Studium biologických účinků a toxicity zajímavých metabolitů sinic

Mgr. Zdena Moosová, Ph.D.

Doctoral thesis

Biological effects and toxicity of novel cyanobacterial metabolites

Abstract:

Rozvoj vodního květu způsobený přemnožením mikroorganismů, zejména sinic (cyanobakterií), je závažným celosvětovým problémem ohrožujícím kvalitu vodních zdrojů. Cyanobakterie produkují širokou škálu biologicky aktivních látek, které se mohou uvolňovat do vodního prostředí a ovlivňovat tak jiné organismy, včetně negativního vlivu na zažívací trakt, nervový i imunitní systém savců, který je často spojen s rozvojem různých onemocnění. Málo známé jsou především mechanismy imunomodulačního působení těchto látek. Tato dizertační práce se proto zaměřuje na výzkum v oblasti imunomodulačního potenciálu cyanobakteriálních metabolitů a lipopolysacharidů (LPS) s využitím buněk vrozené imunity, které jsou zodpovědné zejména za reakci na přítomnost patogenů a cizorodých látek v organismu. V této práci je popsán vliv běžně se vyskytujících variant mikrocystinů (MC-LR, -RR, -YR), cylindrospermopsinu (CYN) a nově izolovaného aerugenosinu (Aer-865) na přirozené funkce makrofágů (RAW 264.7) in vitro. Dále je sledován imunomodulační potenciál vzorků LPS získaných z laboratorních kultur Microcystis aeruginosa, druhu sinice často se vyskytujícího ve vodním květu, a vzorků LPS z terénních odběrů biomasy vodních květů. Účinky vzorků LPS jsou testovány na aktivaci hlavních populací fagocytů, monocytů a polymorfonukleárních leukocytů (PMNL) v lidské krvi ex vivo. Předkládaná práce prokazuje vliv testovaných látek cyanobakteriálního původu na klíčové procesy imunitní odpovědi zprostředkované makrofágy a lidskými PMNL. U obou buněčných modelů (makrofágů a PMNL) byla sledována aktivace prozánětlivých signálních drah (nukleární faktor κB, NF-B a mitogen aktivující protein kinázy, MAPKs) a následná produkce prozánětlivých mediátorů (tumor nekrotizační faktor α, TNF-α a interleukin-6, IL-6). Tyto výsledky ukazují na možné zapojení Toll-like receptorů (TLR), klíčových molekul imunitního systému, do mechanismu působení testovaných látek vedoucímu k aktivaci signálních drah NF-B and MAPKs. Získané informace o immunomodulačním potenciálu známých i nových cyanobakteriálních metabolitů a LPS přispívají k porozumění zdravotních rizik souvisejících s výskytem vodního květu.

Abstract:

Cyanobacterial harmful algal blooms (HABs) represent a major threat to water supplies worldwide. Cyanobacteria produce many structurally different types of bioactive compounds that can be released into the aquatic environment. affecting other organisms and causing health complications within nervous, gastrointestinal, cardiovascular, and immune system. Nevertheless, only a few of the cyanobacterial bioactive compounds have been studied for their immunomodulatory potencies. The aim of this PhD study was to assess the potential effects of cyanobacterial metabolites and lipopolysaccharides (LPSs) on innate immune cells, the effector cells of initial response to infection as well as foreign substances presented in organism. The immunomodulatory potencies of the most common microcystin variants (MC-LR, -RR, -YR), cylindrospermopsin (CYN) and the newly isolated aerugenosin (Aer-865), were studied on macrophage activation in vitro (RAW 264.7). Major human blood phagocyte population, monocytes and polymorhonuclear leukocytes (PMNLs), were used to assess the biological activities of LPSs isolated from laboratory cultured Microcystis aeruginosa, the most prominent cyanobacteria in water bloom, compared to activity of LPS from environmentally relevant complex water bloom samples. The activation of inflammatory signaling pathways (nuclear factor κB, NF-κB and mitogen-activated protein kinases, MAPKs) as well as consequent ex increased production of pro-inflammatory mediators (tumor necrosis factor α, TNF-α and interleukin-6, IL-6) were examined in both models (macrophages and PMNLs). Importantly, exposure of the studied cyanobacterial compounds impacts the key processes involved in innate immune response mediated by macrophages and human PMNLs. The mechanism beyond observed effects of tested cyanobacterial metabolites strongly suggests the potential role of Toll-like receptors (TLRs) in the recognition of the cyanotoxins and the following signalization via NF-B and MAPKs. The presented research contributes to understanding of health risks associated with HABs showing immunomodulatory potencies of know as well as newly isolated cyanobacterial toxins, and cyanobacterial LPS related to HABs environmental biomass samples.

Keywords

aquatic toxicology, water bloom, cyanobacteria, cyanotoxin, lipopolysaccharide, innate immunity, macrophage, Toll-like receptor, vodní toxicita, vodní květ, sinice, lipopolysacharid, vrozená imunita, makrofág

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 8. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 21. 9. 2018
• Supervisor: Mgr. Ondřej Adamovský, Ph.D.
• Reader: Mgr. Lenka Bešše, Ph.D., prof. MUDr. Vojtěch Thon, Ph.D., Joseph H. Bisesi, Jr, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ekotoxicology