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Effects of Polychlorinated Dibenzo-p-Dioxins, Polychlorinated Dibenzofurans, and Polychlorinated Biphenyls in Human Liver Cell Models (in vitro) and in Mice (in vivo)

  • Polychlorinated dibenzo-p-dioxins, dibenzofurans, and polychlorinated biphenyls are persistent environmental pollutants which ubiquitously occur as complex mixtures and accumulate in the food and feed chain due to their high lipophilic properties. Of the 419 possible congeners, only 29 share a common mechanism of action and cause similar effects, the so called dioxin-like compounds. Dioxin-like compounds evoke a broad spectrum of biochemical and toxic responses, i.e. enzyme induction, dermal toxicity, hepatotoxicity, immunotoxicity, carcinogenicity as well as adverse effects on reproduction, development, and the endocrine system in laboratory animals and in humans. Most, if not all, of the aforementioned responses, are mediated by the aryl hydrocarbon receptor. In the present work, the elicited biochemical effects of a selection of dioxin-like compounds and the non dioxin-like PCB 153 were examined in mouse (in vivo) and in human liver cell models (in vitro). Emphasis was given to the main contributors to the total toxic equivalents in human blood and tissues TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, PCB 118, PCB 126, and PCB 156, which likewise contribute about 90 % to the dioxin-like activity in the human food chain. Three mouse in vivo studies were carried out aiming to characterize the alterations in hepatic gene expression as well as the induction of hepatic xenobiotic metabolizing enzymes after single oral dose. Based on the results obtained from mouse 3-day and 14-day studies, the seven test compounds can be categorized into three classes; the ones which are 'pure' AhR ligands (TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, and PCB 126) or solely CAR inducers (PCB 153), and the ones which are AhR/CAR mixed-type inducers (PCB 118, PCB 156). Moreover, the analysis of hepatic gene expression patterns after a single oral dose of either TCDD or PCB 153 revealed that the altered genes fundamentally differed. Profiling of significantly altered genes led to the conclusion that changes in gene expression were associated with different signalling pathways, in fact by AhR and CAR. For investigating the role of the AhR in mediating biological responses, several experimental approaches were carried out, such as the analysis of blood plasma metabolites in Ahr knockout and wild-type mice. Genotype specifics and similarities were determined by HPLC-MS/MS analysis. Several plasma metabolites could be identified in both genotypes, but also differences were detected. Furthermore, an in vivo experiment was performed aiming to characterize AhR-dependent and -independent effects in female Ahr knockout and wild-type mice. For this purpose, mice received a single oral dose of TCDD and were killed 96 h later. Microarray analysis of mouse livers revealed that although the Ahr gene was knocked out in Ahr-/- mice, the quantity of affected genes were in the same order of magnitude as for Ahr+/+ mice, but the pattern of altered genes distinctly differed. In addition, the relative liver weights of TCDD-treated Ahr+/+ mice were significantly increased which led to the conclusion, that TCDD induced the development of hepatic steatosis in female Ahr wild-type. The performed in vitro experiments aimed to characterize the effects elicited by selected DLCs and PCB 153 in human liver cell models by the use of HepG2 cells and primary human hepatocytes. In general, primary human hepatocytes were less responsive than HepG2 cells. This was not only observed in EC values derived from EROD assay, but also regarding microarray analysis in terms of differently regulated genes. In vitro REPs gained from both liver cell models widely confirmed the current TEFs, but some deviations occurred. The comparison of the TCDD-altered genes in both human cell types revealed that only a considerably small number of genes was in common up regulated by both human liver cell models, such as the established AhR-regulated highly inducible cytochrome P450s 1A1, 1A2, and 1B1 as well as other AhR target genes. Although the overlap was rather small, the TCDD-induced genes could be consistently associated with the broad spectrum of established dioxin-related biological responses. The gene expression pattern in primary human hepatocytes after treatment with selected DLCs (TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, and PCB 126) and PCB 153 was additionally characterized by microarray analysis. The highest response in terms of significantly altered genes was determined for TCDD, followed by 4-PnCDF, 1-PnCDD, and PCB 126, whereas exposure to PCB 153 did not evoke any significant changes in gene expression. The pattern of significantly altered genes was very homogenous among the four congeners. Genes associated with well-established DLC-related biological responses as well as novel dioxin-inducible target genes were identified, whereby an extensive overlap in terms of up regulated genes by all four DLCs occurred. In conclusion, the results from the in vitro experiments performed in primary human hepatocytes provided fundamental insight into the congeners' potencies and caused alterations in gene expression patterns. The obtained findings implicate that although the extent of enzyme inducibilities varied, the gene expression patterns are coincidental. Microarray analysis identified species-specific (mouse vs. human) as well as model-specific (in vitro vs. in vivo and transformed cells vs. untransformed cells) differences. In order to identify novel biomarkers for AhR activation due to treatment with dioxin-like compounds, five candidates were selected based on the microarray results i.e. ALDH3A1, TIPARP, HSD17B2, CD36, and AhRR. Eventually, ALDH3A1 turned out to be the most reliable and suitable marker for exposure to DLCs in both human liver cell models eliciting the highest mRNA inducibility among the five chosen candidates. In which way these species- and cell type-specific markers are involved in the dioxin-elicited toxic responses should be further characterized in vivo and in vitro.
  • Polychlorierte Dibenzo-p-Dioxine, Dibenzofurane und polychlorierte Biphenyle sind persistente Umweltkontaminaten, welche als komplexe Gemische ubiquitär vorkommen und sich aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften in der Nahrungskette anreichern. Von den 419 möglichen Kongeneren teilt nur eine verhältnismäßig kleine Gruppe von 29 Verbindungen den gleichen Wirkmechanismus und das gleiche biologische Wirkspektrum, die sogenannten Dioxin-artigen Verbindungen. Dioxin-artige Verbindungen verursachen eine Vielzahl von biochemischen und toxischen Effekten, z. B. die Induktion von Enzymen, dermale Toxizität, Lebertoxizität, Immuntoxizität, und Kanzerogenität. Aber auch die Beeinträchtigung der Fortpflanzung, der normalen Entwicklung und des Hormonhaushalts konnten im Tiermodell und am Menschen beobachtet werden. Die meisten, wenn nicht sogar alle Wirkungen werden durch die Bindung der Dioxin-artigen Kongenere an den Arylhydrocarbon Rezeptor hervorgerufen. In der vorliegenden Arbeit, wurden die biochemischen Effekte durch Behandlung mit einer Auswahl Dioxin-artiger Verbindungen sowie von PCB 153, ein nicht Dioxin-artiges polychloriertes Biphenyl, im Mausmodell (in vivo) und in humanen Leberzellmodellen (in vitro) untersucht. Im Mittelpunkt standen sieben Kongenere, TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, PCB 118, PCB 126, PCB 153 und PCB 156, welche mit ca. 90 % den größten Anteil zur gesamten Dioxin-Aktivität in der Nahrungskette beisteuern. Im Vordergrund der in vivo Mausstudien stand die Untersuchung der Veränderungen in der Expression hepatischer Gene sowie die Überprüfung der möglichen Induktion hepatischer fremdstoffmetabolisierender Enzyme nach einmaliger oraler Gabe der Testsubstanzen. Die sieben getesteten Kongenere können aufgrund der erhaltenen Resultate aus den 3-Tage und 14-Tage Mausstudien in drei Klassen eingeteilt werden: „reine“ AhR Liganden (TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF, PCB 126), CAR Induktoren (PCB 153) sowie diejenigen, die sowohl den AhR als auch CAR aktivieren können (PCB 118, PCB 156). Zusätzlich wurde der mögliche Einfluss auf die Expression hepatischer Gene nach einmaliger oraler Gabe von TCDD und PCB 153 mit Hilfe der Microarrays untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Art und die Anzahl der beeinflussten Gene sich grundlegend unterscheiden und unterschiedlichen Signalwegen (AhR und CAR) zugeordnet werden konnten. Des Weiteren wurde die physiologische Rolle des AhR sowie dessen Einfluss auf die TCDD-induzierten Veränderungen des Genexpressionsmusters in der Mausleber näher untersucht. Durch die HPLC-MS/MS-gestützte Untersuchung des Blutplasmas von Ahr Wild-Typ und Knockout Mäusen konnten Genotyp-spezifische Besonderheiten und Gemeinsamkeiten bestimmt werden. Mit Hilfe der etablierten Analysemethode war es möglich einige Plasmametabolite in beiden Genotypen zu identifizieren, aber auch spezifische Unterschiede konnten nachgewiesen werden. Darüber hinaus, wurde eine in vivo Mausstudie durchgeführt, um AhR-abhängige und AhR-unabhängige Effekte zu charakterisieren. Ahr Knockout und Wild-Typ Mäusen wurde TCDD einmalig oral verabreicht und die Tiere nach 96-stündiger Exposition getötet. Die anschließende Microarrayanalyse der Mauslebern zeigte, dass obwohl das Ahr Gen in den Ahr Knockout Mäusen nicht exprimiert war die Anzahl der durch TCDD- Behandlung beeinflussten Gene in derselben Größenordnung lag als bei den Wild-Typ Mäusen, jedoch das Genexpressionsmuster in der Leber sich grundlegend unterschied. Die TCDD-induzierten Veränderungen auf hepatischer Genexpressionsebene von Ahr Wild-Typ Mäusen sowie das erhöhte relative Lebergewicht der Tiere ließen die Schlussfolgerung zu, dass TCDD im vorliegenden Fall zu Entwicklung einer Fettleber in Wild-Typ Mäusen geführt hat. In den in vitro Versuchen sollten die Auswirkungen einer Reihe Dioxin-artiger Verbindungen und PCB 153 in menschlichen Leberzellmodellen (HepG2 Zellen und primäre humane Hepatozyten) untersucht werden. Allgemein konnte gezeigt werden, dass primäre humane Hepatozyten weniger sensitiv auf die Behandlung mit den Testsubstanzen reagiert haben als die immortalisierte Leberkarzinomzelllinie HepG2. Das wurde nicht nur anhand der EC-Werte aus dem EROD Assay beobachtet, sondern auch anhand der Anzahl veränderter Gene, welche mittels Microarray analysiert wurden. Die in vitro REPs, abgeleitet aus den Versuchen in den Leberzellmodellen, bestätigten überwiegend die aktuellen TEFs, jedoch wurde in einigen Fällen Abweichungen beobachtet. Der Vergleich TCDD-induzierter Veränderungen auf Genexpressionsebene in beiden Leberzellmodellen zeigte, dass nur eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Genen übereinstimmend hoch reguliert wurde u. a. die etablierten AhR-regulierten, hoch induzierbaren Cytochrom P450 1A1, 1A2, und 1B1 sowie weitere etablierte AhR Zielgene. Diese hoch regulierten Gene konnten mit den vielfältigen etablierten biologischen Wirkungen von Dioxinen in Verbindung gebracht werden. Weiterhin wurde die Veränderungen der Genexpression in primären humanen Hepatozyten nach Behandlung mit ausgewählten Kongeneren (TCDD, 1-PnCDD, 4-PnCDF und PCB 126) sowie PCB 153 untersucht. TCDD verursachte die größte Anzahl an Veränderungen auf Gen-expressionsebene, gefolgt von 4-PnCDF, 1-PnCDD und PCB 126, wohingegen die Behandlung mit PCB 153 keinen Einfluss auf die Genexpression zeigte. Ein Vergleich der durch die vier Kongenere hoch regulierten Gene lieferte ein homogenes Bild mit einer großen Anzahl übereinstimmend induzierter Gene, wobei sowohl Gene, welche mit den biologischen und toxischen Wirkungen von Dioxinen in Zusammenhang gebracht werden, als auch neue Dioxin-induzierbare Gene identifiziert werden konnten. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass obwohl das Ausmaß der CYP1A1 Induzierbarkeit abhängig vom Leberspender interindividuell stark variierte, die Veränderungen auf Ebene der Genexpression eine enorme Übereinstimmung aufwiesen. Weiterhin konnten mittels Microarrayanalyse Spezies-Abhängigkeiten (Maus vs. Mensch), als auch Modell-Abhängigkeiten (in vitro vs. in vivo sowie transformierte Zellen vs. nicht-transformierte Zellen) nachgewiesen werden. Die Suche nach neuen Biomarkern für die Exposition gegenüber Dioxin-artigen Verbindungen bildete einen weiteren Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Der Vergleich der Microarrays führte zu fünf Spezies- und Zelltyp-spezifischen potentiellen Biomarker-Kandidaten, ALDH3A1, TIPARP, HSD17B2, CD36 und AhRR. Von diesen, stellte sich ALDH3A1 als der am besten geeignete Marker gegenüber der Exposition mit Dioxin-artigen Verbindungen in beiden humanen Leberzellmodellen heraus, welcher die höchste mRNA Induzierbarkeit unter den ausgewählten Kandidaten besaß. Auf welche Weise diese spezifischen Marker möglicherweise zu den Dioxin-vermittelten toxischen Wirkungen beitragen, sollte anhand weiterer in vivo und in vitro Experimente untersucht werden.

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Metadaten
Author:Christiane Lohr
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-36650
Advisor:Dieter Schrenk
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2013/12/08
Year of Publication:2013
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2013/10/25
Date of the Publication (Server):2013/12/11
Tag:Ahr Knockout Model; Aryl hydrocarbon Receptor; Dioxin-like Compounds; Human Liver Cell Models; Liver Toxicity; Metabolomics; Microarray; PCDD/Fs, PCBs; Primary human Hepatocytes; Relative effect potencies (REPs)
Number of page:XX, 342
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 10.09.2012