Dokument: Polybrominated Diphenyl Ethers Disturb Neural Development in Mice and Men

Titel:	Polybrominated Diphenyl Ethers Disturb Neural Development in Mice and Men
Weiterer Titel:	Polybromierte Diphenylether stören die Gehirnentwicklung von Mäusen und Menschen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=15631
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20100715-091623-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Schreiber, Timm [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,67 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.07.2010 / geändert 14.07.2010
Beitragende:	Prof. Dr. Fritsche, Ellen [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Willbold, Dieter [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Hengstler, Jan [Gutachter]
Stichwörter:	PBDE, Toxikologie, Neurosphäre, Human, Entwicklung
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) are persistent and bioaccumulative flame retardants that are of concern as they are ubiquitous and potentially toxic; and they have been found at rapidly rising levels in humans during the past few decades. The greatest concern of PBDEs for potential adverse health effects relates to their developmental neurotoxicity (DNT). Various PBDE congeners caused behavioral alterations like hyperactivity and disrupted performance in learning and memory tests in perinatally exposed mice and rats. To facilitate hazard assessment for humans, the impact of PBDEs on human neurodevelopment in vitro and the mechanisms underlying these changes were investigated. For these analyses, two of the most prominent congeners found in human tissues, the tetra-brominated BDE-47 and the penta-brominated BDE-99, were used. The effects of these PBDEs on endpoints that are specific for developmental neurotoxicity, proliferation, migration and differentiation, as well as on cell viability were investigated in a human model that mimics brain development in vitro. PBDEs did not disturb human neural progenitor cell (hNPC) viability and proliferation, but decreased migration distance of hNPCs. Moreover, they caused a reduction of differentiation into neurons and oligodendrocytes. Simultaneous treatment with the thyroid hormone receptor (THR) agonist T3 rescued these effects on migration and differentiation, while the THR antagonist NH-3 did not exert an additive effect. Thus, PBDEs disturb development of hNPCs in vitro via endocrine disruption of cellular thyroid hormone signalling at concentrations that might be of relevance for human health. Besides these endocrine disrupting properties, PBDEs are known to cause disturbances in calcium homeostasis. Thus, the effects of BDE-47 and its hydroxylated metabolite 6-OH-BDE-47 on intracellular Ca2+ [Ca2+]i -homeostasis in hNPCs were investigated. Acute exposure of hNPCs to BDE-47 or 6-OH-BDE-47 resulted in a significant increase in [Ca2+]i. Using the mitochondrial uncoupler FCCP and the sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA)-inhibitor Thapsigargin (TG) to empty intracellular Ca2+-stores, it was discovered that the increase in [Ca2+]i depends on intracellular Ca2+-release from the ER as well as from mitochondria. Additionally, some currents seem to be caused by influx of extracellular Ca2+. The hydroxylated metabolite 6-OH-BDE-47 was more potent in disturbing Ca2+-homeostasis in hNPCs than its parent compound BDE-47. These findings show that oxidative metabolism of PBDEs could increase their neurotoxic potential for human neural progenitor cells. In order to extrapolate the human in vitro data to results obtained in rodents in vivo, the effects of PBDEs on murine neural progenitor cell (msNPC) development were investigated. PBDEs did not disturb viability and proliferation of murine neurospheres. Furthermore, in contrast to the effects on human cells, PBDEs did not disturb migration and neurogenesis in msNPCs. However, BDE-99 caused a reduction of differentiation into oligodendrocytes, which was also seen in hNPCs. Although the effects of PBDEs on neural development could be rescued by co-administration of thyroid hormone (T3) in both species, hNPCs showed a higher sensitivity to T3. These discrepancies in the effects of PBDEs and T3 were due to different expression patters of thyroid hormone receptors. Accordingly, human neural progenitor cells show an enhanced sensitivity towards PBDE-induced neurotoxicity in comparison to their murine counterparts. This species-specific difference is the result of diversely developed thyroid hormone systems in vivo in rodents and humans during development. The data obtained in this study give mechanistic support to recent epidemiologic observations that PBDEs cause neurobehavioral disturbances in children. Polybromierte Diphenylether (PBDE) sind persistente und bioakkumulierende Flammschutzmittel, die ubiquitär in der Umwelt vorhanden und potentiell toxisch sind. Des Weiteren wurde in den letzten Jahrzehnten ein starker Anstieg der PBDE-Konzentration in menschlichem Gewebe registriert. Die wohl größte Gefahr für die menschliche Gesundheit geht von den entwicklungsneurotoxischen Eigenschaften der PBDE aus. So wurde in aktuellen Studien nachgewiesen, dass verschiedene PBDE-Kongenere zu Verhaltensauffälligkeiten wie Hyperaktivität und Störungen des Lernens und des Gedächtnisses bei Mäusen und Ratten führen. Um das Gefährdungspotential für den Menschen abschätzen zu können, wurden die Auswirkungen von PBDE auf die humane neurale Entwicklung in vitro untersucht. Außerdem wurden die molekularen Mechanismen erforscht, die den beobachteten Veränderungen zugrunde liegen. Für diese Analysen wurden zwei der am häufigsten in humanem Gewebe gefundenen Kongenere verwendet, das tetra-bromierte BDE-47 und das penta-bromierte BDE-99. Der Einfluss dieser PBDE auf die für Entwicklungsneurotoxizität spezifischen Endpunkte, Proliferation, Migration und Differenzierung, sowie auf die Viabilität wurde mit Hilfe eines humanen Modells untersucht, welches die basalen Prozesse der Gehirnentwicklung in vitro widerspiegelt. PBDE wirkten sich weder auf die Viabilität noch auf die Proliferation humaner neuraler Progenitorzellen (hNPCs) aus, führten jedoch zu einer Verkürzung der Migrationsstrecke. Zudem verursachten sie eine Inhibition der Differenzierung von hNPCs zu Neuronen und Oligodendrozyten. Eine simultane Exposition mit dem Thyroidhormonrezeptor (THR)-Agonisten T3 hob die Effekte auf die Migration und die Differenzierung auf, indes zeigte der THR-Antagonist NH-3 keine additiven Effekte. Folglich bewirken PBDE eine Störung der Entwicklung von hNPCs in vitro durch endokrine Disruption des Thyroidhormon-Signalweges. Neben ihren Eigenschaften als endokrine Disruptoren ist bekannt, dass PBDE die Kalzium-Homöostase beeinträchtigen. Aus diesem Grund wurden die Effekte von BDE-47 und seines Metabolits 6-OH-BDE-47 auf die intrazelluläre Ca2+-Homöostase in hNPCs untersucht. Die Belastung der Zellen mit BDE-47 oder 6-OH-BDE-47 führte zu einem akuten Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration [Ca2+]i. Mit Hilfe des mitochondrialen Entkopplers FCCP und des SERCA-Inhibitors Thapsigargin konnte geklärt werden, dass der Anstieg seinen Ursprung im endoplasmatischen Retikulum (ER) sowie in den Mitochondrien hat. Ein weiterer Teil des Kalziumstroms beruhte auf einem Einstrom von extrazellulärem Ca2+. Auffällig war, dass der hydroxylierte Metabolit 6-OH-BDE-47 einen stärkeren Effekt auf die Kalzium-Homöostase zeigte als die Ursprungssubstanz BDE-47. Diese Untersuchungen zeigen, dass der oxidative Metabolismus das neurotoxische Potential der PBDE für humane Zellen erhöhen kann. Um zu klären, ob PBDE auch eine Gefährdung für die menschliche Gesundheit in vivo darstellen, und um die Unsicherheiten, die mit der Extrapolation von Ergebnissen aus Tierversuchen auf den Menschen einhergehen, zu verringern, wurden die Auswirkungen von PBDE auf murine neurale Progenitorzellen (msNPC) untersucht. PBDE beeinflussten weder die Viabilität noch die Proliferation von murinen Neurosphären. Im Gegensatz zu den Effekten in humanen Zellen führte eine Exposition auch nicht zu einer Inhibition der Migration oder der Neurogenese in msNPCs. BDE-99 hingegen führte zu einer signifikanten Reduktion der Oligodendrozyten, ein Effekt, der auch in humanen Neurosphären zu beobachten war. Obwohl die Effekte der PBDE auf die neurale Entwicklung in beiden Spezies durch eine Ko-Applikation von Thyroidhormon (T3) aufgehoben werden konnten, zeigten humane Zellen eine stärkere Reaktion auf die Stimulation mit T3. Die beobachteten Unterschiede in der Reaktion auf PBDE und T3 ließen sich auf unterschiedliche Expressionsmuster der verschiedenen Isoformen des Thyroidhormon-Rezeptors zurückführen. Dementsprechend zeigen humane neurale Progenitorzellen eine erhöhte Sensitivtät gegenüber PBDE-induzierter Neurotoxizität im Vergleich zu murine Zellen. Diese spezies-spezifischen Unterschiede spiegeln sich auch in vivo durch unterschiedlich entwickelte TH-Systeme in Nagetieren und dem Menschen während der Entwicklung wider. Folglich geben diese Daten Aufschluss über die den entwicklungsneurotoxischen Eigenschaften der PBDE zugrundeliegenden Mechanismen und unterstützen somit aktuelle epidemiologische Studien, denen zufolge eine erhöhte PBDE-Belastung während der Entwicklung mit Verhaltensauffälligkeiten bei Kindern korreliert.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » An-Institute » Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) an der HHU
Dokument erstellt am:	15.07.2010
Dateien geändert am:	14.07.2010
Promotionsantrag am:	06.05.2010
Datum der Promotion:	06.07.2010