Neurodevelopmental toxicity of a human relevant mixture of persistent organic pollutants (POPs) and perfluorooctane sulfonic acid (PFOS) | Skadelige effekter på nevroutvikling forårsaket av en humanrelevant blanding av persistente organiske miljøgifter (POPs) og perfluorooktansulfonsyre (PFOS)

Persistente organiske miljøgifter (POP) finnes over alt i miljøet. Mennesker blir kontinuerlig eksponert for blandinger av disse kjemikaliene fra ulike kilder. Eksponering for POP har vært assosiert med flere uønskede effekter på menneskers helse, blant annet effekter på hjernens utvikling og funksjon. Utviklingen av sentralnervesystemet synes å være særlig utsatt for skadelige effekter knyttet til eksponering med POPs. I denne oppgaven brukte vi en POP-blanding, som inneholder 29 forskjellige forbindelser. Disse er basert på forekomst i mat, morsmelk eller blod fra den skandinaviske befolkningen. Perfluorooktansulfonsyre (PFOS), som er vist å ha skadelige effekter på nevroutvikling, ble i tillegg undersøkt som enkeltstoff. Vår hypotese var at eksponering for POPs i tidlige utviklingssstadier kunne ha negative effekter på viktige trinn i nevroutviklingen. For å belyse denne problemstillingen eksperimentelt, brukte vi kyllingembryo og isolerte granulærceller fra kyllingenes lillehjerne (CGN). I tillegg brukte vi en feokromocytomcellelinje fra rotte (PC12). Resultatene viste at eksponering for POPs ikke bare induserte toksisitet alene, men også forverret glutamatindusert eksitotoksisitet i isolerte CGN-celler. Våre funn indikerte en Ca2+ -uavhengig, men fortsatt N-metyl-D-aspartat reseptor (NMDA-R) -avhengig mekanisme i fravær av glutamat, og en Ca2+- og NMDA-R-avhengig mekanisme i nærvær av glutamat. Videre fant vi at granulærcellenes følsomhet for eksponering i kultur økte med modningsgraden. Eksponering med POPs førte til økt neurittlengde og antall forgrenede nettverk av neuritter i PC12-celler som var tilsatt nervevekstfaktor (NGF). Dette indikerer at POPs kan forstyrre forbindelsen mellom nervecellene. I fravær av NGF, var imidlertid effekten av POPs på neurittutvekst marginal, noe som tyder på at POPs alene ikke kan etterligne NGF-reseptorsignalet. Blandingen av POPs ble injisert i kyllingegg for å undersøke om og hvordan de ulike stoffene i blandingen distribueres til hjernen hos kyllingembryo. Vi fant at POP-blanding injisert i allantois ble distribuert til hjernen i konsentrasjoner som er relevante for human eksponering. Distribusjonshastigheten varierte avhengig av stoffenes kjemiske egenskaper. Proteinbindende per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS) nådde hjernen langsommere enn de lipofile polyklorerte bifenylene (PCB), organoklorpesticider (OCP) og bromerte flammehemmere (BFR). POP-eksponering av kyllingembryo induserte endringer i lillehjernens morfologi og påvirket gen- og proteinuttrykksprofiler knyttet til nevroutviklingsprosesser. Resultatene viste endringer knyttet til neuronal celleproliferasjon og migrasjon, cellulære stressresponser inkludert utfoldet proteinrespons, lipidmetabolisme og myelinisering. Eksponering for POP-blandingen økte proteinoksidasjonen, mens PFOS reduserte oksidasjonen. Våre studier peker på mulige mekanistiske forklaringer knyttet til sammenhenger mellom POP-eksponering og uønskede nevroutviklings- og kognitive utfall påvist i epidemiologiske studier. Samlet sett fant vi at eksponering med POPs er forbundet med morfologiske og molekylære endringer som kan interferere med nevroutvikling.

English. Persistent organic pollutants (POPs) are ubiquitous in the environment. Humans are continuously exposed to chemical mixtures through food and the environment. Exposure to POPs have been associated with several adverse effects on human health including impaired brain development, cognition, and behaviour. The developing central nervous system appears to be more susceptible to toxic insults and several POPs are suspected to be developmental neurotoxicants. In the present thesis we used a POP mixture, containing 29 different compounds, based on being prominent in food, breast milk or blood from the Scandinavian human population. Perfluorooctane sulfonic acid (PFOS) alone, a potential neurodevelopmental toxicant, was also evaluated. We hypothesized that exposure to POPs during sensitive periods of early development could adversely affect key neurodevelopmental processes. To address this, we used the chicken embryo focussing on cerebellum and PC12 rat pheochromocytoma cells, as experimental models. Our results showed that exposure to POPs not only induced toxicity on their own but also aggravated glutamate-induced excitotoxicity in cultured cerebellar granule neurons (CGNs). Observations indicated a Ca2+-independent, but still N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA-R) dependent mechanism in the absence of glutamate, and a Ca2+- and NMDA-R dependent mechanism in the presence of glutamate. Further, we found that CGN-sensitivity increased with the maturation in culture. POP exposures enhanced neurite length and branched networks of neurites in nerve growth factor (NGF)-induced PC12 cells, indicating the POPs interference with neuronal connectivity. However, in the absence of NGF, the effects of POPs on neurite outgrowth were marginal, suggesting that exposure cannot mimic the NGF-receptor signal on its own. POP mixture injected into the allantois distributed to the brain of developing chicken embryo in a concentration relevant for human exposure. However, the speed of distribution differed, with the protein binding per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) reaching the brain slower than the lipophilic polychlorinated biphenyls (PCBs), organochlorine pesticides (OCPs) and brominated flame retardants (BFRs). This reflects that distribution speed of the compounds depends on the chemical properties of different classes of compounds present in the mixture. POP exposure induced alterations at the levels of cerebellar morphology and affected gene and protein expression profiles that can interfere with fundamental aspects of neurodevelopmental processes. Our results showed alterations in molecular events linked to neuronal cell proliferation and migration, cellular stress responses including unfolded protein response, lipid metabolism, and myelination. Exposure to the POP mixture increased protein oxidation, whereas PFOS decreased oxidation. Our studies provide possible mechanistic explanations for associations between POP exposure and adverse neurodevelopmental and cognitive outcomes observed in epidemiological studies. Overall, we conclude that exposure to POPs could lead to morphological and molecular changes that interfere with fundamental aspects of neurodevelopment.