Dokument: Molecular and functional analysis of toxicity pathways contributing to chemical induced developmental neurotoxicity in neural progenitor cells of human and rodent

Titel:	Molecular and functional analysis of toxicity pathways contributing to chemical induced developmental neurotoxicity in neural progenitor cells of human and rodent
Weiterer Titel:	Molekulare und funktionelle Untersuchung toxischer Signalwege in der Entwicklungsneurotoxizität von Chemikalien in neuralen Progenitor Zellen von Mensch und Nager
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44776
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180201-105116-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Masjosthusmann, Stefan [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 16,55 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 01.02.2018 / geändert 01.02.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Fritsche, Ellen [Gutachter] Prof. Urlacher, Vlada [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Chemikalien-induzierte Entwicklungsneurotoxizität (ENT) stellt ein lange unterschätztes Gesundheitsrisiko für die Gesellschaft dar. Es herrscht Einigkeit darüber, dass mehr Chemikalien auf ihr entwicklungsneurotoxisches Potenzial getestet werden müssen, um existierende Datenlücken zu füllen und eine bessere Risikobewertung zu ermöglichen. Labortiere sind kein geeignetes Model für die Testung einer hohen Anzahl an Chemikalien, da sie zu kosten- und zeitintensiv sind, zu viele Tiere verbraucht werden und es Unsicherheiten in der Methodik und der Vorhersagekraft gibt. Alternative Modelle, die zu einer ENT-Testbatterie zusammengestellt werden, könnten die Effekte einer Vielzahl von Chemikalien auf verschiedene wesentliche Prozesse der Gehirnentwicklung untersuchen und überwinden dabei einige Limitationen der in vivo Testung. Ein geeignetes Model als Teil einer ENT-Testbatterie ist der ‚Neurosphären Assay‘, welcher neurale Progenitorzellen (NPC) von Mensch und Nager, gewachsen als dreidimensionale Neurosphären, verwendet und verschiedene Schlüsselereignisse, wie Proliferation, Migration und Differenzierung in die drei Hauptzelltypen des Gehirns, abbildet. Die drei Manuskripte in dieser Dissertation zeigen eine biologische Charakterisierung und Validierung des ‚Neurosphären Assays`, analysieren die Fähigkeit des Assays entwicklungsneurotoxische Positiv- und Negativsubstanzen korrekt vorauszusagen und verwenden den Assay für eine mechanistische Untersuchung der Arsen-induzierten ENT. Dabei wurden all diese Punkte in einer Spezies-vergleichenden Weise durchgeführt. Die Analyse von mRNA Profilen in sich entwickelnden neuralen Progenitorzellen von Mensch, Maus und Ratte hat gezeigt, dass, obwohl die verschiedene Spezies unterschiedlichen Änderungen ihrer Expressionsprofile über die Zeit der Differenzierung unterliegen, wesentliche Prozesse der Gehirnentwicklung wie Migration, Neurogenese oder Gliogenese in allen Spezies überrepräsentiert sind. Basierend auf den mRNA Profilen konnten Schlüsselregulatoren für verschiedene dieser Prozesse identifiziert werden (BMP2, NOTCH1, EGFR). Die pharmakologische Modulation dieser Regulatoren definierte deren Bedeutung für die Entwicklung neuraler Progenitorzellen und deckte zudem Spezies-spezifische zelluläre Antworten auf. Des Weiteren demonstriert diese Dissertation, dass Neurosphären von Mensch und Ratte in der Lage sind, sieben Chemikalien aus einem Testsatz, bestehend aus sechs ENT-Positiv- und drei ENTNegativsubstanzen, korrekt zu identifizieren und dass es auch hier für die meisten dieser Chemikalien Unterschiede in der Sensitivität zwischen den Spezies gibt. Durch die molekulare Untersuchung des Mechanismus der Arsen-induzierten ENT im ‚Neurosphären Assays‘, zeigt diese Dissertation, dass Arsen, wahrscheinlich über die Generierung reaktiver Sauerstoff Spezies, die Prozesse neuronale- und Oligodendrocyten-Differenzierung stört. Zusammenfassend, steigern diese Ergebnisse das Vertrauen in den ‚Neurosphären Assay‘ und unterstützen dessen Anwendung als Teil einer ENT-Testbatterie. Diese Methode ist in der Lage Speziesunterschiede in der molekularen Signatur von Transkriptomdaten und in der Sensitivität gegenüber ENT Substanzen aufzudecken und ist zudem geeignet die molekularen Mechanismen der ENT aufzuklären. Diese Arbeit zeigt weiter, dass auf menschlichen Zellen basierende Modellsysteme für die Vorhersage humaner Toxizität bevorzugt werden sollten und das ein translationaler Ansatz, basierend auf dem Wissen von in vitro Speziesvergleichen, eine bessere Risikobewertung im Menschen ermöglicht als derzeit übliche in vivo Verfahren im Nager. Chemical-induced developmental neurotoxicity (DNT) presents a long-underestimated health risk to our society. There is a consensus that more chemicals need to be tested for their potential to induce DNT to fill the current knowledge gap and facilitate a better human risk assessment. Laboratory animals are no suitable model for large scale DNT testing as they consume high amounts of money, time and animals and are subject to uncertainties in their methodology and predictive power due to species differences. Alternative models, assembled in a DNT testing battery, can evaluate chemical effects on many major neurodevelopmental key events and overcome several limitations of in vivo testing. A wellsuited model, as part of a DNT testing battery, is the ‘Neurosphere Assay’, which employs human and rodent neural progenitor cells (NPC) grown as three dimensional neurospheres that mimic several neurodevelopmental key events like cell proliferation, migration and differentiation into the three major brain effector cells. The three manuscripts included in this thesis, provide a biological characterization and validation of the ‘Neurosphere Assay’, analyze the ability of the assay to correctly predict DNT positive and negative compounds and apply the assay for a mechanistic investigation of arsenite induced DNT, all of which was performed in a species comparative manner. Analyses of the mRNA profile of developing human, mouse and rat NPCs demonstrate that although the different species are subject to distinct changes of their expression profiles over differentiation time, processes representing the multicellularity of the system as well as key neurodevelopmental processes like migration, neurogenesis and gliogenesis are overrepresented in all species. Based on these profiles, key regulators of neurodevelopmental processes were identified (BMP2, NOTCH1, EGFR). Their pharmacological modulation using specific inhibitors demonstrated the importance of these regulators for developing neural progenitor cells and revealed species-specific cellular responses. Furthermore this thesis demonstrates that human and rat NPCs are able to correctly identify seven compounds out of a test set of six DNT-positive and three DNT-negative compounds and that most of these compounds again reveal species-specific sensitivities. Finally, by applying the ‘Neurosphere Assay’ for the molecular investigation of the mechanism of arsenite-induced DNT, I showed that arsenite interferes with the neurodevelopmental key events neuronal and oligodendrocyte differentiation possibly through the generation of reactive oxygen species. In summary, this thesis increases the confidence in the ‘Neurosphere Assay’ and supports its application as part of a DNT testing battery. The Assay was used to identify species differences in the molecular signature of transcriptome data and the sensitivity towards DNT compounds and to unravel the underlying molecular mechanism of the DNT compound Arsenite. This work further demonstrates that a human based alternative system should be favored to predict human toxicity and the importance of translational approaches that, based on the knowledge of in vitro species comparisons, predict human hazard more accurately than the conventional in vivo approaches in rodents.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	01.02.2018
Dateien geändert am:	01.02.2018
Promotionsantrag am:	03.11.2017
Datum der Promotion:	15.12.2017