Modern mammalian in vitro models for toxicological research

Amrita Basu, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Výskyt toxických látek v prostředí, ať přirozený nebo antropogenního původu, představuje významný problém pro lidskou populaci. Kvůli jejich častému výskytu v prostředí jsou sinicové toxiny microcystiny (MCs) a cylindrospermopsin (CYN) považovány za nebezpečné kontaminanty vodních ekosystémů, které mohou způsobovat akutní i chronické škodlivé účinky na lidské zdraví. Expozice MCs a CYN byly dány do souvislosti s jaterní toxicitou, nádorovou promocí a rakovinou, a také se zánětlivými procesy. Účinky MC-LR na buňky imunitního systému byly proto zkoumány s pomocí in vitro modelu buněčné linie myších makrofágů, který přinesl nové poznatky týkající se mechanismu účinku MC-LR a jeho imunomodulační aktivity. S cílem dále prozkoumat hepatotoxické a hepatokarcinogenní účinky cyanotoxinů byl zoptimalizován in vitro model založený na 3-dimenzionální (3D) kultuře sféroidů dospělých lidských jaterních kmenových buněk. Kultury buněčných sféroidů dospělých jaterních kmenových buněk se ukázaly jako významně citlivější než buňky kultivované v jednoduché vrstvě, což podtrhuje důležitost používání fyziologicky relevantnější 3D modelů v toxikologickém výzkumu. Další významnou skupinou environmentálních kontaminantů jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAHs), u kterých byly prokázány rakovinotvorné, mutagenní a genotoxické účinky. Nicméně, PAHs mohou interagovat se savčími buňkami také negenotoxickými mechanismy, jak dokladuje i tato práce. Nízkomolekulární PAHs indukovaly v závislosti na své struktuře inhibici mezibuněčné komunikace mezerovými spoji (GJIC) v in vitro modelu myších somatických testikulárních Leydigových buněk, které hrají klíčovou roli v samčím reprodukčním a endokrinním systému. Tato práce demonstruje potenciál moderních in vitro modelů savčích buněk v toxikologickém výzkumu a jejich význam pro pochopení mechanismů vybraných škodlivých účinků toxických látek, jako jsou zánětlivé procesy, hepatotoxicita nebo narušení mužského reprodukčního a endokrinního systému.

Abstract:

Various toxic compounds, with both natural and anthropogenic inputs to the environment, have been a major health concern for humans. Due to their frequent environmental occurrence, cyanotoxins such as microcystins (MCs) and cylindrospermopsin (CYN), are considered to be hazardous contaminants in the aquatic ecosystems, which are able to induce both acute and chronic adverse effects on human health. Exposures to MCs and CYN have been associated with liver toxicity, tumor promotion and cancer, and also with inflammatory processes. Therefore, in vitro model of murine macrophage cell line was used to investigate the effects of MC-LR on the innate immune cells, which provided novel insights into the mechanisms of MC-LR and its immunomodulatory activity. In order to further study hepatotoxic and hepatocarcinogenic effects of cyanotoxins, in vitro model based on 3-dimensional (3D) spheroid cultures of adult human liver stem cells has been optimized. Spheroid cultures of adult liver stem cells were found to be significantly more sensitive to hepatotoxic cyanotoxins MC-LR and CYN than traditional monolayer cultures, which indicate the importance of physiologically more relevant 3D models in toxicological research. Another major group of environmental contaminants is represented by the Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), which have been linked to various toxic effects including carcinogenicity, mutagenicity and genotoxicity. However, PAHs can interact with mammalian cells also via non-genotoxic mechanisms, as supported also by this thesis. Lower molecular weight PAHs induced structure-dependent inhibition of gap junctional intercellular communication (GJIC) in a model of murine somatic testicular Leydig cells, which play a critical role in male endocrine and reproductive system. This thesis demonstrated the potential of modern mammalian in vitro models in toxicological research and their importance for understanding mechanisms of selected toxicant-induced adverse health outcomes, such as inflammation, hepatotoxicity, male infertility and endocrine disruption.

Keywords

imunomodulace, cyanobakteriální toxiny, microcystin, cylindrospermopsin, 3D in vitro kultury, sféroidy, mezibuněčná komunikace mezerovými spoji, polycyklické aromatické uhlovodíky, immunomodulation, cyanobacterial toxins, 3D in vitro cultures, spheroids, gap junctional intercellullar communication, polycyclic aromatic hydrocarbons

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 11. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 17. 12. 2018
• Vedoucí: doc. RNDr. Pavel Babica, Ph.D.
• Oponent: RNDr. Pavel Hrouzek, Ph.D., doc. PharmDr. Karel Šmejkal, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biologie (čtyřleté) / Ekotoxikologie