Advancing Male Reproductive Toxicity Research with In Vitro Approaches to Evaluate Chemical Safety

Ishita Virmani, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Celosvětový pokles reprodukčního zdraví mužů je naléhavým problémem veřejného zdraví. Tradiční hodnocení bezpečnosti látek z hlediska reprodukční toxicity se opírá o zvířecí modely, které jsou nákladné, mají malou propustnost a výsledky se často obtížně extrapolují na lidské zdraví. Přestože se jedná o klíčový typ toxicity z regulačního hlediska, mají současné metody testování na zvířatech značné mezery při posuzování toxicity látek pro mužskou reprodukci. V důsledku toho byla reprodukční toxicita dosud hodnocena pouze u malé části chemických látek. K účinnějšímu a efektivnějšímu hodnocení účinků chemických látek na reprodukční zdraví mužů jsou tedy zapotřebí nové přístupy a metodiky (NAMs). Má doktorská práce se zabývá těmito mezerami a zavádí inovativní sadu in vitro testů, včetně pokročilých systémů a lipidomiky, s cílem objasnit reprodukční toxicitu environmentálních chemikálií a jejich směsí pro muže. Studie I porovnává in vitro reprodukční toxicitu jednotlivýchenvironmentálních chemikálií pomocí dvourozměrného (2D) monovrstvého modelu myších Leydigových TM3 buněk a fyziologicky relevantnějšího trojrozměrného (3D) sféroidního modelu. 3D model byl charakterizován a přizpůsoben pro hodnocení subchronické toxicity pomocí opakovaného dávkování. Výsledky toxicity se lišily v závislosti na kultivačním modelu (2D vs. 3D) a délce expozice. Mezi studovanými chemickými látkami byly nejaktivnější benzo[a]pyren a triclocarban, které vykazovaly cytotoxicitu při nízkých mikromolárních koncentracích. Vzhledem k tomu, že v reálném světě dochází k expozici chemickým směsím spíše než izolovaným sloučeninám, studie II a III zkoumají toxicitu pro mužskou reprodukci reálné organochlorové směsi (OC-MIX) pomocí baterie in vitro testů. Tato baterie zahrnuje testy reportérových genů a 2D modely myších Leydigových TM3 a Sertoliho TM4 buněk, doplněné lipidomickým profilováním. OC-MIX vyvolal buněčně specifické poruchy v lipidových profilech a homeostáze, což vedlo k lipotoxicitě, která byla výraznější v buňkách Leydig TM3. Stručně řečeno, můj výzkum posouvá vpřed využití in vitro modelů testikulárních buněk jako potenciálních NAM pro hodnocení reprodukční toxicity u mužů související s chemickými látkami v životním prostředí a jejich směsmi. Zdůrazňuje dysregulaci lipidů v somatických testikulárních buňkách jako klíčový, ale dosud nedostatečně prozkoumaný toxikologický mechanismus. Využitím in vitro modelů a omických technologií přispívá tato práce k vývoji strategií hodnocení chemických rizik nové generace.

Abstract:

The global decline in male reproductive health is a pressing public health concern. Traditional chemical safety assessments for reproductive toxicity rely on animal models, which are expensive, low-throughput, and often challenging to translate to human health. Despite its regulatory importance, current animal-based methods exhibit significant limitations in evaluating male reproductive toxicity. Consequently, only a limited fraction of chemicals has been evaluated for reproductive toxicity. Therefore, there is an urgent need for new approach methodologies (NAMs) that can assess the effects of chemicals on male reproductive health more efficiently and effectively. My doctoral thesis addresses these gaps by implementing an innovative in vitro battery of assays, including advanced systems and lipidomics, to elucidate the male reproductive toxicity of environmental chemicals and their mixtures. Study I compares the in vitro reprotoxicity of individual environmental chemicals using a two-dimensional (2D) monolayer model of murine Leydig TM3 cells and a more physiologically relevant three-dimensional (3D) spheroid model. The 3D model was characterized and adapted for subchronic toxicity assessment using repeated dosing. Toxicity outcomes varied depending on the culture model (2D vs. 3D) and the duration of exposure. Among the chemicals studied, benzo[a]pyrene and triclocarban were the most active, showing cytotoxicity at low micromolar concentrations. Recognizing that real-world exposures involve chemical mixtures rather than isolated compounds, Studies II and III investigate the male reproductive toxicity of a real-life organochlorine mixture (OC-MIX) using in vitro test battery. This battery includes reporter gene assays and 2D models of murine Leydig TM3 and Sertoli TM4 cells, complemented by lipidomics profiling. The OC-MIX induced cell-specific disruptions in lipid profiles and homeostasis, leading to lipotoxicity that was more pronounced in Leydig TM3 cells. In summary, my research advances the application of in vitro models of testicular cells as potential NAMs for assessing male reproductive toxicity associated with environmental chemicals and their mixtures. It highlights lipid dysregulation in somatic testicular cells as a key, yet underexplored, toxicological mechanism. By leveraging the in vitro models and omics technologies, this work contributes to the development of next-generation chemical hazard assessment strategies.

Keywords

Environmental chemicals, Leydig cells, male reprotoxicity, new approach methodologies, Sertoli cells

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 24. 9. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 13. 11. 2025
• Vedoucí: RNDr. Iva Sovadinová, Ph.D.
• Oponent: doc. Ing. Jan Nevoral, Ph.D., Ing. Tomáš Jambor, PhD

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Životní prostředí a zdraví / Environmentální chemie a toxikologie