Hodnocení toxického potenciálu látek z atmosférických matric

Mgr. Zuzana Nováková, Ph.D.

Doctoral thesis

Evaluation of the toxic potential of compounds from atmospheric matrices

Abstract:

Znečištění ovzduší představuje globální problém. Dotýká se všech lidí na planetě a ovlivňuje naše životy mnoha způsoby. Látky znečišťující ovzduší se velmi liší a hodnocení jejich toxicity vyžaduje nejen komplexní přístup, ale také použití moderních metod relevantních pro hodnocení účinků na lidské zdraví. Zatímco škodlivý účinek některých látek v ovzduší je již dlouho znám, jiné jsou studovány pouze okrajově a o některých (jako např. nanočásticích) je známo opravdu málo. Navíc je nutno brát v potaz, že látky v atmosféře tvoří velmi komplexní směsi a škodlivé účinky takovýchto směsí nelze posuzovat pouze z výsledků chemických analýz. Cílem této disertační práce bylo tedy hodnocení toxického účinku látek z atmosférických matric, a to konkrétně pro dva typy znečištění. Pomocí moderních in vitro metod byla hodnocena toxicita komplexních směsí polutantů v ovzduší a pomocí in vivo přístupu byly studovány účinky chronické inhalační expozice nanočásticemi oxidu olovnatého. První část výzkumu odhalila, že směsi látek, které se vyskytují jak ve vnějším, tak ve vnitřním prostředí, mohou na lidské buňky působit hned několika mechanismy díky schopnosti interagovat s receptory klíčovými pro udržení vnitřní homeostázy. Narušení těchto klíčových mechanismů na molekulární úrovni (endokrinní disrupce) může vést k závažným zdravotním důsledkům. V této části byl také popsán výskyt látek se specifickým toxickým potenciálem v různých složkách prostředí (vzduch, polétavé částice a prach). Výzkum také prokázal, že tyto látky jsou přítomny zejména v jemné frakci polétavého prachu a také, že mohou být biodostupné. Navazující chemický rozbor vzorků poukázal na to, že sledované látky přispívají k toxickému účinku dané směsi ve většině případů relativně málo, z čehož lze usoudit, že jak ve vnějším, tak ve vnitřním prostředí, jsou lidé vystaveni mnohem složitějším směsím látek a že pro většinu těchto látek nemáme dostatečnou znalost o jejich toxicitě. Druhá část výzkumu byla zaměřena na škodlivé účinky inhalace nanočástic oxidu olovnatého, které byly studovány in vivo na myších a cílem studie bylo propojení těchto škodlivých účinků s oxidativním stresem, klíčovým mechanismem toxicity nanočástic. Byly popsány jak změny několika biochemických markerů oxidativního stresu, tak histopatologická poškození. Z daných výsledků vyplývá, že studované nanočástice obsahující kov mohou způsobit změny jak na molekulární/buněčné úrovni, tak na úrovni tkání. Neméně významný je také poznatek, že vdechované nanočástice jsou dále distribuovány do sekundárních orgánů, kde se mohou akumulovat. Distribuce i akumulace studovaných nanočástic byla závislá na expoziční koncentraci a rostla v čase. Tato dizertační práce přináší nové poznatky o škodlivých účincích látek z ovzduší a z prachu a její značná část se věnuje tématu endokrinní disrupce. Dále pak rozšiřuje současný stav poznání o inhalační toxicitě nanočástic oxidu olovnatého, navíc studované in vivo v unikátním dlouhodobém experimentu. Tento výzkum přispívá k rozšíření současného stavu poznání o škodlivých účincích inhalace jak komplexních směsí z prostředí, tak konkrétního typu nanočástic a poskytuje relevantní poznatky pro hodnocení zdravotních rizik.

Abstract:

Air pollution has become a global issue that concerns all people worldwide and affects our lives in multiple ways. The pollutants emitted into the atmosphere elicit extreme diversity and their toxicological characterisation requires a complex approach and employment of modern methods, preferably with high relevance for human health. While the toxicity of some air pollutants has been already addressed, others remain understudied and for some, their toxicological properties are almost unknown (for example for emerging nanoparticles). Furthermore, atmospheric pollutants occur in complex mixtures and the effect of such mixtures cannot be embraced by chemical analysis alone. This Ph.D. thesis aimed to evaluate the toxic potential of compounds from atmospheric matrices. More specifically, the toxicity of two different exposure types was investigated: complex air pollutant mixtures and lead oxide nanoparticles using modern in vitro and in vivo techniques, respectively. Firstly, studies with human cell-based in vitro assays revealed that both outdoor and indoor air pollutant mixtures elicit various toxic potentials via interacting with important cellular receptors. These receptors play a key role in endocrine homeostasis, whose disruption can lead to severe adverse health effects. Moreover, the distribution of compounds with studied toxic potentials among different environment compartments (gas phase, particulate matter and dust) was characterised. The toxicity assessment pointed out the association of studied toxic potentials with the fine particulate fraction and their bioaccessibility. Following analysis of the compounds' contribution to observed effects revealed that studied compounds play, in most cases, only a minor role. This research part, therefore, implies that people are exposed to much more complex pollutant mixtures outdoors and indoors as well, while most of the toxicologically relevant information for these mixtures remains unknown. Secondly, the adverse in vivo effects following the inhalation exposure to lead oxide nanoparticles were investigated on the murine model and linked to the biochemical changes in animal tissues driven by a nanoparticle crucial toxicity mechanism called oxidative stress. Several oxidative stress markers were altered and histopathological lesions were described implying that these metal-based nanoparticles can elicit changes on both molecular/cellular and tissue levels. Also, the time- and concentration-dependent distribution and accumulation of lead in secondary organs were observed. The presented work brings novel findings in the field of air- and dust borne toxicity with special focus on endocrine disruption, as well as contributes to the characterisation of adverse in vivo outcomes resulting from highly relevant and uniquely long-term inhalation of lead oxide nanoparticles. Overall, presented research improves the knowledge of inhalation toxicity of both complex environmental mixtures and specific nanoparticles with high relevance for human health risk assessment.

Keywords

Znečištění ovzduší, inhalace, toxický potenciál, směsi, vnitřní ovzduší, prach, endokrinní disrupce, biotest, in vitro, in vivo, nanočástice, olovo, oxidativní stres, air pollution, inhalation, toxic potential, mixtures, indoor air, dust, endocrine disruption, bioassay, nanoparticles, lead, oxidative stress.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 9. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 19. 11. 2020
• Supervisor: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Reader: Mgr. Martina Hýžďalová, Ph.D., Mgr. Markéta Dvořáková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

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