Dokument: Phenomik und Transkriptomik angewendet in Wirkmechanismus-Analysen für die Entwicklungsneurotoxizität mehrerer Substanzklassen in vitro
| Titel: | Phenomik und Transkriptomik angewendet in Wirkmechanismus-Analysen für die Entwicklungsneurotoxizität mehrerer Substanzklassen in vitro | |||||||
| Weiterer Titel: | Phenomics and transcriptomics applied in mode-of-action analyses for developmental neurotoxicity of several compound classes in vitro | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58039 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20211119-081254-4 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | M.Sc. Klose, Jördis [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Fritsche, Ellen [Gutachter] Prof. Urlacher, Vlada [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | developmental neurotoxicity, compound screening, primary human neural progenitor cells, 3D in vitro system | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Die Entwicklung des menschlichen Gehirns besteht aus einer Vielzahl streng zeit- und räumlich kontrollierter und komplexer Prozesse, welche durch ihre große Plastizität breite Angriffsflächen für Toxine bieten. Für eine Vielzahl der sich im Umlauf befindlichen Chemikalien ist das entwicklungsneurotoxische (DNT) Potential nicht bekannt. Derzeit verwendete DNT-in-vivo-Richtlinienstudien eignen sich nicht für Tests in großem Maßstab, da sie viele Tiere, Zeit und Geld benötigen. Zusätzlich bergen sie das Problem der inter-Spezies-Extrapolation. Daher sind sich Aufsichtsbehörden, Wissenschaft und Industrie einig, dass eine mechanistisch informierte, zweckmäßige und für den Menschen relevante DNT-Teststrategie erforderlich ist, die eine schnelle und kostengünstige Bewertung des DNT-Gefährdungspotentials ermöglicht und gleichzeitig die regulatorischen Anforderungen erfüllt werden müssen.
Die drei in dieser Dissertation enthaltenen Übersichtsarbeiten fassen die Entwicklung (Manuskript 2.1) und Verfügbarkeit (Manuskript 2.2) alternativer Assays auf der Basis menschlicher Stamm- / Vorläuferzellen zusammen, welche Schlüsselprozesse (KE) der neurologischen Entwicklung zum Einsatz in einer DNT-in-vitro-Testbatterie (DNT-IVB) abbilden können. Ein gut geeignetes Modell für diesen Zweck ist der "Neurosphären Assay", bei dem neurale Vorläuferzellen (NPC) von Menschen, Nagern und Kaninchen in 3D kultiviert werden und die Analyse verschiedener KE der Gehirnentwicklung, einschließlich der Proliferation und Migration von NPCs, sowie Differenzierung in neurale Effektorzellen (Astrozyten, Neuronen und Oligodendrozyten) und die von Schilddrüsenhormon (TH) abhängige Oligodendrozyten-Reifung (Manuskript 2.3) ermöglichen. Zwei Manuskripte befassen sich mit der Charakterisierung des „Neurosphären Assays“, indem sie sich mit der biologischen und molekularen Charakterisierung sich entwickelnder neuronaler Vorläuferzellen auf speziesvergleichende Weise befassen (Manuskript 2.4) und Kaninchen-Neurosphären als ergänzendes Zellsystem beschreiben (Manuskript 2.5). Darüber hinaus enthält diese Arbeit zwei Fallstudien von Substanzklassen, für welche nur eingeschränkte Informationen über ihr DNT-Potential verfügbar sind. Eine befasst sich mit dem Screening und der Priorisierung von Flammschutzmitteln (FRs) unter Verwendung einer DNT-in vitro Batterie (Manuskript 2.6), und das zweite charakterisiert das DNT-Potential zweier traditioneller chinesischer pflanzlicher Arzneimittel (CHMs) unter Verwendung des „Neurosphären Assays“ (Manuskript 2.8). Die Differenzierung zu Oligodendrozyten wurde als der am häufigsten beeinflusste Endpunkt identifiziert, was darauf hinweist, dass Oligodendrozyten während der neuralen Entwicklung ein entscheidendes zelluläres Angriffsziel für Chemikalien darstellen. Die Einbeziehung von Transkriptomanalysen ermöglichte es, die Wirkungsweise ausgewählter Chemikalien näher zu analysieren (Manuskript 2.7 + 2.8). Darüber hinaus werden die in dieser Arbeit generierten Daten durch Anwenden und Erweitern putativer DNT-AOPs (Adverse Outcome Pathways) in einen AOP-Kontext eingebettet. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass die Kombination aus phänotypischen Endpunkten des „Neurosphären Assays“ mit transkriptionellen Analysen einen vielversprechenden und leistungsstarken Ansatz bietet, welcher zum Verständnis des DNT-Gefährdungspotentials von Substanzen beiträgt und für zukünftige Risikobewertungen geeignet ist.Human brain development is based on complex and spatiotemporally orchestrated processes, which make it highly sensitive towards toxic chemicals. Only few compounds are known to be developmentally neurotoxic (DNT) in humans, whereas the DNT potential for the majority of chemicals is unknown. Currently used DNT in vivo guideline studies are not suitable for large scale testing as they need high amounts of animals, time, and money and bear the issue of species extrapolation. Therefore, regulators, academia, and industry agreed on a need for a mechanistically informed, fit-for-purpose and human-relevant DNT testing strategy, which allows fast and cheap DNT hazard assessment, while at the same time meeting regulatory requirements. The three reviews included in this thesis summarize the development (manuscript 2.1) and availability (manuscript 2.2) of alternative human stem/progenitor cell-based assays, that can be used to set up a DNT in vitro testing battery (DNT-IVB) covering key neurodevelopmental processes. A well-suited model for this purpose is the ‘Neurosphere Assay’, which employs human, rodent and rabbit neural progenitor cells (NPC) grown as 3D neurospheres and allows the assessment of distinct neurodevelopmental key events (KE), including NPC proliferation, migration and differentiation into neural effector cells (astrocytes, neurons and oligodendrocytes), as well as thyroid hormone (TH)-dependent oligodendrocyte maturation (manuscript 2.3). Two research manuscripts included in this thesis are focused on the characterization of the ‘Neurosphere Assay’. One manuscript (manuscript 2.4) deals with the biological and molecular characterization of developing neural progenitor cells in a species comparative manner, whereas the other one (manuscript 2.5) is focused on the establishment of rabbit neurospheres illustrating the usefulness as a complementary method to the rodent-based ‘Neurosphere Assay’. Furthermore, this thesis contains two case studies of data-poor substance classes on their DNT hazard. One is dealing with the screening and prioritization of flame retardants (FRs) using a DNT-IVB (manuscript 2.6), and the other one characterizes the DNT potential of two Chinese Herbal Medicines (CHMs) using the ‘Neurosphere Assay’ (manuscript 2.8). Differentiation into oligodendrocytes was identified to be the endpoint affected by most tested chemicals, indicating that oligodendrocytes represent a crucial cellular target for compounds during neurodevelopment. By incorporation of large-scale transcriptomic analyses, I provide further insight into the mode(s)-of-action (MoA) of selected compounds (manuscript 2.7 + 2.8). Additionally, data generated in this thesis are placed in an adverse outcome pathway (AOP)-context by applying and extending putative DNT-AOPs. In summary, this thesis demonstrates that the combination of endophenotypes with transcriptome analyses builds a powerful tool for understanding a compounds’ MoA and applying/extending AOPs for a better perception of the DNT hazard in a regulatory context. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Sonstige Einrichtungen/Externe » An-Institute » Institut für Umweltmedizinische Forschung (IUF) an der HHU | |||||||
| Dokument erstellt am: | 19.11.2021 | |||||||
| Dateien geändert am: | 19.11.2021 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 22.06.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 11.10.2021 |
