilidade celular após 30 min de exposição a 300 μM de AlCl3. Uma concentração dez vezes menor causou perda significativa de células apenas após 4 dias de exposição. Para exposições prolongadas a concentrações inferiores a 30 μM, a viabilidade celular manteve-se elevada. A morte celular induzida por alumínio parece ser precedida pela sua acumulação nas células, visto que a análise por espectrometria de absorção atómica relevou um aumento significativo de Al3 + nos lactotrofos após 1h de exposição à menor concentração com efeito na viabilidade (30 μM AlCl3). Os efeitos subletais do AlCl3 na exocitose regulada foram avaliados com recurso a métodos de electrofisiologia celular. O registo com elevada resolução das alterações de capacitância e condutância da membrana celular permitiu diferenciar eventos de fusão singelos entre vesículas de secreção e a membrana plasmática em condições espontâneas e durante estimulação. Após 24 h de exposição a 30 μM AlCl3, a resposta exocitótica à estimulação foi reprimida e verificaram-se diferenças nas propriedades dos poros de fusão. Actualmente considera-se que durante a exocitose regulada e reversível ocorre secreção do conteúdo vesicular através do poro de fusão, o qual é formado pelas membranas vesicular e plasmática. Após a exposição ao alumínio os poros de fusão, observados durante o processo de fusão reversível (“kiss-and-run”) revelaram-se mais estreitos, visto que as suas condutâncias eram inferiores às registadas durante os eventos espontâneos ocorridos em condições fisiológicas normais. Estes resultados levam os autores a sugerir que (1) concentrações subletais de alumínio tornam a exocitose regulada improdutiva, de tal modo que grandes moléculas, como a prolactina, não conseguem ser secretadas e que (2) a perda de células lactotropas hipofisárias poderá ocorrer devido a exposição a este agente neurotóxico.

ABSTRACT: Aluminium was first recognized as a human neurotoxic agent in 1886. Besides a wide range of toxic effects of aluminium have been demonstrated at cellular level, how it affects anterior pituitary cells remains unknown. It was shown that workers exposed to aluminium presented lower levels of serum prolactin, a peptide hormone mainly synthesised and secreted by anterior pituitary lactotrophs. The aim of this work was to study the aluminium effect on cell viability and regulated exocytotic activity in rat pituitary lactotrophs-enriched cultures. Dual-labeling flow cytometric assays were performed to quantify live and dead cells simultaneously. We observed a significant decrease of cell viability following 30 min-exposure of cell cultures to 300 μM AlCl3. At a ten-fold lower concentration, overt cell lost was only achieved by extending exposure time to 4 days. For continuous exposure to AlCl3 concentrations lower than 30 μM, even for prolonged periods of up to 4 days, enriched cultures of pituitary lactotrophs maintained high levels of viability. Aluminium-induced cell lost seems to be headed by its cellular accumulation, given that atomic absorption spectrometry analyses revealed a significant increase of Al3+ retention by lactotrophs after 1h-exposure to the lowest concentration with effect in viability (30 μM AlCl3). The sublethal effect of AlCl3 on the regulated exocytosis by rat pituitary lactotrophs was assessed by patch-clamp cell-attached technique. We performed high-resolution membrane capacitance and conductance measurements to resolve unitary fusion events of large dense-core vesicle with the plasma membrane under spontaneous and stimulated conditions. After 24-h exposure to 30 μM AlCl3, exocytotic response to stimulation was repressed and differences in elementary fusion pore properties were detected. The transient fusion pore of regulated exocytosis is believed to be an aqueous channel that connects and spans the vesicle and the plasma membrane, through which the content of secretory vesicle may be released. Following exposure to aluminium fusion pores, seen during reversible fusion process (kiss-and-run), appeared narrower, since they had lower conductance than that of resting values under normal physiological conditions. These results lead the authors to suggest that (1) sublethal aluminium concentrations shift the mode of regulated exocytosis to unproductive such that large cargo molecules like prolactin cannot be secreted and (2) lactotroph lost at the anterior pituitary might occur due to exposure to this neurotoxic agent.