Biochemické a buněčné mechanismy toxicity cizorodých látek ovlivňujících hormonální rovnováhu

Mgr. Petra Kubincová, Ph.D.

Doctoral thesis

Biochemical and cellular mechanisms of toxic compounds affecting hormonal regulations

Abstract:

V životním prostředí existují různé látky, které mohou mít nepříznivý vliv na lidské zdraví a volně žijící živočichy a mohou působit mnoha mechanizmy. Tyto látky je důležité intenzivně studovat z hlediska jejich toxicity. Testování toxicity látek a jejich účinků na lidské zdraví prochází paradigmatickým posunem od klasických laboratorních studií na zvířatech přes in silico a in vitro testy až ke komplexnějším a sofistikovanějším přístupům v testování. Tato nová strategie hodnocení lidských rizik je založena na metodách, které budou levnější, rychlejší (díky použití tzv. vysoko výkonného přístupu) a srovnatelnější s expozicemi v reálném životě u lidí. Dalším klíčovým aspektem tohoto nového přístupu je pochopení jakým způsobem vede chemické poškození genetických a/nebo buněčných signálních drah k nežádoucím zdravotním následkům. Tato práce se zabývá nedávnou revolucí v testování toxicity pro hodnocení zdravotních rizik a popisuje tyto změny na základě příkladu testování akutní toxicity (Studie I) a chemických látek narušujících endokrinní systém (EDCs). Tato práce dále přispívá k lepšímu porozumění mechanizmů toxicity prioritních chemikálií, jako jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAHy), díky výsledkům z mechanistických studií založených na screeningu in vitro (Studie II a III). Studie I je zaměřena na alternativní metody pro hodnocení akutní systémové toxicity, jejich přehled a postavení v moderním hodnocení rizika pro lidské zdraví. V současné době neexistují žádné in vitro alternativní metody nebo jejich kombinace, které by mohly plně nahradit in vivo testování akutní systémové toxicity. Alternativní metody hrají však zásadní roli v predikci akutní toxicity, zejména v rámci stupňovitého schématu testování. Validované testy in vitro se mohou používat k odhadu počátečních dávek pro akutní testy in vivo perorální letality a potenciálně tak mohou snížit používání zvířat až o 50%. Dále mohou být užitečné pro stanovení schopnosti penetrace látky přes kůži a pro hodnocení hematotoxicity. EDCs jsou hormonálně aktivní látky, které mají schopnost ovlivňovat fungování endokrinního systému. EDCs bývají spojeny s mnoha škodlivými zdravotními následky u lidí, včetně nepříznivých vývojových nebo reprodukčních účinků. PAHy, jako všudypřítomné znečišťující látky nacházející se ve znečištěném ovzduší nebo ve vnitřním a venkovním prachu, jsou dobře prostudovanou skupinou EDCs. Jejich nepříznivé účinky zdokumentovala řada vědeckých studií. Tato práce dále rozšiřuje znalosti o nepříznivých účincích PAHů a jejich možném mechanizmu působení. Studie II se zaměřuje na vývojovou toxicitu PAHů a jejich derivátů prostřednictvím retinoidní signalizace, která je nezbytná pro normální vývoj embrya. Studie III pojednává o příspěvku účinků PAHů v mužské infertilitě prostřednictvím dysregulace mezibuněčné komunikace zprostředkované mezerovými spoji (GJIC), která je nezbytná pro správnou funkci mužského reprodukčního systému.

Abstract:

There are diverse substances present in the environment which can have adverse impacts on the human health and wildlife and act by multiple mechanisms. These substances need to be effectively assessed in terms of their toxicity. Toxicity testing for human health effects is undergoing a paradigm shift from classical laboratory animal studies to in silico and in vitro assays in a more complex and sophisticated way. This new strategy in human risk assessment is based on methods that will be cost effective, with a higher throughput, and will be more comparable to real-life exposures in humans. Additionally, a key aspect of this new testing approach is to understand how chemical perturbations of genetic, epigenetic and/or cellular functional pathways can lead to adverse health outcomes. This thesis deals with the recent revolution in the toxicity testing for human health risk assessment and describes this shift based on an example of acute toxicity testing (Study I) and endocrine disrupting chemicals (EDCs). Further, this thesis also contributes in mechanism-based in vitro screening to better understand the mechanisms of toxicity of prioritized chemicals such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) (Study II and III). Study I provides a brief overview of alternative methods in acute systemic toxicity and focuses on their position in the modern human health risk assessment. Currently, there is none of the in vitro alternative methods or their combinations which could fully replace in vivo methods for acute systemic toxicity. However, they play an essential role in the prediction of acute systemic toxicity, mainly in tiered-based screening and testing strategy. The validated in vitro methods are used to estimate starting doses for acute in vivo oral lethality assays, which could potentially reduce animal use by as much as 50 %. They are also useful for determining the skin penetration of a substance and for assessing hematotoxicity. EDCs are hormonally active chemicals that possess the ability to interfere in the functioning of the endocrine system. EDCs are associated with many detrimental health outcomes including adverse developmental or reproductive effects in humans. PAHs as ubiquitous contaminants present in the air pollution, indoor and outdoor dust, are a well-recognized group of EDCs. Their adverse effects were documented by many scientific papers. The present thesis extends current knowledge on adverse effects of PAHs and on their modes of action. Study II focuses on developmental toxicity of PAHs and their derivates through retinoid signalling, necessary for normal embryonic development. Study III deals with the contribution of PAHs in male infertility through dysregulation of testicular gap junctional intercellular communication (GJIC), necessary for proper function of male reproduction system.

Keywords

alternativní metody, endokrinní disruptory, konexiny, mezibuněčná komunikace zpostředkovaná mezerovými spoji, polycycklické aromatické uhlovodíky, retinoidy, samčí plodnost, toxikologické testování alternative methods, connexins, endocrine disruptors, gap junctional intercellular communication, male fertility, polycyclic aromatic hydrocarbons, retinoids, toxicity assessment

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 9. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 1. 11. 2019
• Supervisor: RNDr. Iva Sovadinová, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Norbert Lukáč, PhD., MUDr. Dagmar Jírová, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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