Linking metabolic and reproductive disruptions after exposure to novel flame retardants

Chander Kant Negi, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Nové typy zpomalovačů hoření (flame retardants - FR) jsou stále častěji detekovány v životním prostředí a lidských vzorcích, což vyvolává obavy z jejich potenciálního vlivu na vývoj a progresi metabolických a reprodukčních patologií. Cílem práce bylo charakterizovat potenciální účinky a načrtnout mechanismy působení FR, zkoumat jejich vliv na metabolické a reprodukční zdraví a vývojové změny. Studie identifikovala několik FR, včetně trikresylfosfátu (TMPP), 2-ethylhexyldifenylfosfátu (EHDPP), trifenylfosfátu (TPHP) a tris(1,3-dichlor-2-propyl)fosfátu (TDCIPP) jako potenciální steatogenní sloučeniny, které mohou ovlivnit metabolismus lipidů změnou exprese genů kódujících jaterní lipogenezi a mitochondriální dysfunkci in vitro v buněčné kultuře lidských jater (HepG2). EHDPP vykazoval široké účinky na lipidové skupiny v 3D HepG2 sféroidech s vlivem na sterolové lipidy, sfingolipidy, glycerolipidy, glycerofosfolipidy a mastné acyly a modulaci genové exprese spojené s metabolismem lipidů. Obdobné dysregulační účinky EHDPP prokázány v buněčné kultuře lidských nadledvin (H295R) – účinky na estery cholesterolu, sfingolipidy, fosfolipidy a triglyceridy. Tato dysregulace potenciálně ovlivnila hormonální regulaci v buňkách H295R, o čemž svědčí zvýšená sekrece hormonů včetně progesteronu, androstendionu, estradiolu a kortizolu, spolu se změněnou expresí kortikosteroidogenních genů. Při zkoumání vývojových epigenetických účinků TPHP ovlivnil DNA metyltransferázy a expresi methylcytosindioxygenázy na transkripční úrovni a indukoval chromozomově specifické alterace v metylaci DNA u embryo ryby zebřičky. Analýzy odlišně metylovaných oblastí ukázaly účinky zprostředkované TPHP na biologické, buněčné a molekulární funkce a ovlivnily několik signálních drah s důsledky pro metabolismus, neurologické funkce a vývoj. Celkově výzkum identifikoval několik FR jako potenciální rizikové faktory pro nepříznivé metabolické a reprodukční účinky a přispěl k chápání příslušných mechanismů. Výzkum přináší nové poznatky o účincích FR narušujících metabolismus lipidů a epigenetických mechanismech účinků. Demonstruje také užitečnost tzv. NAMs – New Approach Methodologies včetně in vitro buněčných kultur, 3D modelů, embryonálních modelů se zebřičkou, omics technologií a AOPs (Adverse Outcome Pathways) pro studie mechanism toxicity.

Abstract:

A wide range of novel flame retardants (FRs) are increasingly detected in the environment and human samples, raising concerns about their potential link to the development and progression of metabolic and reproductive pathologies. The thesis aimed to characterize the potential effects and delineate the mechanisms of action of FRs, investigating their impact on metabolic, reproductive health, and developmental changes. The study identified several FRs, including tricresyl phosphate (TMPP), 2-ethylhexyl diphenyl phosphate (EHDPP), triphenyl phosphate (TPHP), and tris(1,3-dichloro-2-propyl) phosphate (TDCIPP) as potential steatogenic compounds that affect lipid metabolism by altering the expression of genes encoding hepatic lipogenesis and mitochondrial dysfunction in vitro in human liver (HepG2) cell culture. EHDPP exhibited broad effects on lipid classes in 3D HepG2 spheroids, impacting sterol lipids, sphingolipids, glycerolipids, glycerophospholipids, and fatty acyls and modulation of gene expression associated with lipid metabolism. The lipid dysregulation effects of EHDPP extended to human adrenal (H295R) cell culture, affecting similar lipid classes, such as cholesterol ester, sphingolipids, phospholipids, and triglyceride species. This dysregulation potentially influenced hormonal regulation in the H295R cells, evidenced by increased secretion of hormones, including progesterone, androstenedione, estradiol, and cortisol, along with altered expression of the corticosteroidogenic genes. Examining developmental epigenetic effects, TPHP decreased DNA methyltransferases and ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase expression at the transcriptional level and induced chromosome-specific alterations in DNA methylation in zebrafish larvae. Analyses of differentially methylated regions indicated TPHP-mediated effects in biological, cellular, and molecular functions and several signaling pathways with implications for metabolism, neurological functions, and development. Overall, the research identified several FRs as potential risk factors for adverse metabolic and reproductive effects and advanced our understanding of the mechanisms involved. It brings novel insights into the lipid metabolism-disrupting effects of FRs and the epigenetic mode of action. It also demonstrates the utility of new approach methodologies, including in vitro cell cultures, 3D models, zebrafish, analytical methods such as omics technologies, and AOPs for mechanistic toxicity studies.

Keywords

Flame retardants, Hepatic steatosis, Reproductive toxicity, Lipid metabolism, steroidogenesis, DNA methylation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 1. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 26. 2. 2024
• Supervisor: prof. RNDr. Luděk Bláha, Ph.D.
• Reader: Sophie Langouët, PhD., Dr. Lisa Baumann

Masaryk University

Faculty of Science

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