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Molekular-toxikologische Wirkmechanismen polybromierter Diphenylether (PBDE)

Wahl, Markus

English Title: Molecular toxicology of polybrominated diphenyl ethers (PBDE)

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Abstract

Die Gruppe der bromierten Flammschutzmittel (BFR) umfasst eine Vielzahl von Substanzen, die als Additive in vielen Verbrauchsgütern zu finden sind, z.B. in Computerbauteilen und Textilien. Zu diesen BFR zählen die polybromierten Diphenylether (PBDE), deren Verwendung aufgrund der Bioakkumulation in der Umwelt und der bereits gegebenen Exposition des Menschen in Europa und Nordamerika eingeschränkt wurde. PBDE erzeugen im Tierversuch neuronale Toxizität, Entwicklungstoxizität und endokrine Disruption. Die zugrunde liegenden Mechanismen der PBDE-Toxizität sind nur unzureichend verstanden, so dass eine endgültige Risiko-Bewertung noch nicht möglich ist. Strukturelle Ähnlichkeiten der PBDE mit dioxin-ähnlich wirksamen Substanzen, z.B. mit polychlorierten Biphenylen (PCB) und bromierten Furanen und Dioxinen, ließen auf eine Beteiligung des Aryl-Hydrocarbon-Rezeptors (AhR) bzw. Dioxin-Rezeptors schließen. Der AhR ist ein Liganden-gesteuerter Transkriptionsfaktor, welcher die Expression von Fremdstoff-metabolisierenden Enzymen wie der Cytochrom-P450-Monooxygenase 1A1 (Cyp1A1) reguliert. Eine chronische Aktivierung des AhRs durch 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) führt zu pathophysiologischen Konsequenzen wie Entwicklungsdefekten und Kanzerogenese. Bisherige Studien über Interaktionen der PBDE mit dem AhR fokussieren auf die Aktivität der Cyp1A1 als Biomarker des AhR-Signalwegs. Einige Berichte in der Literatur belegen eine Induktion der Cyp1A1-Expression durch PBDE, andere wiederum zeigen keine Induktion und zudem gibt es Studien, welche sogar eine inhibitorische Wirkung der PBDE auf die Cyp1A1-Expression demonstrieren. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Studie vier einzelne Umwelt-relevante PBDE-Verbindungen (BDE47, BDE99, BDE153 und BDE209), so genannte Kongenere, in 5L-Ratten-Hepatomzellen untersucht. Da jedoch bislang keine mechanistische Verbindung zwischen erhöhter Cyp1A1-Expression und AhR-vermittelter Toxizität etabliert werden konnte, wurde neben der Induktion des Biomarkers Cyp1A1 eine mögliche AhR-Aktivierung auf verschiedenen Ebenen untersucht. Genomweite Genexpressions-Analysen zeigten ein dioxinartiges Expressions-Profil und eine dioxinartige Inhibierung der zellulären Proliferation durch ein einfach gereinigtes PBDE-Kongener, das in der Umwelt dominierende 2,2´,4,4´-TetrabromBDE (BDE47). Die chemische Analyse dieser BDE47-Probe identifizierte eine Kontamination mit 2,3,7,8-Tetrabromdibenozofuran (TBDF), einem hochpotenten AhR-Liganden und zugleich eine mögliche Verunreinigung kommerzieller PBDE-Mixturen. Ein mehrfach gereinigtes BDE47 zeigte keine dioxinartigen Effekte mehr, wie auch für die übrigen getesteten PBDE-Kongenere beobachtet. Auch Experimente mit primären Ratten-Hepatozyten und humanen Hepatomzellen zeigten keine substanzielle Aktivierung des AhRs durch PBDE. Überraschenderweise hatten BDE47, BDE99 und z.T. BDE153 eher eine inhibierende Wirkung auf die durch TBDF bzw. TCDD induzierte Cyp1A1-Proteinmenge. Entwicklungs- und Neurotoxizität sind bekannte schädliche PBDE-Wirkungen in Vertebraten. Studien der PBDE im Modell-Organismus Zebrabärbling (Danio rerio) zeigten, dass allein BDE47 morphologische Fehlbildungen in den Embryonen des Zebrabärblings induzierte, die sich von TCDD und TBDF induzierten Abnormalitäten unterschieden. Zudem wich das durch BDE47 differentiell regulierte Genexpressions-Profil stark von dem klassischer AhR-Agonisten ab. Zusammenfassend betrachtet führten die getesteten PBDE-Kongenere nicht zu einer Aktivierung des AhR-Signalweges in Vertebraten, so dass eine agonistische AhR-Interaktion als Grundlage der PBDE-Toxizität ausgeschlossen werden konnte. Genexpressions-Profile von BDE47 in Embryonen des Zebrabärblings und in 5L-Hepatomzellen konnten neue Gen-Kandidaten der PBDE-Toxizität identifizieren. Die beobachtete Inhibierung des AhRs durch einzelne PBDE könnte zu einer Interferenz mit den physiologischen und detoxifizierenden Funktionen des AhRs führen.

Translation of abstract (English)

Brominated flame retardants (BFRs) are a large group of substances used as additives in a variety of consumer goods, e.g. computer plastics and textiles. Among these BFRs are the polybrominated diphenyl ethers (PBDE) that have raised concern since they accumulate in the environment and in humans and usage has been limited for that reason. There are already reports on toxicity from animal studies indicating neuronal toxicity, developmental toxicity and endocrine disruption. Mayor gaps in our knowledge on PBDE toxicity and underlying mechanisms still exist to allow for proper risk assessment. Structural similarities of PBDE congeners with dioxin-like compounds such as polychlorinated biphenyls (PCB) or brominated furans and dioxins raised concern about possible activation of the aryl hydrocarbon receptor (AhR) also known as the dioxin receptor. AhR is a ligand-activated transcription factor regulating the expression of xenobiotic metabolizing enzymes such as cytochrome P450 monooxygenase 1A1 (Cyp1A1). Chronic AhR activation by environmental pollutants leads to pathophysiological consequences such as developmental defects and carcinogenesis. Most studies on PBDE interactions with AhR focused on Cyp1A1 activity as a biomarker for AhR signalling. Controversial findings dominate the literature: some reports demonstrate AhR activation by PBDEs, whereas others claim AhR inactivity and furthermore there are even reports on inhibitory action of PBDE on Cyp1A1 expression. To address this in the present study, I used four of the most abundant and environmentally most relevant PBDE compounds (BDE47, BDE99, BDE153 and BDE209) so-called congeners and analyzed their effects on AhR activity in 5L rat hepatoma cells. However, no mechanistic link could be established between Cyp1A1-induction and AhR mediated toxicity therefore I used not only cyp1A1 induction as a rather limited readout, but I also included several steps of AhR activation. Known downstream consequences of AhR activation including genome-wide alterations in target gene expression, nuclear translocation as well as inhibition of proliferation suggest a dioxin-like behavior of simply purified PBDE congener, the environmentally predominating 2,2´,4,4´-tetrabromo diphenyl ether (BDE47). Chemical analysis of the latter sample identified traces of 2,3,7,8-tetrabromo-dibenzofuran (TBDF), which is most likely responsible for AhR activation and potentially occurs as an impurity of PBDE mixtures. When a multistep purified BDE47 was used dioxin-like action disappeared as observed for the other congeners tested. Additional experiments with primary rat hepatocytes and human hepatoma cells indicated no substantial AhR activation by PBDE. Contrary to the initial findings, BDE47, BDE99 and partly BDE153 rather exhibited inhibitory effects on TBDF- and TCDD-induced Cyp1A1. Developmental and neurological toxicity are well known adverse effects of PBDEs in vertebrates. In this study BDE47 triggered exclusively morphological malformations in zebrafish larvae, which are clearly different from the abnormalities triggered by the AhR agonists TCDD and TBDF. Similarly, genome-wide micro array analysis in zebrafish larvae exposed to BDE47 yield an expression signature distinct from those produced by classical AhR activators. In conclusion, PBDEs tested do not induce AhR signaling in higher vertebrates indicating that AhR activation may not be involved in PBDE toxicity. In fact, PBDEs rather inhibit AhR function and possibly interfere with its role in physiological and detoxification processes. Moreover, transcriptional profiling in zebrafish and in hepatoma cells provide novel target genes as potential mediators of BDE47 toxicity.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Strähle, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 13 February 2008
Date Deposited: 27 Mar 2008 10:09
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Ah-Rezeptor, Cytochrom P-450, Flammschutzmittel
Uncontrolled Keywords: Fremdstoffwechsel , Hepatozyten , ZebrabärblingXenobiotic metabolism , Hepatocytes , Zebrafish
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