Dokument: Investigations on the pulmonary toxicity of Saharan dust using advanced in vitro models

Titel:	Investigations on the pulmonary toxicity of Saharan dust using advanced in vitro models
Weiterer Titel:	Untersuchung der Lungentoxizität von Saharastaub anhand fortgeschrittener in vitro Modelle
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65718
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240514-143858-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Bredeck, Gerrit [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 56,53 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 06.05.2024 / geändert 06.05.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Krutmann, Jean [Gutachter] Prof. Dr. Fraune, Sebastian [Gutachter] Dr. Schins, Roel [Gutachter]
Dokumententyp (erweitert):	Dissertation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Every year over one billion tons of desert dusts are aerosolized and transported around the globe causing respiratory morbidity and mortality. Studies on desert dusts from different sources have been shown to cause variable extents of oxidative stress and inflammation. In those studies, the largest of all desert dust sources, the Sahara, was largely neglected. Which constituents and molecular pathways mediate the toxicity of Saharan dust (SD) remains unclear. The investigations underlying this thesis aimed to evaluate the toxicity of SD in relation to dust events, dust composition, and molecular mediators. Specifically, the NLRP3 inflammasome-caspase (CASP)-1 pathway was assessed because of its association with lung diseases. Therefore, the oxidative and inflammatory potency of SD was examined in alveolar epithelial A549 cells, wild-type and NLRP3-/- THP 1 macrophages, as well as an advanced surfactant-producing air-liquid interface (ALI) co-culture model of A549 cells with either wild-type, CASP1-/-, or NLRP3-/- THP-1 macrophages. Four studies were conducted. In the first study, SD was shown to elicit the expressions of the oxidative stress marker gene heme oxygenase 1 (HMOX1) and the inflammatory cytokines interleukin 6 (IL6) and IL8 in A549 cells. In THP-1 macrophages, SD induced IL-1β release which was exacerbated by endotoxins and depended on the NLRP3 inflammasome. In the second study, particulate matter (PM)2.5 from two dust events and PM10 from one dust event had a higher inflammatory potency than PM from a reference period. For PM2.5, variability in inflammatory potency was associated with the Fe content. For PM10, the intra but not inter-event variability was associated with the endotoxin content. In the third study, using the ALI co-culture model, SD was found to cause stronger expression and release of IL1B/IL-1β, IL6/IL-6, IL8/IL-8, and tumor necrosis factor α (TNFA/TNFα) than quartz dust. The secretion of IL-1β depended on the NLRP3 inflammasome-CASP-1 pathway. NLRP3 and CASP-1 also boosted the releases of the other investigated cytokines. In the fourth study, SD-mediated upregulations of the cytokines granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GMCSF/GM-CSF) and granulocyte colony-stimulating factor (GCSF/G-CSF) in the ALI co-cultures were identified and validated. Other studies have related these cytokines to lung diseases such as allergies, asthma, and fibrosis. Collectively, these findings emphasize the hazardousness of SD events. The contents of Fe and endotoxins can serve as indicators to identify hazardous dust events. The signaling pathways and cytokines involved suggest susceptibility to desert dust-mediated adverse health effects in people with allergies, asthma, and fibrosis. Additionally, individuals with gain of function polymorphisms in the IL1B gene may be vulnerable. The upregulated cytokines can also be considered potential drug targets. These outcomes provide a strong basis for further studies that bring the hazard assessment of desert dust events and the protection of human health closer together. Jedes Jahr werden über eine Milliarde Tonnen Wüstenstäube aerosoliert und um den Globus transportiert, was zu Atemwegserkrankungen und Mortalität führt. Studien über Wüstenstäube aus verschiedenen Regionen haben gezeigt, dass diese oxidativen Stress und Entzündungsreaktionen in unterschiedlichem Ausmaß auslösen. In diesen Studien wurde die größte aller Wüstenstaubquellen, die Sahara, weitgehend vernachlässigt. Welche Komponenten und Signalwege die Toxizität von Saharastaub (SD) vermitteln, ist nach wie vor unklar. Ziel der im Rahmen dieser Thesis durchgeführten Untersuchungen war es, die Toxizität von SD in Abhängigkeit von Staubereignissen, Staubzusammensetzung und molekularer Mediatoren zu erforschen. Insbesondere wurde der NLRP3-Inflammasome-Caspase (CASP)-1-Signalweg untersucht, da er mit Lungenerkrankungen in Verbindung steht. Zur Untersuchung der oxidativen und entzündlichen Potenz von SD wurden die folgenden Modelle genutzt: A549 Alveolarepithelzellen; wildtyp und NLRP3-/- THP 1 Makrophagen; ein Surfaktant-produzierendes Luft-Flüssigkeits-Interface (ALI) Co-Kulturmodell von A549 Zellen mit entweder wildtyp, CASP1-/- oder NLRP3-/- THP 1 Makrophagen. Es wurden vier Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde gezeigt, dass SD die Expression des Markergens für oxidativen Stress, der Häm-Oxygenase 1 (HMOX1), und der entzündlichen Zytokine Interleukin 6 (IL6) und IL8 in A549 Zellen auslöst. In THP-1-Makrophagen induzierte SD die Ausschüttung von IL 1β, die durch Endotoxine noch verstärkt wurde und vom NLRP3-Inflammasom abhing. In der zweiten Studie wiesen Feinstäube (PM)2,5 aus zwei Staubereignissen und PM10 aus einem Staubereignis eine höhere Entzündungspotenz auf als PM aus einem Referenzzeitraum. Für PM2,5 war die Variabilität der entzündlichen Potenz mit dem Fe-Gehalt assoziiert. Für PM10 war die Variabilität innerhalb der Ereignisse aber nicht zwischen den Ereignissen mit dem Endotoxingehalt assoziiert. In der dritten Studie wurde festgestellt, dass SD in den ALI Co-Kulturen eine stärkere Expression und Freisetzung von IL1B/IL-1β, IL6/IL-6, IL8/IL-8 und Tumor-Nekrose-Faktor α (TNFA/TNFα) verursacht als Quarzstaub. Die Sekretion von IL-1β hing vom NLRP3-Inflammasom-CASP-1-Signalweg ab. Außerdem verstärkten NLRP3 und CASP-1 die Freisetzung der anderen Zytokine. In der vierten Studie wurden SD-vermittelte Induktionen der Zytokine Granulozyten-Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (GMCSF/GM-CSF) und Granulozyten-Kolonie-stimulierender Faktor (GCSF/G-CSF) in den ALI-Co-Kulturen identifiziert und validiert. Andere Studien haben diese Zytokine mit Lungenerkrankungen wie Allergien, Asthma und Fibrose verknüpft. Zusammengenommen unterstreichen diese Ergebnisse die Gefährlichkeit von SD-Ereignissen. Die Gehalte an Fe und Endotoxinen können als Indikatoren für die Identifizierung gefährlicher Staubereignisse dienen. Die beteiligten Signalwege und Zytokine deuten darauf hin, dass Menschen mit Allergien, Asthma und Fibrose sowie Personen mit Funktionsgewinn-Polymorphismen im IL1B-Gen anfällig für durch Wüstenstäube verursachte Gesundheitsschäden sind. Die Zytokine können auch als potenzielle Angriffspunkte für Medikamente betrachtet werden. Diese Ergebnisse bilden eine solide Grundlage für weitere Studien, die die Gefahrenbewertung von Wüstenstaubereignissen und den Schutz der menschlichen Gesundheit näher zusammenbringen.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	14.05.2024
Dateien geändert am:	14.05.2024
Promotionsantrag am:	07.12.2023
Datum der Promotion:	23.04.2024