OXIDATIVE STRESS IN THE PATHOGENESIS OF CANINE ZINC-RESPONSIVE DERMATOSIS

Zinc deficiency causes skin diseases both in humans and in animals. The underlying pathogenic mechanisms remain unclear, but a growing body of evidence indicates a role for zinc in skin protection against free radical-induced oxidative damage. The immunohistochemical expression of heat shock proteins (HSPs; Hsp27, Hsp72, Hsp73 and Hsp90), Cu/Zn superoxide dismutase (SOD), metallothionein (MT), Ki-67 antigen and active caspase-3 were evaluated in normal canine skin and in samples from eight dogs with zinc-responsive dermatosis. All investigated HSPs showed intense cytoplasmic immunostaining in the affected epidermis. Focal nuclear positivity of Hsp72 was also detected in keratinocytes. Although Cu/Zn SOD expression was similar to that observed in normal skin, MT immunoreactivity occurred in both the cytoplasm and the nucleus of basal cells in normal skin but was absent from the affected epidermis. Caspase-3 activation was also absent in the involved epidermis, which revealed a high Ki-67 index (a 3.5- to 9-fold increase compared with normal skin). These results support the hypothesis that cellular response to stress, particularly oxidative stress, is involved in the pathogenesis of skin lesions in canine zinc-responsive dermatosis. The lack of MT immunoreactivity in the affected epidermis may be indicative of low zinc levels, thus resulting in vulnerability to oxidative damage. In contrast, high expression levels of HSPs in skin during zinc deficiency may confer protection against a variety of dangerous stimuli, contributing to inhibition of apoptosis and to cell cycle regulation of proliferating keratinocytes. Resume Les carences en zinc sont responsables de dermatoses chez l‘homme comme chez l‘animal. La pathogenie sous-jacente reste obscure mais des faisceaux de presomptions indiquent que le zinc jouerait un role dans la protection cutanee contre les dommages lies a l‘oxydation des radicaux libres. L‘expression immuno-histochimique des proteines de choc thermique (HSPs) (Hsp27, Hsp72, Hsp73, Hsp90), de la superoxide dismutase Cu/Zn (SOD), de la metallothioneine (MT), du Ki-67 et de la caspase-3 active a eteevaluee dans la peau de chiens sains et sur des echantillons de huit chiens atteints de dermatose repondant au zinc. Toutes les HSPs recherchees ont montre un immunomarquage cytoplasmique intense dans l‘epiderme atteint. Une positivite nucleaire focale de l‘Hps72 a aussi ete detectee dans les keratinocytes. Bien que l‘expression de la SOD Cu/Zn soit identique a celle observee dans la peau normale, l‘immunoreactivite de la MT cytoplasmique et nucleaire des cellules basales de peau normale etait presente tandis qu‘elle etait absente dans l‘epiderme lesionnel. La caspase-3 activee etait egalement absente dans l‘epiderme atteint, qui revelait un index de Ki-67 eleve (augmentation de 3.5 a 9 fois comparee a la peau normale). Ces resultats supportent l‘hypothese que la reponse cellulaire au stress, en particulier le stress oxydatif, est impliquee dans la pathogenie des lesions cutanees des cas de dermatose repondant au zinc chez le chien. L‘absence d‘immunoreactivite de la MT dans l‘epiderme lesionnel pourrait etre une indication de faibles niveaux de zinc, resultant ainsi en une vulnerabilite aux dommages oxydatifs. D‘autre part, les taux eleves de HSPs cutanes lors de carences en zinc pourraient conferer une protection contre une variete de stimuli dangereux, contribuant ainsi a l‘inhibition de l‘apoptose et a la regulation du cycle cellulaire des keratinocytes proliferant. Resumen La deficiencia de zinc causa enfermedades de la piel tanto en humanos como en animales. Los mecanismos patogenicos que intervienen en tal proceso permanecen poco aclarados, pero se acumulan evidencias que indican un papel del zinc en la proteccion de la piel frente a radicales libres inductores de dano oxidativo. Se evaluo la expresion inmunohistoquimica de proteinas del choque por calor (HSPs) (Hsp27, Hsp72, Hsp73, Hsp90), superoxido dismutasa de Cu/Zn (SOD), metalotioneina (MT), Ki-67 y caspasa-3 activada en piel normal de perro y en muestras de ocho perros con dermatosis con respuesta a Zn. Todas las HSPs investigadas mostraron inmunotincion citoplasmica intensa en la epidermis afectada. Tambien se detecto positividad nuclear focal para Hsp72 en queratinocitos. Aunque la expresion de SOD Cu/Zn fue similar a la observada en piel normal, la inmunoreactividad de MT ocurrio tanto en el citoplasma como en el nucleo de las celulas basales en la piel normal, pero estaba ausente en la epidermis afectada. La activacion de caspasa 3 tambien estaba ausente en la epidermis afectada, la cual mostro un alto indice de expresion de Ki-67 (un aumento 3,5 a 9 veces mayor comparado con la piel normal). Estos resultados apoyan la hipotesis de que la respuesta celular a estres, particularmente el estres oxidativo, esta implicada en la patogenesis de las lesiones de la piel en la dermatosis con respuesta a Zn. La falta de inmunoreactividad de la MT en la epidermis afectada puede ser indicativa de niveles bajos de Zn, resultando asi en vulnerabilidad a dano oxidativo. Por otro lado, altos niveles de expresion de HSPs en la piel durante la deficiencia de Zn puede conferir proteccion frente a una variedad de estimulos peligrosos, contribuyendo a inhibir la apoptosis, y a la regulacion del ciclo celular de los queratinocitos proliferativos. Zusammenfassung Zinkmangel verursacht sowohl beim Menschen als auch bei Tieren Hauterkrankungen. Die zugrunde liegenden pathologischen Mechanismen sind noch unklar, obwohl immer mehr Beweise vorliegen, die Zink eine Rolle beim Schutz der Haut gegenuber oxidativen Schaden durch freie Radikale zuschreiben. Die immunhistochemische Expression von Hitzeschockproteinen (HSPs) (Hsp27, Hsp72, Hsp73, Hsp90), Cu/Zn Superoxid-Dismutase (SOD), Metallothionein (MT), Ki-67 und aktiver Caspase-3 wurden in normaler Hundehaut und in Proben von acht Hunden mit Zink-responsiver Dermatitis untersucht. Alle untersuchten HSPs zeigten eine intensive zytoplasmatische Farbung in der betroffenen Epidermis. Fokal waren die Kerne der Keratinozyten auch Hsp72 positiv. Obwohl Cu/Zn SOD Expression ahnlich war wie in normaler Haut, kam eine MT Immunreaktivitat sowohl im Zytoplasma wie auch im Kern der Basalzellen in der normalen Haut, nicht aber in der betroffenen Epidermis vor. Caspase 3 Aktivitat kam in der betroffenen Epidermis, welche einen hohen Ki-67 Index (eine 3,5 bis 9-fache Erhohung im Vergleich zu normaler Haut) aufwies, nicht vor. Diese Ergebnisse starken die Hypothese, dass die Zellantwort auf Stress, vor allem auf oxidativen Stress, in der Pathogenese der Hautveranderungen der caninen Zink-responsiven Dermatitis eine Rolle spielt. Das Fehlen der MT Immunreaktivitat in der betroffenen Epidermis kann ein Hinweis auf niedrige Zinkwerte sein, was in einer Verletzlichkeit durch oxidative Schadigung resultieren kann. Andererseits konnten bei Zinkmangel hohe Expressionswerte an HSPs in der Haut einen Schutz gegenuber verschiedenster gefahrlicher Stimuli verleihen und so zur Verhinderung der Apoptose und zur Zellzyklusregulierung der proliferierenden Keratinozyten beitragen.