Narušení jaterní homeostázy sinicovými toxiny

Mgr. Jan Raška, Ph.D.

Doctoral thesis

Liver homeostasis disruption by cyanobacterial toxins

Abstract:

Kvůli klimatickým změnám a eutrofizaci vod lidskou činností se výskyt sinic ve vodním prostředí stal jedním z globálních problémů představující významné zdravotní riziko. Toxické látky produkované sinicemi, tzv. sinicové toxiny nebo cyanotoxiny, představují hrozbu pro lidské zdraví expozicí kontaminovanou pitnou vodou, jídlem nebo rekreačními aktivitami. Nejrozšířenější cyanotoxiny působící na játra (hepatotoxiny) jsou microcystiny a cylindrospermopsin, které jsou zodpovědné nejen za akutní otravy, ale pravděpodobně i za chronické působení vedoucí ke vzniku chronických onemocnění jater, a tak jedním z faktorů vzniku jaterních nádorů. Cílem této dizertační práce je posoudit efekty nejběžnější varianty microcystinu-LR a cylindrospermopsinu na jaterní homeostázu za využití in vitro buněčných modelů založených na kmenových buňkách. Lidská linie jaterních kmenových buněk HL1-hT1 byla použita k predikci účinku cyanotoxinů na specifickou populaci jaterních buněk, zatímco komplexní model založený na diferenciaci dospělých jaterních buněk z lidských embryonálních kmenových buněk byl použit k určení účinků cyanotoxinů na odlišné populace buněk zapojené do přirozeného vývoje a homeostázy jater. Zaměřili jsme se na podrobnou charakterizaci obou modelů, abychom mohli lépe definovat buněčné typy pro přesnější určení specifických efektů v tkáňové hierarchii a tím zlepšit in vitro-in vivo toxikologickou predikci. U HL1-hT1 buněk jsme analyzovali efekty microcystinu-LR i cylindrospermopsinu na známé buněčné cíle které vedou k buněčné deregulaci, jako je buněčné signálování, genotoxicita nebo indukce stresu. Překvapivě microcystin-LR nezpůsoboval žádné negativní účinky, zatímco cylindrospermopsin projevoval negenotoxický nádorově-promoční mechanismus účinku. U jaterní diferenciace jsme analyzovaný účinek cylindrospermopsinu na tři různé úrovně dozrávání. Detekovali jsme fázově-specifické účinky ovlivňující kmenové/progenitorové buňky. Tyto procesy v populacích kmenových/progenitorových buněk jater mohou vést k narušení tkáňové homeostázy, a tak mohou vést k rozvoji chronické toxicity a karcinogeneze. Výzkum dizertační práce přispívá k zavedení nových toxikologických modelů založených na kmenových buňkách a posouvá znalosti o efektech microcystinu-LR a cylindrospermopsinu použitelných k lepšímu hodnocení zdravotního rizika.

Abstract:

Driven by climate change and high loads of nutrients from agriculture, the occurrence of cyanobacterial blooms (blue-green algae) in the aquatic environment has become globally one of the critical environmental and human health problem. Toxic compounds produced by cyanobacteria, the so-called cyanotoxins, are hazardous to human health through contaminated drinking water, food, and water-related recreational activities. The most widespread hepatotoxic cyanotoxins are microcystins, responsible not only for acute but probably also for chronic toxicities involved in tumor promotion and carcinogenesis, and less explored but frequently occurring is cylindrospermopsin with potent hepatotoxic effects. The aim of this Ph.D. study was to assess the effects of the most common variant of microcystin - microcystin-LR and cylindrospermopsin on liver homeostasis using distinct in vitro models based on stem cells. Human hepatic progenitor/stem cell line HL1-hT1 and in vitro hepatic differentiation of human embryonic stem cells (hESCs) were used to study cyanotoxin effects on distinct cell populations involved in native hepatocyte maturation and liver homeostasis maintenance. In undifferentiated hepatic stem cells HL1-hT1, no effects of microcystin-LR on well-known cellular targets and processes, such as cell signaling, genotoxicity, and stress induction were observed. Interestingly, cylindrospermopsin did not induce genotoxicity or oxidative stress but activated mitogen-activated protein kinases (MAPKs) ERK1/2 and p38 in HL1-hT1 cells. In hepatic differentiation of hESCs, the effect of cylindrospermopsin depended on the level of hepatocyte maturation, including disruptive effects functionally influencing stage of progenitor cells. Toxic effects induced in populations of hepatic stem/progenitor cells can lead to the disruption of tissue homeostasis, liver regeneration, and repair, and thus might lead to the development of chronic toxicities and carcinogenesis. The presented work contributes to establishing of novel advanced stem cell-based in vitro models for toxicological research and improves the knowledge of microcystin-LR and cylindrospermopsin mode of the action for better health risk assessment.

Keywords

Jaterní kmenové buňky, Sinicové toxiny, Microcystin-LR, Cylindrospermopsin, In vitro, Liver stem cells, Cyanotoxins

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 2. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 27. 3. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Babica, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Zdeněk Dvořák, DrSc., Assist. Prof. Dr. Bojana Žegura

Masaryk University

Faculty of Science

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