Plasma and Erytrocyte Oxidative Stress Markers in Children with Frequent Breath-Holding Spells

Abstract

Background Breath-holding spells (BHS) are common non-paroxysmal events with unknown pathophysiology. BHS have been associated not only with iron deficiency anemia (IDA) but also with oxidant/antioxidant imbalance and erythrocyte injury induced by hypoxia. The present study was designed to investigate the contribution of IDA in BHS and the oxidant/antioxidant balance in children with or without IDA in BHS and compare them with healthy controls.Additionally, the study also aimed to examine the effect of the frequency of BHS attacks (mild or severe) on the oxidant/antioxidant balance and to determine the best predictive oxidant and antioxidant markers.

Materials and Methods The study included 66 children with BHS aged 6–48 months who had been followed up for a minimum period of one year between 2014 and 2018. A control group of 30 age- and gender-matched healthy children was included in the study. The patient group was divided into 2 groups (IDA and non-IDA) and these groups were compared between each other and also with the control group. The IDA group was divided into subgroups based on the frequency of BHS attacks. Blood samples were obtained within a maximum period of 24 h following the spell. Levels of protein carbonyl, nitrite, nitrate, TOS, TAS, OSI, MDA, enzyme activities of GPx, CAT,enzyme activities of erythrocyte SOD, CAT, and GPx, and the level of MDA were measured.

Results In patients with IDA, the oxidant levels increased while the antioxidant enzyme activities decreased. In all patients, the levels of MDA, carbonyl, TOS, OSI increased and the levels of TAS, activities SOD, and CAT decreased, whereas the enzyme activities of erythrocyte SOD, CAT, GPx decreased significantly compared to those of control group. Increased of erythrocyte MDA levels had 10.32, decreased enzyme activities of erythrocyte SOD levels had a 10.25, and decreased enzyme activities of erythrocyte CAT had a 5.33 times greater risk for spell.

Conclusion The results indicated that the oxidant/antioxidant balance in children with BHS was impaired in favor of oxidants at both levels, regardless of the presence of IDA and the increased frequency of BHS attacks per day. Moreover, the presence of IDA was found to be associated with increased oxidative stress in children with BHS, particularly at the erythrocyte level. Erythrocyte level; among the erythrocyte MDA oxidant parameters, erythrocyte SOD and antioxidant parameters, they are the biomarkers that show the best probability of having a BHS attack and an increase in the frequency of apnea attacks.

Zusammenfassung

Hintergrund und Ziel Respiratorische Affektkrämpfe (Breath-Holding Spells, BHS) stellen häufige nichtparoxysmale Ereignisse dar. Über die zugrunde liegenden pathophysiologische Mechanismen herrscht Unklarheit. BHS wurde mit Eisenmangelanämie, aber auch mit einem Ungleichgewicht von Pro- und Antioxidantien sowie mit hypoxiebedingter Erythrozytenschädigung in Zusammenhang gebracht. Die vorliegende Studie untersucht den Beitrag von Eisenmangelanämie zu BHS sowie das Gleichgewicht von Pro- und Antioxidantien bei BHS-Kindern mit und ohne Eisenmangelanämie im Vergleich zu gesunden Kontrollen. Ein weiteres Ziel der Studie war es zu prüfen, welchen Effekt die Häufigkeit der Affektkrämpfe (milder oder schwerer Verlauf) auf das Gleichgewicht von Pro- und Antioxidantien hat, und die besten prädiktiven Pro- und Antioxidantien-Marker zu ermitteln.

Methodik In die Studie wurden 66 Kinder mit Affektkrämpfen im Alter von 6 bis 48 Monaten aufgenommen, die zwischen 2014 und 2018 mindestens ein Jahr lang nachbeobachtet wurden. Die Kontrollgruppe der Studie bestand aus 30 nach Alter und Geschlecht gematchten gesunden Kindern. Die Patientengruppe wurde in zwei Gruppen (Eisenmangelanämie und Nicht-Eisenmangelanämie) unterteilt und diese Gruppen untereinander und mit der Kontrollgruppe verglichen. In der Eisenmangelanämie-Gruppe wurden zwei Subgruppen nach Häufigkeit des Auftretens der respiratorischen Affektkrämpfe gebildet. Im Zeitraum von maximal 24 Stunden nach einem Affektkrampf wurden Blutproben entnommen und die folgenden Konzentrationen bestimmt: Protein-Carbonyl, Nitrit, Nitrat, TOS, TAS, OSI, MDA, enzymatische Aktivität von GPx, CAT, enzymatische Aktivität von Erythrozyten-SOD, -CAT und –GPx sowie der MDA-Spiegel.

Ergebnisse Bei Patienten mit Eisenmangelanämie fand sich ein Anstieg der Oxidantien-Konzentrationen bei gleichzeitigem Abfall der antioxidativen Enzymaktivitäten. Bei allen Patienten stiegen die Spiegel von MDA, Carbonyl, TOS, OSI an und die Konzentration von TAS sowie die Aktivtäten von SOD und CAT nahmen ab. Die Enzymaktivitäten von Erythrozyten-SOD, -CAT und -GPx zeigten eine signifikante Abnahme im Vergleich zur Kontrollgruppe. Das Risiko für das Auftreten eines respiratorischen Affektkrampfes stieg um das 10,32-Fache bei erhöhten Erythrozyten-MDA-Konzentrationen, um das 10,25-Fache bei erniedrigter enzymatischer Aktivität der Erythrozyten-SOD und um das 5,33-Fache bei erniedrigter Aktivität der Erythrozyten-CAT.

Schlussfolgerung Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass das Pro-/Antioxidantien-Gleichgewicht bei Kindern mit respiratorischen Affektkrämpfen zugunsten der Oxidantien auf beiden Ebenen gestört war, und zwar unabhängig vom Bestehen einer Eisenmangelanämie und eines vermehrten Auftretens von Affektkrämpfen. Außerdem ging das Vorliegen einer Eisenmangelanämie bei Kindern mit BHS mit vermehrtem oxidativen Stress einher, insbesondere auf Erythrozytenebene.

Key words

Oxidative stress - oxidant/antioxidant balance - erythrocyte parameters - frequency of spells - iron deficiency anemia

Schlüsselwörter

Oxidativer Stress - Gleichgewicht Pro-/Antioxidantien - Erythrozytenparameter - Anfallshäufigkeit - Eisenmangelanämie

Publication History

Article published online:
10 March 2021

• References

• 1 DiMario FJ. Breath-holding spells in childhood. Curr Probl Pediatr 1999; 29: 281-300
• 2 Carman KB, Ekici A, Yimenicioglu S. et al. Breath holding spells: point prevalence and associated factors among Turkish children. Pediatr Int 2013; 55: 328-331
• 3 Colina KF, Abelson HT. Resolution of breath-holding spells with treatment of concomitant anaemia. J Pediatr 1995; 126: 395-397
• 4 Daoud AS, Batieha A, al-Sheyyab M. et al. Effectiveness of iron therapy on breath-holding spells. J Pediatr 1997; 130: 547-550
• 5 KhaledSaad MD, Hikma S, Farghaly MD. et al. Selenium and antioxidant levels decreased in blood of children with breathe holding spells. Journal of Child Neurology 2014; 29: 1339-1343
• 6 Mattie-Luksic M, Javornisky G, DiMario FJ. Assessment of stress in mothers of children with severe breath-holding spells. Pediatrics 2000; 106: 1-5
• 7 Hermann PB, Pianovski MA, Henneberg R. et al. Erythrocyte oxidative stress markers in children with sickle cell disease. J Pediatr (Rio J) 2016; 92: 394-399
• 8 Halliwell B. Reactive oxygen species and the central nervous system. J Neurochem 1992; 59: 1609-1623
• 9 Sun Y, Oberley LW, Li Y. A simple method for clinical assay of superoxide dismutase. Clin Chem 1988; 34: 497
• 10 Yagi K. Assay for serum lipid peroxide level and its clinical significance. In: Yagi K. Lipid Peroxidation. New York: AcademicPress; 1982: 223-43
• 11 Young IS, Trimble ER. Measurement of malondialdehyde in plasma by high performance liquid chromatography with fluorimetric detection. Ann Clin Biochem 1991; 28: 504-508
• 12 Moshage H, Kok B, Huizenga JR. et al. Nitrite and nitrate determinations in plasma: a critical evaluation. Clin Chem 1995; 41: 892-896
• 13 Aebi H. Catalase. In: Bergmeyer HU. Methods of enzymatic analysis. New York: Academic Press; 1974: 673-677
• 14 Calik M, Abuhandan M, Aycicek A. et al. Increased oxidant status in children with breath-holding spells. Childs Nerv Syst 2013; 29: 1015-1019
• 15 Cellerino R, Guidi G, Perona G. Plasma iron and erythrocytic glutathione peroxidase activity. A possible mechanism for oxidative haemolysis in iron deficiency anemia. Scand J Haematol 1976; 17: 111-116
• 16 Isler M, Delibas N, Guclu M. et al. Superoxide dismutase and glutathione peroxidase in erythrocytes of patients with iron deficiency anemia: effects of different treatment modalities. Croat Med J 2002; 43: 16-19
• 17 Jain R, Omanakuttan D, Singh A. et al. Effect of iron supplementation in children with breath holding spells. J Paediatr Child Health 2017; 53: 749-753
• 18 Jansson LT, Perkkiö MV, Willis WT. et al. Red cell superoxide dismutase is increased in iron deficiency anemia. ActaHaematol 1985; 74: 218-221
• 19 Kumerova A, Lece A, Skesters A. et al. Anaemia and antioxidant defence of the red blood cells. Mater Med Pol 1998; 30: 12-15
• 20 Kurtoglu E, Ugur A, Baltaci AK. et al. Effect of iron supplementation on oxidative stress and antioxidant status in iron deficiency anemia. Biol Trace Elem Res 2003; 96: 117-123
• 21 Macdougall LG. Red cell metabolism in iron deficiency anemia. The relationship between glutathione peroxidase, catalase, serum vitamin E and susceptibility of iron-deficient cell to oxidative hemolysis. J Pediatr 1972; 80: 775-782
• 22 Tomoum H, Habeeb N, Elagouza I. et al. Paediatric breath-holding spells are associated with autonomic dysfunction and iron deficiencymay play a role. Acta Paediatr 2018; 107: 653-657
• 23 VivesCorrons JL, Miguel-Garcia A, Pujades MA. et al. Increased susceptibility of microcytic red blood cells to in vitro oxidative stress. Eur J Haematol 1995; 55: 327-331
• 24 Winyard PG, Moody CJ, Jacob C. Oxidative activation of antioxidant defense. Trends Biochem Sci 2005; 8: 453-461
• 25 Yetgin S, Hincal F, Basaran N. et al. Serum selenium status in children with iron deficiency anemia. ActaHaematol 1992; 88: 185-188
• 26 Mocan H, Yildiran A, Orhan F. et al. Breath holding spells in 91 childrenandresponsetotreatmentwithiron. ArchDis Child 1999; 3: 261-262
• 27 OrhonSimsek F, Ozturk G, Erbas D. et al. Antioxidanteffect of vitamin E in thetreatment of nutritionalirondeficiencyanemia. Turk J Hematol 2006; 23: 15-24
• 28 Maciejczyk M, Szulimowska J, Taranta-Janusz K. et al. Salivary FRAP as A Marker of Chronic Kidney Disease Progression in Children. Antioxidants (Basel) 2019; 18: 8
• 29 Pearson-Smith JN, Patel M. Metabolic Dysfunction and Oxidative Stress in Epilepsy. Int J Mol Sci 2017; 18