Endocrine-Disrupting Potentials of Complex Mixtures from Indoor and Outdoor Environments

Felipe Augusto Pinto Vidal, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Lidé mají mimořádnou schopnost ovlivňovat své okolí. V průběhu historie naše snaha přizpůsobit si přírodu k vlastnímu prospěchu často vedla ke kontaminaci životního prostředí, která je spojována s narušením ekosystémů a negativními dopady na lidské zdraví. Tato disertační práce se zaměřuje na doplnění chybějících znalostí o vlivu komplexních směsí znečišťujících látek z vnitřního prostředí a venkovního ovzduší na hormonální regulaci, který indikuje jejich potenciální rizika pro lidské zdraví. Práce je založena na třech studiích využívajících sadu in vitro bioanalytických testů určených k hodnocení vlivu vzorků na klíčové mechanismy spojené s endokrinní disrupcí, konkrétně aktivity zprostředkované Aryl-hydrokarbonovým receptorem (AhR) a receptorem pro tyroidní hormon (TR), anti-/estrogenní a anti-/androgenní účinky, glukokortikoidní aktivitu a schopnost vytěsňovat tyroxin (T4) z jeho fyziologického transportéru, transtyretinu (TTR). Kromě toho rozsáhlé chemické analýzy poskytly údaje o chemickém profilu vzorků z různých typů vnitřního prostředí a přispěly k identifikaci chemických látek přispívajících k pozorované bioaktivitě. V studii I byly dvě velikostní frakce prachových vzorků (jemná a hrubá) ze sedmi různých typů vnitřního prostředí extrahovány buď metanolem, nebo směsí hexan:aceton, čímž vznikly dva typy organických extraktů s odlišnou polaritou. Hodnocení účinků obou typů extraktů odhalilo AhR-zprostředkovanou aktivitu, anti-/estrogenní, anti-/androgenní a anti-TR aktivitu, glukokortikoidní účinky a schopnost vytěsňovat T4 z TTR u směsí znečišťujících látek z alespoň jednoho typu vzorkovaného vnitřního prostředí. Kromě toho byla jemná prachová frakce extrahována i pomocí testu fyziologické dostupnosti (PBET), který simuluje gastrointestinální prostředí. Hodnocení takto získaných extraktů ukázalo většinou nižší endokrinně disruptivní potenciál ve srovnání s organickými extrakty. Nicméně PBET extrakty prachu z kanceláří a veřejných prostor vykazovaly vyšší estrogenní aktivitu než organické extrakty. Chemická analýza organických extraktů identifikovala 114 látek, včetně polycyklických aromatických uhlovodíků (PAHs), polychlorovaných bifenylů (PCBs), organochlorovaných pesticidů (OCPs), polybromovaných difenyletherů (PBDEs), nových zpomalovačů hoření (NFR), bisfenolů (BPs), moderních pesticidů (CUP), organofosfátových zpomalovačů hoření (OPFRs) a per- a polyfluorovaných látek (PFASs). V rámci studie I vykazovaly organické a bioaktivní vzorky z panelových bytů glukokortikoidní aktivitu. Vzhledem k jejímu významu pro lidské zdraví a nedostatku znalostí o možných původcích tohoto efektu jsme ve studií II provedli identifikaci sloučenin odpovědných za glukokortikoidní aktivitu v prachových vzorcích z interiéru. K tomu byla použita metoda efektem řízené analýzy (EDA) založená na ortogonální frakcionaci. Tento přístup vedl k identifikaci dvou potentních farmaceutických látek – klobetasol propionátu a mometason furoátu – jako klíčových přispěvatelů k glukokortikoidní aktivitě v prachových vzorcích. Toto zjištění představuje první identifikaci farmaceutických látek jako hlavních původců bioaktivity v interiérovém prachu. Studie III se zaměřila na hodnocení znečištění venkovního ovzduší na 20 lokalitách ze sedmi jiho- a středoamerických zemí pomocí pasivních vzorkovačů na bázi XAD. Tento výzkum rozšířil síť Latin American Passive Atmospheric Sampling Network (LAPAN) v rámci Globálního monitorovacího programu Stockholmské úmluvy o bioanalytický monitoring. Poprvé byla zdokumentována AhR-zprostředkovaná aktivita ve vzorcích ovzduší získaných pomocí XAD pasivních vzorkovačů. Aktivita

Anotace:

byla detekována na 18 z 20 městských, průmyslových, příměstských i pozaďových lokalit napříč Antiguou a Barbudou, Argentinou, Brazílií, Chile, Kolumbií, Hondurasem a Peru, přičemž byla pravděpodobně spojena se spalováním biomasy, dopravními emisemi a průmyslovými aktivitami. Přítomnost látek s AhR-zprostředkovanou aktivitou vyvolává obavy o kvalitu ovzduší v této oblasti, jelikož aktivace této dráhy je spojována s potenciálními zdravotními riziky. Hodnocení znečištění interiérového prachu v České republice a venkovního ovzduší v zemích GRULAC ukazuje, že v obou prostředích se nacházejí známé i dosud neidentifikované chemické látky schopné narušovat endokrinní regulaci. Některé z těchto látek v prachu jsou biologicky dostupné, což vyvolává obavy o dopady orální expozice, zejména u dětí. Detekce zakázaných a regulovaných látek v některých vzorcích prachu a ovzduší poukazuje na perzistenci specifických skupin polutantů v interiérech i venkovním prostředí, zatímco přítomnost potentních farmaceutických látek v prachových vzorcích naznačuje jejich možný příspěvek k toxickému potenciálu směsí látek ve vnitřním prostředí. Výsledky této práce zdůrazňují přidanou hodnotu kombinace bioanalytických přístupů s chemickou analýzou jako nástrojů pro hodnocení komplexních environmentálních směsí. Použití sady bioanalytických metod charakterizuje společné účinky všech přítomných látek, zatímco chemická analýza přispívá k identifikaci složek přispívajících k pozorovaným účinkům. Tento integrovaný přístup poskytuje cenné informace pro regulační opatření zaměřená na zlepšení kvality vnitřního i venkovního prostředí.

Abstract:

Humans have a remarkable capacity to influence their surrounding environment. Throughout history, our continuous efforts to shape nature in ways that enhance our lives have often resulted in environmental contamination, which has been considered as the cause of disruption of ecosys-tems and adverse effects on human health. The present thesis aims to address some gaps of knowledge regarding endocrine-disrupting effects of complex mixtures from indoor environment and outdoor air, which indicate their potential risks for human health. This work is based on three studies utilizing a battery of in vitro bioassays de-signed to evaluate the samples' interference with key endpoints indicative of endocrine disruption, i.e., Aryl hydrocarbon Receptor (AhR)- and thyroid hormone receptor (TR)-mediated activity, anti-/estrogenic and anti-/androgenic effects, glucocorticoid activity, and the ability to displace thyrox-ine (T4) from its physiological transporter, transthyretin (TTR). Additionally, extensive chemical analyses provided data on the chemical profile of samples from different indoor types and outdoor air and served as an input to investigate the contribution of the detected chemicals to the ob-served bioactivity. Specifically, in Study I, two size fractions of dust samples (fine and bulk) from seven different types of indoor environment were extracted with either methanol or hexane: acetone to provide two sets of exhaustive organic extracts with different polarities. The effect assessment of both extract types revealed AhR-mediated activity, anti-/estrogenicity, anti-/androgenicity, anti-TR, and gluco-corticoid activity, as well as the ability to displace T4 from TTR, of pollutant mixtures from at least one type of sampled indoor environments. Further, besides exhaustive extraction by organic solvents, the fine dust fraction was extracted using a physiologically based extraction test (PBET) which simulated the gastrointestinal (GI) environment. The assessment of the obtained bioacessi-ble fine dust fraction mostly showed decreased endocrine disrupting potential compared to the effects elicited by exhaustive organic extracts. Nevertheless, bioacessible extracts of dust from offices and public spaces exhibited greater estrogenicity than exhaustive organic extracts. The organic extracts underwent further extensive chemical analysis, which detected 114 chemicals, including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs), organochlo-rine pesticides (OCPs), polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), novel flame retardants (NFR), bisphenols (BP), current-use pesticides (CUPs), organophosphate flame retardants (OPFRs), and per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) in dust samples from different types of indoor envi-ronment. In Study I, organic and bioaccessible samples from prefabricated apartments exhibited glucocorti-coid activity. Given the relevance of this effect to human health and the lack of knowledge on its possible effect-drivers, we proceeded with Study II to identify the compounds responsible for glucocorticoid activity in the indoor dust samples. Therefore, we applied an effect-directed analy-sis (EDA) approach supported by orthogonal fractionation. This workflow led to the identification of two potent pharmaceuticals, clobetasol propionate and mometasone furoate, as key contribu-tors to glucocorticoid activity in the indoor dust samples. This effort resulted in the first identifica-tion of pharmaceuticals as potent effect-drivers in indoor dust. Study III presents an assessment of outdoor air samples from 20 sites in seven South and Central American countries obtained with XAD-based passive samplers. This work expands the Latin Ameri-can Passive Atmospheric Sampling Network (LAPAN) by incorporating effect-based monitoring for samples collected under the Stockholm Convention’s Global Monitoring Program. For the first time, we documented AhR-mediated activity in air samples collected with XAD-based

Abstract:

resins. AhR-mediated activity was detected in 18 out of 20 urban, industrial, suburban, and background sites across Antigua and Barbuda, Argentina, Brazil, Chile, Colombia, Honduras, and Peru, possibly linked to biomass burning, traffic emission and industrial activities. The presence of compounds with AhR-mediated activity raises concerns about the air quality in this region as this pathway's activation is linked to potential health risks. The assessment of indoor dust in the Czech Republic and outdoor air in the GRULAC region shows presence of both known and unknown chemicals capable of interfering with key receptors affect-ing endocrine regulation. Some of these chemicals in indoor dust are bioaccessible, raising con-cerns about oral exposure, particularly in children. The detection of restricted/banned substances in certain dust and air samples highlights the persistence of specific chemical classes in both indoor and outdoor environments, while the presence of potent pharmaceuticals in indoor dust docu-ments their possible contribution to toxic potentials of indoor pollutant mixtures. The results of this work highlight the added value of combining bioassays with chemical analysis as bioanalytical tools for assessing complex environmental mixtures. The use of a battery of human cell-based bioassays provides insight into the joined endocrine disrupting effects of all chemicals in the samples, while chemical analyses aid in the characterization and identification of contributing compounds. This integrated approach provides important information towards regulatory efforts focused on managing both indoor and outdoor environmental quality.

Keywords

Chemické směsi, Biologicky dostupné extrakty, Bioanalýzy založené na lidských buňkách, Ortogonální frakcionace, Zdravotní rizika, Endokrinní disruptory, Vnitřní prach, Toxikologický profil, Farmaceutické kontami-nanty, Glukokortikoidní aktivita, Chemical Mixtures, Bioaccessible Extracts, Human Cell-Based Bioas-says, Orthogonal Fractionation, Health Risks, Endocrine Disruptors, In-door Dust, Toxicological Profile, Pharmaceutical Contaminants, Gluco-corticoid Activity

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 13. 3. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 24. 4. 2025
• Vedoucí: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Oponent: Selim Aït-Aïssa, PhD, Pawel Rostkowski, PhD

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Životní prostředí a zdraví / Environmentální chemie a toxikologie