Avaliação toxicogenética, oxidativa e ômica da  exposição ao sevoflurano: estudo experimental

Dado o seu amplo uso clínico, é fundamental avaliar os efeitos biológicos atribuíveis ao sevoflurano, um anestésico inalatório mundialmente utilizado. Nesse contexto, modelo animal constitui plataforma controlada para investigar possível toxicidade, minimizando fatores de confusão cirúrgicos, e permitindo a obtenção de achados translacionais. No presente estudo, utilizamos modelos experimentais para caracterizar, de forma integrada, os efeitos sistêmicos e órgão-específicos da exposição aguda ao sevoflurano. Camundongos e ratos foram expostos durante 2 h, por meio de sistema de inalação de baixo fluxo (40% de oxigênio), a concentrações clinicamente relevantes correspondentes à anestesia de manutenção (3,3% em camundongos e 3,5% em ratos), anestesia profunda (4,5% em camundongos e 4,8% em ratos) e concentração supraterapêutica (6,0% em ambas as espécies), além de grupo controle não exposto. Nos camundongos, as avaliações foram realizadas 2 e 24 h após anestesia. As análises tecido específicas demonstraram respostas redox e transcricionais distintas entre os órgãos. No pulmão, as concentrações de 4,5% e 6,0% reduziram a capacidade antioxidante (p=0,01), enquanto 6,0% aumentou os danos ao DNA (p=0,008), acompanhado por maior expressão gênica de Ogg1 (p=0,002) e redução de Sirt1 Pareto(p=0,004). No fígado, embora não tenham sido observadas alterações nos biomarcadores de estresse oxidativo ou danos genéticos, verificou-se modulação transcricional caracterizada por redução da expressão de Ogg1 no grupo 6,0% (p=0,0002), aumento de Cyp2e1 nas maiores concentrações (p<0,0001), aumento de Nat2 em todos os grupos expostos (p=0,001), hiperexpressão de Apoa5 em 6,0% (p=0,03) e redução de Nrf2 nas concentrações de 4,5% e 6,0% (p=0,003). No rim, a concentração de 4,5% promoveu aumento da oxidação proteica (p=0,01) e danos ao DNA (p=0,001), acompanhado por hiperexpressão de Nrf2 nas concentrações de 3,3% e 4,5% (p=0,004) e de Ppargc1α em todas as concentrações avaliadas (p=0,002). Adicionalmente, a metabolômica plasmática revelou respostas sistêmicas dependentes da concentração e do tempo. Após 2 h da exposição, a concentração de 3,3% promoveu remodelamento lipídico e modulação de oxilipinas, associados ao aumento do lactato, compatíveis com reprogramação metabólica transitória em direção ao metabolismo glicolítico. Na concentração intermediária houve depleção de ácidos graxos, acúmulo de metilglioxal, alterações no metabolismo de nucleotídeos e aumento dos danos ao DNA (p=0,01). Na maior concentração, verificaram-se depleção acentuada de metabólitos lipídicos, alterações em intermediários glicolíticos e do ciclo do ácido tricarboxílico, enriquecimento de vias relacionadas ao metabolismo de aminoácidos, homeostase redox e metabolismo do nitrogênio, além de aumento dos danos ao DNA (p=0,01). Um dia após a exposição, observou-se recuperação metabólica parcial na concentração de 3,3%, embora o aumento persistente de metilglioxal e de marcadores de estresse oxidativo sugerisse resolução incompleta, acompanhado por redução dos triglicerídeos plasmáticos (p<0,001 vs. 2 h; p=0,003 vs. controle). Na concentração de 4,5%, níveis elevados de S-lactoilglutationa indicaram ativação da via da glioxalase, enquanto a concentração de 6,0% manteve o remodelamento lipídico, a redução dos triglicerídeos (p<0,001 vs. 2 h) e a persistência dos danos ao DNA (p=0,004). Para ampliar a compreensão das alterações metabólicas imediatamente após a exposição ao sevoflurano, realizou-se metabolômica não direcionada em plasma e múltiplos tecidos de ratos. A exposição induziu remodelamento metabólico sistêmico e órgão-específico, caracterizado pelo enriquecimento consistente das vias do metabolismo do ácido linoleico e do glioxilato/dicarboxilato no plasma, acompanhado por aumento da glutationa oxidada. No pulmão, observou-se enriquecimento da biossíntese de ácidos graxos insaturados; no cérebro, alterações no metabolismo de glutamato, glutamina e triptofano; no fígado, extensa reorganização metabólica, incluindo redução de metabólitos do ciclo da ureia; e, no rim, enriquecimento das vias de glicina, serina, treonina, alanina, aspartato e glutamato, associado à redução dos níveis de taurina. As respostas de taurina e glutamina diferiram entre os tecidos, evidenciando adaptações metabólicas órgão-específicas. Em conjunto, os resultados demonstram que uma única exposição por 2 h ao sevoflurano é suficiente para induzir respostas biológicas dependentes da concentração e do tempo de avaliação, envolvendo remodelamento lipídico, alterações bioenergéticas, modulação do metabolismo de nucleotídeos, desequilíbrio redox e genotoxicidade. Concentrações próximas às utilizadas na prática clínica desencadearam adaptações metabólicas transitórias, enquanto exposições mais elevadas produziram alterações mais intensas e persistentes, incluindo danos genéticos e remodelamento metabólico multiorgânico. Esta tese fornece a primeira caracterização integrada dos efeitos metabolômicos, moleculares e toxicológicos sistêmicos e órgão-específicos do sevoflurano em modelos experimentais, estabelecendo uma base mecanística para compreender tanto os eventos iniciais desencadeados imediatamente após a exposição quanto as adaptações metabólicas relevantes ao contexto perioperatório.

Resumo (inglês)

Given its widespread clinical use, it is essential to investigate the biological effects directly attributable to sevoflurane, one of the most commonly used volatile anesthetics worldwide. In this context, experimental animal models provide a controlled platform for evaluating its potential toxicity by minimizing surgery-related confounding factors while enabling the generation of translational insights. In the present study, experimental models were used to comprehensively characterize the systemic and organ-specific effects of acute sevoflurane exposure. Mice and rats were exposed for 2 h using a low-flow inhalation system (40% oxygen) to clinically relevant concentrations corresponding to maintenance anesthesia (3.3% in mice and 3.5% in rats), deep anesthesia (4.5% in mice and 4.8% in rats), and a supratherapeutic concentration (6.0% in both species), together with an unexposed control group. In mice, evaluations were performed 2 and 24 h after anesthesia. Tissue-specific analyses revealed distinct redox and transcriptional responses among organs. In lungs, exposure to 4.5% and 6.0% reduced antioxidant capacity (p = 0.01), whereas 6.0% increased DNA damage (p=0.008), accompanied by upregulation of gene expression Ogg1 (p=0.002) and reduced Sirt1 expression (p=0.004). In the liver, although no changes were observed in oxidative stress biomarkers or genetic damage, transcriptional modulation was evident, including reduced Ogg1 expression in the 6.0% group (p=0.0002), increased Cyp2e1 expression at the higher concentrations (p<0.0001), increased Nat2 expression in all exposed groups (p=0.001), Apoa5 overexpression at 6.0% (p=0.03), and reduced Nrf2 expression at 4.5% and 6.0% (p=0.003). In kidneys, exposure to 4.5% increased protein oxidation (p=0.01) and DNA damage (p=0.001), accompanied by upregulation of Nrf2 at 3.3% and 4.5% (p=0.004) and upregulation of Ppargc1α across all exposure concentrations (p=0.002). Plasma metabolomics further demonstrated concentration- and time-dependent systemic responses. Two h after exposure, 3.3% sevoflurane induced lipid remodeling and oxylipin modulation, accompanied by increased lactate levels, consistent with transient metabolic reprogramming toward glycolytic metabolism. At the intermediate concentration, depletion of fatty acids, accumulation of methylglyoxal, alterations in nucleotide metabolism, and increased DNA damage (p=0.01) were observed. At the highest concentration, marked depletion of lipid metabolites, alterations in glycolytic and tricarboxylic acid cycle intermediates, enrichment of pathways associated with amino acid metabolism, redox homeostasis, and nitrogen metabolism, together with increased DNA damage (p=0.01), were identified. Twenty-four h after exposure, partial metabolic recovery was observed in the 3.3% group; however, the persistent elevation of methylglyoxal and oxidative stress markers suggested incomplete resolution, accompanied by reduced plasma triglyceride levels (p<0.001 vs. 2 h; p=0.003 vs. control). At 4.5%, increased Slactoylglutathione levels indicated activation of the glyoxalase pathway, whereas exposure to 6.0% maintained lipid remodeling, reduced plasma triglycerides (p<0.001 vs. 2 h), and persistent DNA damage (p=0.004). To further characterize the immediate metabolic alterations induced by sevoflurane exposure, untargeted metabolomics was performed in plasma and multiple tissues from rats. Sevoflurane exposure induced both systemic and organ-specific metabolic remodeling, characterized by consistent enrichment of linoleic acid metabolism and glyoxylate/dicarboxylate metabolism in plasma, accompanied by increased oxidized glutathione levels. In the lung, enrichment of unsaturated fatty acid biosynthesis was observed; in the brain, alterations in glutamate, glutamine, and tryptophan metabolism were identified; in the liver, extensive metabolic reorganization included reduced urea cycle metabolites; and in the kidney, enrichment of glycine, serine, threonine, alanine, aspartate, and glutamate metabolism was associated with decreased taurine levels. Tissue-specific differences in taurine and glutamine responses further highlighted distinct metabolic adaptations across organs. Collectively, these findings demonstrate that a single 2-h exposure to sevoflurane is sufficient to induce concentration- and time-dependent biological responses involving lipid remodeling, bioenergetic alterations, modulation of nucleotide metabolism, redox imbalance, and genotoxicity. Concentrations comparable to those used in clinical practice primarily elicited transient metabolic adaptations, whereas higher exposures produced more pronounced and persistent alterations, including genetic damage and multiorgan metabolic remodeling. This thesis provides the first integrated characterization of the systemic and organ-specific metabolomic, molecular, and toxicological effects of sevoflurane in experimental models, establishing a mechanistic framework for understanding both the early biological events triggered immediately after exposure and the subsequent metabolic adaptations relevant to the perioperative setting.

Palavras-chave

Sevoflurano , Genotoxicidade , Estresse oxidativo , Expressão gênica , Metabolômica , Toxicologia genética

Idioma

Português

Citação

SILVA, Mariane Aparecida Pereira. Avaliação toxicogenética, oxidativa e ômica da exposição ao sevoflurano: estudo experimental. 2026. Tese (Doutorado em Anestesiologia) - Faculdade de Medicina, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Botucatu, 2026.