Vliv polutantů životního prostředí na jaterní homeostázu

Mgr. Bc. Lucie Čtveráčková, Ph.D.

Doctoral thesis

Effect of environmental pollutants on liver tissue homeostasis

Abstract:

Játra mají širokou škálu funkcí, mezi jinými také detoxifikaci léků a cizorodých látek, tudíž ztráta jejich funkce vede často k závažným poškozením zdraví až smrti. Avšak játra jsou komplexním orgánem s jedinečnou regenerační kapacitou, která je umožněna spoluprací jednotlivých typů jaterních buněk k udržení tkáňové homeostázy. Jaterní kmenové a progenitorové buňky (LSPCs) jsou aktivovány především při poškozeních vedoucích k nedostatečné sebeobnově hepatocytů, jež může být zapříčiněno působením hepatotoxických látek nebo při patologických stavech jater, jako je chronická virová hepatitida, alkoholické poškození jater nebo nealkoholická jaterní steatóza. Tato populace buněk má schopnost diferencovat se jak do hepatocytů, tak cholangiocytů. Na rozdíl od hepatocytů jsou efekty hepatotoxických látek na tyto buňky jen málo prozkoumané, navzdory jejich klíčové roli při regeneraci jater a udržování tkáňové homeostázy. V předkládané dizertační práci byly použity dva in vitro modely LSPCs buněk pro prozkoumání účinků environmentálních polutantů s hepatotoxickou aktivitou. Výsledky získané v rámci experimentální práce byly zpracovány a publikovány v 5 dílčích studiích. Ve studii 1 a 2 byla jako model progenitorových buněk použita buněčná linie WB-F344, tedy potkaní jaterní oválné buňky. Za pomoci tohoto modelu, byly ve Studii 1 zjištěny necytotoxické efekty ftalátů na mezibuněčnou komunikaci mezerovými spoji (GJIC) a signální dráhu MAPK-ERK1/2, které závisely na molekulové hmotnosti a také struktuře jednotlivých ftalátů. Ve Studii 2 byl model WB-F344 použit pro studium inhibice mezibuněčné komunikace vybranými environmentálními polutanty a možné prevence tohoto nádorově promočního efektu vybranými chemopreventivními látkami. Ve třech následujících studiích byla jako experimentální model použita lidská linie imortalizovaných dospělých jaterních kmenových buněk HL1-hT1. Na tomto modelu byly ve Studiích 3 a 4 studovány efekty sinicových hepatotoxinů microcystinu-LR (MC-LR) a cylindrospermopsinu (CYN) na buněčné cíle související s viabilitou, genotoxicitou, signální transdukcí nebo indukcí stresu. Studie 5 se zabývala toxickými efekty těchto sinicových toxinů na 3-dimenzionální (3D) kultuře sféroidů buněk HL1-hT1, která se ukázala být k MC-LR a CYN významně citlivější než buněčné kultury pěstované v jednovrstvém uspořádání. Výsledky pomáhají pochopit význam progenitorových buněk a jejich roli při hepatotoxickém působení látek, zejména s ohledem na narušení jaterní tkáňové homeostázy a také zapojení progenitorových buněk do rozvoje chronických onemocnění jater, jako je rakovina jater, po působení toxických látek.

Abstract:

Liver is a vital organ with wide array of functions, including also drug and xenobiotic detoxification, therefore loss of liver function leads to severe pathologies and eventually death. However, liver is a complex organ with unique regenerative capacity, enabled by coordinated interactions of various cell types to maintain liver tissue homeostasis. Adult liver stem/progenitor cells (LSPCs) can be activated particularly after liver injuries depleting self-renewing capacity of hepatocytes, which can be caused by toxicant-induced injuries, or by various pathological conditions, such as chronic viral hepatitis, alcoholic liver disease, and nonalcoholic fatty liver disease. LSPCs represent cell population with bipotential differentiation capability toward both hepatocytes and cholangiocytes. However, in comparison to hepatocytes, the effects of hepatotoxic chemicals on LSPCs have been much less studied and understood, despite their critical role in liver tissue regeneration and repair and tissue homeostasis maintenance. This dissertation thesis utilized two cell lines as in vitro models of LSPCs to study effects of various hepatotoxic environmental pollutants on this important liver cell population. The obtained results were published in 5 individual studies. In the Studies 1 and 2 rat liver progenitor cell line WB-F344 was used. In the Study 1 non-cytotoxic effects of structurally different phthalates on gap junction intercellular communication (GJIC) and activation of MAPKs were investigated, finding that both effects were dependent on phthalate molecular weight and structure. In the Study 2, WB-F344 cells were used to study effects of selected pesticides and hepatotoxicants on inhibition of GJIC, and also evaluating potential of various chemopreventive agents (CPAs) to prevent this tumor promoting event. In the next three studies a model of immortalized liver stem cell line HL1-hT1 was used. This model of LSPCs was used in the Studies 3 and 4 for studying effects caused by hepatotoxic cyanotoxins microcystin-LR (MC-LR) and cylindrospermopsin (CYN) on various cellular targets and processes, including viability, genotoxicity, signal transduction pathways and stress induction. The effect of these cyanotoxins were studied also in the Study 5 using in vitro model of HL1-hT1 cells based on 3-dimensional (3D) spheroid cultures, which were found to be significantly more sensitive to MC-LR and CYN than traditional monolayer culture. The results of this thesis can help to understand the role of LSPCs populations in liver toxicity, particularly with respect to disruption of homeostasis in the liver tissue and their possible connections to the development of chronic liver diseases, such as cancer, in a response to chemical exposures.

Keywords

LSPCs, mezibuněčná komunikace mezerovými spoji, in vitro buněčné kultury, testování toxicity, polutanty životního prostředí LSPCs, gap junctional intercellular communication, in vitro cell cultures, toxicity testing, environmental pollutants

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 6. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 30. 11. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Babica, Ph.D.
• Reader: RNDr. Lenka Šindlerová, Ph.D., Dr hab. inż. Maciej Woźny, prof. UWM

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology