Toxikologické hodnocení komplexních směsí vzorků životního prostředí a jejich složek v modelech in vitro

Mgr. Lenka Pálková, Ph.D.

Doctoral thesis

Toxicological assessment of environmental complex mixtures and their components in models in vitro

Abstract:

Během posledních let byly velmi intenzívně zkoumány toxické účinky kontaminantů životního prostředí. Stále však nejsou zcela známy jednotlivé mechanismy toxicity aromatických kontaminantů prostředí přítomných v komplexních směsích. Kontaminace vodních zdrojů je zvláště předmětem obav, neboť zdroje potravy a pitná voda mohou pocházet z povrchových vod. V několika předchozích studiích představovala mutagenita, toxicita zprostředkovaná receptorem pro aromatické uhlovodíky (AhR) a estrogenita převážný způsob toxicity chemických kontaminantů spojených s říčními sedimenty, obvzláště v malých řekách. Reproduktivní dysfunkce nebo karcinogenita může být způsobena kontaminanty životního prostředí vázající se na AhR (dioxinová toxicita) nebo estrogenní receptory (ER). Cílem této studie bylo charakterizovat toxické účinky organických polutantů přítomných v komplexních směsích v životním prostředí. V této studii byla použita kombinace in vitro metod a chromatografické frakcionace, která pomáhá rozdělit skupiny kontaminantů s podobnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi a určit, které individuální frakce mají biologickou (toxickou) aktivitu a mají být předmětem následné analýzy (effect-directed analysis - EDA). Pomocí metod GC-MS/MS, LC-MS/MS, a HPLC-DAD bylo identifikováno více než 200 chemických sloučenin a chemických skupin. Dioxinová toxicita extraktů říčních sedimentů byla způsobena převážně polycyklickými aromatickými sloučeninami, především polycyklickými aromatickými uhlovodíky (PAH), nikoliv persistentními sloučeninami (polychlorovanými dibenzo-p-dioxiny (PCDD), polychlorovanými dibenzofurany (PCDF) a polychlorovanými bifenyly (PCB) aj.). Hodnocením pomocí toxických ekvivalenčních faktorů byly identifikovány US-EPA PAH zodpovědnými z velké části za tuto toxicitu. Podstatný příspěvek k celkové estrogenní aktivitě měly především endogenní estrogenní hormony detekované v polárních frakcích, především17β estradiol (E2) a estron (E1), zatímco některé průmyslové kontaminanty (dialkylestery kyseliny ftalové aj.) hrály minoritní úlohu. Podle těchto výsledků byly dále testovány vybrané chemické sloučeniny ze skupin: (A) polycyklických aromatických sloučenin (PAH); (B) heterocyklických sirných aromatických sloučenin (PASH) – deriváty thiofenu; (C) kontaminanty pocházející z kosmetických a hygienických prostředků; (D) PCB. V těchto skupinách bylo identifikováno několik silných AhR agonistů – několik PAH a derivátů thiofenu, zatímco několik kontaminantů pocházejících z kosmetických a hygienických prostředků mohou narušit endokrinní funkce interakcí s ER.

Abstract:

Toxic effects of environmental pollutants have been studied extensively during last decades. However, individual mechanisms of toxicity of organic contaminants present in the environmental complex mixtures are still far from being understood. Contamination of aquatic environment is of particular concern because food resources and some drinking water come from surface waters. In several previous studies, mutagenicity, aryl hydrocarbon receptor (AhR)-mediated toxicity and estrogenicity have represented significant toxic modes of action of chemical contaminants associated with river sediments, especially in small rivers. Reproductive dysfunction or carcinogenicity can result from exposure to environmental contaminants binding to AhR or estrogenic receptors (ERs). The goal of this study was to characterise toxic effects of organic environmental pollutans, which were present in environmental complex mixtures. In this study, combination of high-throughput in vitro bioassays with chromatographic fractionation techniques helps to disssociate effects to groups of contaminants with similar physicochemical properties and thus to priorize individual toxic fractions for subsequent effect-directed analysis (EDA). Additionally, more than 200 compounds and compound classes were identified using GC-MS/MS, LC-MS/MS, and HPLC-DAD methods. We found that the AhR-mediated toxicity of extracts of river sediments was caused predominantly by polycyclic aromatic compounds, especially by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and not by persistent dioxin-like compounds (including polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDD), polychlorinated dibenzofurans (PCDF) and polychlorinated biphenyls (PCB)). Toxic equivalency factor approach identified US-EPA PAHs as dominating contributors to this type of toxicity. Major estrogenic activities were found in polar fractions but this type of toxicity of sediments was generally low, only 17β estradiol (E2) and estrone (E1) were found to be the significant contributors to the estrogenic activity, while contribution of industrial xenoestrogens, such as dialkyl phthalates, were negligible. Based on these results, we focused on four environmentally significant chemical groups: (A) polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH); (B) heterocyclic aromatic sulphur-containing compounds (PASH) – thiophene derivatives; (C) chemicals from personal care products; (D) and polychlorinated biphenyls (PCB). From these groups were found several PAH and thiophene derivatives to be strong AhR agonists, while several musk compounds may interfere with endocrine functions.

Keywords

Kontaminanty životního prostředí, ER (estrogenní receptor), AhR (receptor pro aromatické uhlovodíky), cytochromy P450, apoptóza, genotoxicita, oxidativní stres. Environmental contaminants, ER (estrogen receptor), AhR (aryl hydrocarbon receptor), cytochrome P450, apoptosis, genotoxicity, oxidative stress.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 1. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 9. 3. 2015
• Supervisor: RNDr. Miroslav Machala, CSc.
• Reader: prof. RNDr. Zdeněk Dvořák, DrSc. et PhD., prof. RNDr. Lenka Skálová, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biochemistry