Efectos nocivos del herbicida paraquat

El herbicida paraquat (PQ) se ha informado cada vez más en estudios epidemiológicos por aumentar el riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson (EP). Además, los estudios de casos y controles informan que los individuos con variantes genéticas en el transportador de dopamina (DAT, SLC6A) tienen un mayor riesgo de EP cuando se exponen a PQ. Sin embargo, sigue siendo un tema de debate si la PQ puede ingresar a las neuronas de dopamina (DA) a través de DAT. Presentamos aquí un mecanismo por el cual PQ es transportado por DAT: en su estado catiónico divalente nativo, PQ 2+ no es un sustrato para DAT; sin embargo, cuando se convierte al catión monovalente PQ +ya sea por un agente reductor o NADPH oxidasa en la microglía, se convierte en un sustrato para DAT y se acumula en las neuronas DA, donde induce estrés oxidativo y citotoxicidad. La función DAT alterada en células cultivadas y ratones mutantes atenuó significativamente la neurotoxicidad inducida por PQ +. Además de DAT, PQ + también es un sustrato para el transportador de cationes orgánicos 3 (Oct3, Slc22a3), que se expresa abundantemente en células no DA en las regiones nigroestriatales. En ratones con deficiencia de Oct3, se detectó un aumento del daño estriatal después del tratamiento con PQ. Esta mayor sensibilidad probablemente se deba a una reducción de la capacidad de almacenamiento en búfer de las células que no son DA, lo que conduce a más PQ +estando disponible para la captación por las neuronas DA. Este estudio proporciona un mecanismo por el cual DAT y Oct3 modulan el daño nigroestriatal inducido por el ciclo redox de PQ 2+ / PQ +.

The herbicide paraquat (PQ) has increasingly been reported in epidemiological studies to enhance the risk of developing Parkinson's disease (PD). Furthermore, case-control studies report that individuals with genetic variants in the dopamine transporter (DAT, SLC6A) have a higher PD risk when exposed to PQ. However, it remains a topic of debate whether PQ can enter dopamine (DA) neurons through DAT. We report here a mechanism by which PQ is transported by DAT: In its native divalent cation state, PQ2+ is not a substrate for DAT; however, when converted to the monovalent cation PQ+ by either a reducing agent or NADPH oxidase on microglia, it becomes a substrate for DAT and is accumulated in DA neurons, where it induces oxidative stress and cytotoxicity. Impaired DAT function in cultured cells and mutant mice significantly attenuated neurotoxicity induced by PQ+. In addition to DAT, PQ+ is also a substrate for the organic cation transporter 3 (Oct3, Slc22a3), which is abundantly expressed in non-DA cells in the nigrostriatal regions. In mice with Oct3 deficiency, enhanced striatal damage was detected after PQ treatment. This increased sensitivity likely results from reduced buffering capacity by non-DA cells, leading to more PQ+ being available for uptake by DA neurons. This study provides a mechanism by which DAT and Oct3 modulate nigrostriatal damage induced by PQ2+/PQ+ redox cycling.

Se descubrió que el pesticida paraquat (PQ) es un xenobiótico adecuado para modelar la enfermedad de Parkinson. Se sugirió que la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) era la principal causa de toxicidad de PQ, pero se encontraron muy pocas evidencias de su generación en el cerebro in vivo después de la administración ip. Comparamos los efectos de la generación de ROS inducida por PQ entre las estructuras cerebrales y los tejidos periféricos utilizando dos marcadores de generación de radicales hidroxilos diferentes. La administración ip repetida pero no única de PQ aumentó los niveles de ROS en los homogeneizados estriatales pero, cuando se midió en el filtrado de microdiálisis extracelular, no se observó ningún cambio. El aumento de la liberación de dopamina se detectó en el cuerpo estriado después de la cuarta administración de PQ y sus niveles basales disminuyeron. Un solo tratamiento con el pesticida no influyó en la producción de ROS en los pulmones o los riñones, pero la intoxicación repetida disminuyó sus niveles. Estos resultados sugieren que la administración sistémica repetida de una dosis baja de PQ desencadena la formación de ROS intracelulares en el cerebro y puede causar procesos degenerativos que progresan lentamente, sin los efectos tóxicos en los tejidos periféricos.

The pesticide paraquat (PQ) was found to be a suitable xenobiotic to model Parkinson’s disease. The reactive oxygen species (ROS) production was suggested to be the main cause of PQ toxicity but very few evidences were found for its generation in the brain in vivo after ip administration. We compared the effects of PQ-induced ROS generation between the brain structures and the peripheral tissues using two different hydroxyl radical generation markers. Repeated but not single ip PQ administration increased the levels of ROS in the striatal homogenates but, when measured in the extracellular microdialysis filtrate, no change was observed. The increased dopamine release was detected in the striatum after the fourth PQ administration and its basal levels were decreased. A single treatment with the pesticide did not influence ROS production in the lungs or kidneys but repeated intoxication decreased its levels. These results suggest that repeated, systemic administration of a low dose of PQ triggers intracellular ROS formation in the brain and can cause slowly progressing degenerative processes, without the toxic effects in the peripheral tissues. 

Los herbicidas son tóxicos para los anfibios e influyen en varias etapas de su desarrollo. En particular, el paraquat y el glifosato tienen efectos teratogénicos sobre el desarrollo de renacuajos, aunque hay poca información disponible sobre cómo afectan la reproducción en anfibios. En el presente trabajo se incubaron in vitro tejido ovárico y testículos de la rana de agua Rana esculenta en presencia de diferentes concentraciones de los dos herbicidas. Se midieron los niveles de 17b-estradiol y testosterona en el medio de incubación mediante radioinmunoensayo. Los datos mostraron que el Paraquat inhibió la producción de testosterona y 17b-estradiol, con la concentración de efecto observado más bajo (LOEC) de 104M, mientras que la inhibición de la esteroidogénesis por parte del Paraquat en las gónadas de anfibios fue revertida por la presencia de galato de epigalocatequina en el medio de cultivo. Estos resultados indican que el Paraquat actúa sobre la esteridogénesis gonadal a través de un mecanismo que involucra especies reactivas de oxígeno. El glifosato no mostró estos sefecto sobre la esteroidogénesis gonadal. Estos resultados sugieren que el Paraquat puede interferir en los procesos reproductivos de los anfibios.

Herbicides are toxic for amphibians, influencing various developmental stages. In particular, paraquat and glyphosate have teratogenic effects on tadpole development, though little information is available on how they affect reproduction in amphibians. In the present work, ovarian tissue and testis of the water frog Rana esculenta were incubated in vitro in presence of different concentrations of the two herbicides.17b-estradiol and testosterone levels were measured in the incubation medium by radioimmunoassay. The data showed that paraquat inhibited testosterone and 17b-estradiol production, with the lowest-observed-effect concentration (LOEC) of 104M, while paraquat inhibition of steroidogenesis in amphibian gonads was reversed by the presence of epigallocatechin gallate in the culture medium. These results indicates that paraquat acts on gonadal steridogenesis through a mechanism involving reactive oxygen species. Glyphosate showed no effect on gonadal steroidogenesis. These results suggest that paraquat may interfere in amphibian reproductive processes.

El paraquat (dicloruro de 1,1′-dimetil-4, 4′-bipiridinio), un herbicida no selectivo, alguna vez se usó ampliamente en América del Norte y todavía se usa en algunos países, incluido EE. UU. Es extremadamente tóxico en animales y humanos después de una exposición aguda. Aunque hay poca evidencia de que el paraquat sea un carcinógeno, la exposición se ha asociado con algunos tipos de cáncer en humanos, incluidos el melanoma, la leucemia y los cánceres de pene, cuello uterino y pulmón. Examinamos la relación entre la incidencia de cáncer y la exposición de por vida al paraquat entre 56,222 aplicadores de pesticidas con licencia de Iowa y Carolina del Norte inscritos en el Estudio de salud agrícola. Se utilizó la regresión de Poisson para calcular las razones de tasas (RR) y los intervalos de confianza (IC) del 95% entre los usuarios de paraquat en comparación con los no usuarios, mientras se ajustaban los posibles factores de confusión. No hubo riesgo de cáncer en general, ni de ninguno de los cánceres sugeridos por estudios epidemiológicos anteriores. Sin embargo, el riesgo de linfoma no Hodgkin (LNH) fue significativamente elevado (RR = 1,51, [IC 95% = 1,01–2,26]) cuando comparamos a los que alguna vez usaron paraquat con los que nunca usaron paraquat. Entre los 24,665 aplicadores (43.9%) que proporcionaron información más detallada sobre la exposición al paraquat, aquellos en el tercil más alto de días de exposición de por vida (LE) y días de exposición de por vida ponderados por intensidad (IWLE) para el paraquat tenían un mayor riesgo de LNH, pero los RR no fueron significativos (RR = 1,74 [0,69–4,42] para LE; RR = 1,86 [0,68–5,11] para IWLE, respectivamente) y no hubo una tendencia de exposición-respuesta significativa. Aunque encontramos alguna evidencia de un vínculo entre la exposición al paraquat y el NHL en este estudio.

Paraquat (1,1′-dimethyl-4, 4′-bipyridinium dichloride), a nonselective herbicide, was once widely used in North America and is still used in some countries including the U.S.A. It is extremely toxic in animals and humans after acute exposure. Although there is little evidence that paraquat is a carcinogen, exposure has been associated with some types of cancer in humans, including melanoma, leukemia, and cancers of the penis, cervix and lung. We examined the relationship between cancer incidence and lifetime exposure to paraquat among 56,222 licensed pesticide applicators from Iowa and North Carolina enrolled in the Agricultural Health Study. Poisson regression was used to calculate rate ratios (RRs) and 95% confidence intervals (CIs) among paraquat users compared to non-users, while adjusting for potential confounders. There was no risk for cancer overall, nor for any of the cancers suggested by earlier epidemiologic studies. However, risk for non-Hodgkin’s lymphoma (NHL) was significantly elevated (RR=1.51, [95% CI=1.01–2.26]) when we compared those who ever used paraquat to those who never used paraquat. Among the 24,665 applicators (43.9%) who provided more detailed paraquat exposure information, those in the highest tertile of lifetime exposure-days (LE) and intensity-weighted lifetime exposure-days (IWLE) for paraquat had an increased risk of NHL, but the RRs were not significant (RR=1.74 [0.69–4.42] for LE; RR=1.86 [0.68–5.11] for IWLE, respectively) and there was not a significant exposure-response trend. Although we found some evidence for a link between paraquat exposure and NHL in this study, we cannot rule out the possibility that this is a chance finding.

El paraquat (1,1′-dimetil-4,4′-bipiridinio, PQ) es un herbicida que posiblemente induzca la enfermedad de Parkinson (EP), ya que se ha encontrado una fuerte correlación entre la incidencia de la enfermedad y la cantidad de PQ utilizada. En este estudio, examinamos la toxicidad de PQ en cultivos de cortes organotípicos de cerebro medio de rata. La dosis de PQ redujo de forma dependiente el número de neuronas dopaminérgicas en cortes cultivados. Dado que GBR-12909 previno este daño, el transportador de dopamina podría ser un paso inicial de la neurotoxicidad dopaminérgica inducida por PQ. Los tratamientos secuenciales con dosis más bajas de PQ y 1-metil-4-fenil piridinio (MPP), donde cada dosis sola no era letal, mataron notablemente las neuronas de dopamina, lo que sugiere que la exposición de una dosis más baja de PQ podría conducir a la vulnerabilidad de las neuronas dopaminérgicas. Esta muerte celular fue evitada por los inhibidores de NMDA, óxido nítrico sintasa (NOS), cicloheximida y cascada de caspasa. Las neuronas que expresan NOS se identificaron dentro y alrededor de las regiones donde estaban empaquetadas las neuronas de dopamina. La muerte celular inducida por los tratamientos secuenciales con agonistas de PQ y MPP-deprenil y dopamina D2 / 3. Estos resultados apoyan firmemente que la exposición constante a niveles bajos de PQ conduciría a la vulnerabilidad de las neuronas dopaminérgicas en el sistema nigroestriatal por la vía excitotóxica y podría potenciar la neurodegeneración causada por la exposición a otras sustancias y el envejecimiento.

Paraquat (1,1′-dimethyl-4,4′-bipyridinium, PQ) is a herbicide to possibly induce Parkinson's disease (PD), since a strong correlation has been found between the incidence of the disease and the amount of PQ used. In this study, we examined PQ toxicity in rat organotypic midbrain slice cultures. PQ dose dependently reduced the number of dopaminergic neurons in cultured slices. Since this damage was prevented by GBR-12909, the dopamine transporter could be an initial step of the PQ induced dopaminergic neurotoxicity. The sequential treatments with lower PQ and 1-methyl-4-phenyl pyridinium (MPP) doses, where each dose alone was not lethal, markedly killed dopamine neurons, suggesting that the exposure of a lower dose of PQ could lead to the vulnerability of dopaminergic neurons. This cell death was prevented by the inhibitors of NMDA, nitric oxide synthase (NOS), cycloheximide and caspase cascade. Neurons expressing NOS were identified inside and around the regions where dopamine neurons were packed. The cell death induced by the sequential treatments with PQ and MPP-deprenyl and dopamine D2/3 agonists. These results strongly support that the constant exposure to low levels of PQ would lead to the vulnerability of dopaminergic neurons in the nigrostriatal system by the excitotoxic pathway, and might potentiate neurodegeneration caused by the exposure of other substances and aging.

En este estudio, los autores exploraron la intoxicación aguda por paraquat y determinaron los factores potenciales relacionados con las muertes por paraquat. Durante 1999, 154 pacientes con intoxicación por paraquat fueron admitidos en el Instituto de Envenenamiento por Plaguicidas del Hospital Chunan de la Universidad de Soonchunhyang. Los autores evaluaron la exposición al paraquat cuantificando la cantidad de paraquat ingerido y mediante un ensayo semicuantitativo de paraquat en la orina. Los resultados de la intoxicación por paraquat se clasificaron como recuperación o muerte. Entre todos los pacientes, 139 (90,3%) fueron trasladados de otras instalaciones médicas al Instituto de Envenenamiento por Plaguicidas después de un tiempo de exposición medio de 20,1 horas (desviación estándar = 2,6 horas). La ingestión intencional de paraquat representó el 73,4% (113/154 pacientes) de todas las intoxicaciones por paraquat, y representó una tasa de mortalidad significativamente mayor (53,2%) que la ingestión accidental (19,1% [p <0,001]). La letalidad global por paraquat fue del 43,8%. El análisis de regresión logística múltiple reveló que el riesgo de muerte aumentó significativamente con (1) la cantidad de paraquat ingerido y (2) una prueba de paraquat urinaria positiva. Los resultados indicaron que el paraquat es potencialmente letal en humanos y el riesgo de muerte está directamente relacionado con la cantidad ingerida y absorbida.

In this study, the authors explored acute paraquat intoxication and determined potential factors related to paraquat fatalities. During 1999, 154 patients with paraquat intoxication were admitted to the Institute of Pesticide Poisoning at the Soonchunhyang University Chunan Hospital. The authors assessed paraquat exposure by quantifying the amount of ingested paraquat and by semiquantitative assay of paraquat in urine. Outcomes of paraquat intoxication were categorized as recovery or death. Among all the patients, 139 (90.3%) were transferred from other medical facilities to the Institute of Pesticide Poisoning following a mean exposure time of 20.1 hr (standard deviation = 2.6 hr). Intentional ingestion of paraquat accounted for 73.4% (113/154 patients) of all paraquat poisonings, and it represented a significantly higher fatality rate (53.2%) than did accidental ingestion (19.1 % [p < .001]). The overall paraquat fatality was 43.8%. Multiple logistic-regression analysis revealed that the risk of fatality increased significantly with (1) the quantity of paraquat ingested and (2) a positive urinary paraquat test. The results indicated that paraquat is potentially lethal in humans, and the risk of fatality is directly related to the amount ingested and absorbed.

El herbicida paraquat es considerado seguro por la industria y la mayor parte de los reguladores en todo el mundo. Sin embargo, los determinantes de la exposición de hace 30 años persisten en los países en desarrollo. Se sabe poco sobre la absorción sistémica de las exposiciones ocupacionales. No son claras las relaciones entre los determinantes de la exposición, los niveles de exposición externa, los biomarcadores de exposición y los resultados. Se han documentado altas tasas de intoxicaciones agudas graves. Además, las lesiones tópicas ocurren en hasta el 50% de los trabajadores expuestos. Las poblaciones no trabajadoras también están en riesgo, especialmente los niños. Los efectos a largo plazo y retardados a la salud incluyen enfermedad de Parkinson, efectos pulmonares y cáncer de piel. Las agencias reguladoras no han reconocido plenamente ni la toxicidad inherente del paraquat ni los riesgos particulares derivados de la exposición en los países en desarrollo. Para prevenir los efectos adversos de los plaguicidas peligrosos en las poblaciones susceptibles se requiere de una evaluación de riesgos independiente, el contexto del país y la aplicación del principio de precaución.

The herbicide, paraquat is considered safe by industry and the bulk of regulators worldwide. However, determinants of exposure from 30 years ago persist in developing countries. Little is known about systemic absorption from occupational exposures. The relationships between exposure determinants, levels of external exposure, biomarkers of exposure, and outcomes are not clear. High rates of severe acute poisonings have been documented. In addition, topical injuries occur in as many as 50% of exposed workers. Non-worker populations are also at risk, particularly children. Long-term and delayed health effects include Parkinson's disease, lung effects, and skin cancer. Regulatory agencies have not fully recognized either the inherent toxicity of paraquat or the particular risks derived from exposures in developing countries. Independent risk assessment in the developing; country context and application of the precautionary principle are necessary to prevent adverse effects of dangerous pesticides in susceptible populations.

La enfermedad de Parkinson implica depósitos intracelulares de α-sinucleína en forma de cuerpos de Lewy y neuritas de Lewy. Se desconoce la etiología de la enfermedad, sin embargo, varios estudios epidemiológicos han implicado factores ambientales, especialmente pesticidas. Aquí mostramos que varios pesticidas, incluidos la rotenona, el dieldrín y el paraquat, inducen un cambio conformacional en la α-sinucleína y aceleran significativamente la tasa de formación de fibrillas de α-sinucleína in vitro. Proponemos que los pesticidas relativamente hidrofóbicos se unen preferentemente a una conformación intermedia parcialmente plegada de α-sinucleína, lo que explica los cambios conformacionales observados y conduce a la asociación y fibrilación posterior. Estas observaciones sugieren una posible base molecular subyacente para la enfermedad de Parkinson.

Parkinson's disease involves intracellular deposits of α-synuclein in the form of Lewy bodies and Lewy neurites. The etiology of the disease is unknown, however, several epidemio-logical studies have implicated environmental factors, especially pesticides. Here we show that several pesticides, including grotenone, dieldrin and paraquat, induce a conformational change in α-synuclein and significantly accelerate the rate of formation of α-synuclein fibrils in vitro. We propose that the relatively hydrophobic pesticides preferentially bind to a partially folded intermediate conformation of α-synuclein, accounting for the observed conformational changes, and leading to association and subsequent fibrillation. These observations suggest one possible underlying molecular basis for Parkinson's disease.