Dokument: Molekulare Untersuchungen zur Spezies-spezifischen Toxizität entwicklungsneurotoxischer Substanzen

Titel:	Molekulare Untersuchungen zur Spezies-spezifischen Toxizität entwicklungsneurotoxischer Substanzen
Weiterer Titel:	Molecular investigations of the species-specific toxicity of developmentally neurotoxic compounds
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34534
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150616-090453-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Baumann, Jenny [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 8,03 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.06.2015 / geändert 09.06.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Fritsche, Ellen [Gutachter] Prof. Dr. Urlacher, Vlada [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Das Thema Entwicklungsneurotoxizität stößt sowohl wissenschaftlich als auch gesellschaftspolitisch seit einigen Jahren auf sehr großes Interesse, da schon eine geringe Beeinflussung der kognitiven Fähigkeiten große Auswirkungen auf die gesellschaftliche Verteilung der Intelligenz mit sich trägt. Die Prüfung von Chemikalien auf Entwicklungsneurotoxizität erfolgt derzeit noch im Tierversuch. Im Zuge des vom U.S. National Research Council eingeleiteten Paradigmenwechsels in der toxikologischen Testung wird jedoch die Entwicklung neuer Testmethoden und Modelle empfohlen, mit denen zum einen die Kosten und der zeitliche Aufwand einer Testung reduziert werden und zum anderen eine schnelle Datenerfassung zur Risikobewertung und eine bessere Identifizierung toxikologischer Me-chanismen erfolgen kann. Zudem lässt die Extrapolation von im Tier erhobenen Befunden auf den Menschen und somit die Vorhersagbarkeit von Toxizitätsstudien im Tier wegen molekularer Spezies-unterschiede zu wünschen übrig. In der vorliegenden Dissertation wurde ein in vitro Screeningassay für die Entwicklungsneurotoxizitäts-testung, der auf als Neurosphären wachsenden primären neuralen Progenitorzellen von Mensch und Ratte basiert, hinsichtlich Vorhersagekraft und biologischer Applikationsdomäne durch die Testung eines Chemikalien-Trainingssets charakterisiert. Weiterhin wurden anhand des Antiepileptikums Natri-umvalproat molekulare Speziesunterschiede sowie deren Bedeutung für den Prozess der Risikobe-wertung von Chemikalien für die Gesundheit des Menschen genauer untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren die physiologische Relevanz des Neurosphärenmodells für die in vivo Gehirnentwicklung, denn humane und Rattenneurosphären bilden in vitro essentielle Hirnentwicklungsprozesse (Progenitorzell-Proliferation, Migration und Differenzierung zu neuralen Effektorzellen) ab, die in vivo zum Zeitpunkt der Zellpräparation tatsächlich ablaufen. Die Testung eines Trainingssets (Methylquecksilberchlorid, Natriumarsenit, Chlorpyrifos, Parathion, Methylazoxy-methanolazetat, Natriumvalproat, Glutamat, Paracetamol und Penicillin G) im Neurosphärenassay von Ratte und Mensch, der Chemikalieneffekte auf die Endpunkte Proliferation, Migration und neuronale Differenzierung parallel zur Zellviabilität untersucht, ergab eine richtige Erkennung von vier der sechs entwicklungsneurotoxischen Positivsubstanzen und aller drei Negativsubstanzen unter Verwendung eines Parallelogrammansatzes. Die Sensitivität von humanen und Rattenneurosphären auf die Test-chemikalien unterschied sich jedoch maßgeblich, wobei die Ratte in der Regel die empfindlichere Spezies war. Molekulare Untersuchungen zu der Spezies-spezifischen Entwicklungsneurotoxizität von Natriumvalproat zeigten, dass eine Inhibierung der Proliferation durch eine Histondeazetylase (HDAC) Inhibierung vermittelt wird und eine höhere Empfindlichkeit der Ratte wahrscheinlich auf eine höhere Expression von HDAC1 in Rattenneurosphären zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu ruft Natrium-valproat eine Verminderung des Anteils junger Neurone durch die Einleitung Caspase-abhängiger Apoptose nach oxidativem Stress in differenzierten Rattenneurosphären hervor, wohingegen es in humanen Neurosphären die neuronale Differenzierung ebenso durch eine HDAC Inhibierung hemmt. Unterschiede im Wirkmechanismus und auch die höhere Sensitivität der Ratte gegenüber Natriumval-proat scheinen durch eine vielfach höhere Expression des Adenin Nukleotid Translokators 1 (ANT1) begründet zu sein. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation zeigen, dass der Neurosphärenassay von Ratte und Mensch ein geeignetes in vitro System für die Entwicklungsneurotoxizitätstestung ist und die Möglich-keit bietet, molekulare Speziesunterschiede zu untersuchen. Die Einordnung solcher Ergebnisse in das „Adverse Outcome Pathway“ Konzept kann zu einem tieferen Verständnis entwicklungsneurotoxi-kologischer Speziesunterschiede beitragen und eine verbesserte Risikoabschätzung von Chemikalien für die menschliche Gesundheit ermöglichen. Developmental neurotoxicity is a huge social threat because small influences on individual cognitive abilities can have a big impact on the distribution of society’s intelligence. Toxicological testing for developmental neurotoxicity is currently performed in animals. However, due to a paradigm shift in toxicology promoted by the U.S. National Research Council, the development of new test methods and models, which are less resource-intensive in terms of time and costs and enable a fast data gen-eration and identification of toxicological mechanisms, is highly recommended. Moreover, due to species differences, the extrapolation of animal-derived findings and therefore the predictability of toxicological animal experiments for human hazards is insufficient. In the present dissertation, an in vitro screening assay for developmental neurotoxicity testing, which is based on human and rat primary neural progenitor cells growing as neurospheres, was character-ized regarding its predictive value and biological application domain by testing a training set of chemicals. Furthermore, molecular species differences in sensitivity towards the antiepileptic drug sodium valproate (VPA) were analyzed and placed into the context of chemical risk assessment for human health. The results of this thesis demonstrate the physiological relevance of the neurosphere model for in vivo brain development as human and rat neurospheres mimic crucial neurodevelopmental processes (progenitor cell proliferation, migration, differentiation to neural effector cells) which actually take place in vivo at the time of cell preparation. Testing a training set of chemicals (methylmercury chloride, sodium arsenite, chlorpyrifos, parathion, methylazoxymethanol acetate, VPA, glutamate, acetaminophen and penicillin g) in the human and rat neurosphere assay, which analyses chemical effects on the endpoints proliferation, migration and neuronal differentiation in parallel to cell viability, revealed a correct classification of four out of six developmental neurotoxic positive compounds and all three negative compounds by applying a parallelogram approach. However, human and rat neurospheres differed in their sensitivity towards the testing chemicals with the rat being in general the more susceptible species. Molecular investigations of the species-specific developmental neurotoxicity of VPA showed that an inhibition of proliferation is mediated by histone deacetylase (HDAC) inhibition and a higher sensitivity of the rat is probably attributed to a higher HDAC1 expression in rat neurospheres. In contrast, VPA reduced the amount of young neurons in differentiated rat neurospheres by inducing caspase-dependent apoptosis which is due to oxidative stress, whereas HDAC inhibition seems to be the responsible mechanism for an inhibition of neuronal differentiation in human neurospheres. Divergent toxicity mechanisms and the higher sensitivity of rat neurospheres to sodium valproate seem to be connected to a substantially higher expression of adenine nucleotide translocator 1 (ANT1) in rat neurospheres. The results of this thesis show that the human and rat neurosphere assay is a suitable in vitro method for developmental neurotoxicity screening of chemicals and enables an investigation of molecular species differences. The integration of such results into the “adverse outcome pathway” concept may contribute to a deeper understanding of species differences in developmental neurotoxicity and thus enable an improved chemical risk assessment for human health.
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Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » An-Institute » Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) an der HHU
Dokument erstellt am:	16.06.2015
Dateien geändert am:	16.06.2015
Promotionsantrag am:	07.04.2015
Datum der Promotion:	11.05.2015