In vitro Assessment of Arsenic Immune Toxicity using Human Cord Blood and Murine Bone Marrow Cells

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2009
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Ferrario, Daniele
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Dissertation
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Zusammenfassung

Inorganic arsenic and its metabolites are transplacentally active metalloids that have been observed to exert immunosuppressive effects both on humans and animals. Hematopoietic cells coming both from human cord blood or murine bone marrow offer an excellent tool for monitoring the immunotoxic effects of arsenic in vitro. In this study the effects of inorganic arsenic, its metabolites dimethylarsinic acid (DMAV), monomethylarsonic acid (MMAV) and monomethylarsonous acid (MMAIII), and the co-exposure with another contaminant (atrazine) have been assessed on the capacity of hematopoietic progenitors to give rise to granulocyte-macrophage colonies (CFU-GM). This evaluation was performed in both sexes, both on human cord blood cells and murine bone marrow cells. The results suggest an immunosuppressive role of arsenic at micro-molar concentration (1µM) on CFU-GM colonies in vitro, without any gender or inter-species differences in sensitivity to arsenic toxicity. On the contrary, at sub micro-molar concentration (0.0001µM) arsenic exerted a proliferative activity on CFU-GM colonies in vitro depending on the sex tested. Only female CFU-GM colonies were modulated. Both DMAV and MMAV did not exerted toxicity, whereas MMAIII was at least five times more toxic to the CFU-GM compared to arsenic. Some possible molecular mechanisms modulated by arsenic exposure were also investigated. It was shown that at sub micro-molar concentration, arsenic was able to increase the telomerase expression maintaining both telomere length, cell viability, possibly through the increasing expression of ras and myc oncogenes. Female donors were the more sensitive gender to the modulation of these molecular pathways, after low micro-molar arsenic exposure. At micro-molar concentration, we observed a decrease in the cell viability of human cord blood cells, together with a decreased telomere length, possibly due to increased reactive oxygen species production. In-utero and juvenile exposure of mice to arsenic at the concentration of 1mg/l did not cause modulations on the CFU-GM colonies proliferation in both genders. Nevertheless, a strong modulation in cancer-related gene expression of female donors has been observed. A dramatic increase in the GM proliferation was observed in female donors after co-exposure of arsenic with atrazine. An increase in the expression of estrogen receptor beta was observed for both genders, even if more significant for male donors. It can be concluded that arsenic exerts a double effect depending on the concentration on haematopoietic and immune progenitors. In addition, gender differences in the toxic outcome of arsenic do exist, especially for low arsenic exposures, even if the mechanisms related to these differences have not been fully understood.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die Entwickung des hämatopoetischen Systems erfolgt in einer wohldefinierten Folge von Ereignissen, von denen sich viele auf eine prä- oder postnatale Periode beschränken. Die wichtigsten Manifestationen von Immuntoxizität umfassen: Entzündliche Prozesse, Immunzellverlust, Infektionen, immunvermittelte Erkrankungen und letztlich Krebs. Bemerkenswerterweise wurden für verschiedene Gifte, die die Entwicklung des Immunsystems beeinflussen, starke Geschlechtsunterschiede in der Literatur beschrieben.
Anorganisches Arsen und seine Metaboliten sind plazentagängige Metallverbindungen, für die immunsuppressive Effekte in Mensch und Tier beobachtet wurden. Hämatopoetische Zellen aus menschlichem Nabelschnurblut oder Knochenmark der Maus bieten ein ausgezeichnetes Werkzeug, immuntoxische Effekte von Arsen in vitro zu studieren. Tatsächlich haben pluripotente hämatopoetische Zellen die Fähigkeit, in vitro in die verschiedenen hochspezialisierten zirkulierenden Blutzellen zu differenzieren. In der vorgelegten Arbeit wurden die Effekte von anorganischem Arsen, seinen Metaboliten Dimethylarsinsäure (DMAV), Monomethylarsonsäure (MMAV) und Monomethylarsoniger Säure (MMAIII), und die Coexposition mit einem anderen Umweltgift (Atrazin) untersucht in Bezug auf die Fähigkeit von hämatopoetischen Vorgängerzellen, sich zu Granulozyten-Makrophagen-Kolonien (CFU-GM) zu entwickeln. Diese Untersuchung wurde mit beiden Geschlechtern mit menschlichen Nabelschnurblutzellen durchgeführt. Die Ergebnisse geben Hinweise auf eine immunsuppressive Rolle von Arsen bei micromolaren Konzentrationen (1µM) auf CFU-GM-Kolonien in vitro, ohne Geschlechts- oder Interspeziesunterschied in Bezug auf die Sensitivität für Arsentoxizität. Im Gegenteil dazu hatte Arsen bei submicromolaren Konzentrationen (0.0001µM) eine proliferative Aktivität auf CFU-GM-Kolonien in vitro abhängig vom untersuchten Geschlecht. Tatsächlich wurden nur weibliche CFU-GM-Kolonien beeinflusst. Sowohl DMAV als auch MMAV hatten keinen toxischen Effekt, während MMAIII mindestens fünf mal toxischer auf CFU-GM war als Arsen. Zusätzlich wurde die mRNA-Expression von zwei Enzymen untersucht, die in die Biotransformation von Arsen involviert sind, Arsenic-Methyltranferase (AS3MT) und Glutathion-S-Transferase omega-1 (GSTO1). AS3MT-mRNA-Expression wurde in menschlichen Nabelschnurblutzellen nicht induziert. Die mRNA-Expression eines Enzymes verantwortlich für Arsenreduktion, Glutathione S-transferase omega 1 (GSTO1), nahm nach MMAIII-Behandlung ab, während sie durch andere Arsenverbindungen nicht beeinflusst wurde. Weiterhin wurden einige mögliche molekulare Mechanismen der Veränderungen bei Arsenexposition untersucht. Speziell wurden die Telomerenlänge, die Telomeraseexpression, die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies, die Zellvitalität und -apoptose, als auch die Expression von zwei Onkogenen untersucht, nämlich ras und myc, von denen bekannt ist, dass sie in die Arsentoxizität involviert sind. Es wurde gezeigt, dass bei submicromolaren Konzentrationen Arsen in der Lage war, die Telomerase-mRNA und Proteinexpression zu steigern und sowohl die Telomerenlänge als auch die Zellvitalität zu erhalten, möglicherweise durch eine gesteigerte Expression der Onkogene ras und myc. Weibliche Spender waren das sensitivere Geschlecht für die Modulierung dieser molekularen Signalwege nach niedrigen micromolaren Arsenexpositionen. Bei micromolaren Konzentrationen, in Übereinstimmung mit der reduzierten Bildung von CFU-GM-Kolonien wie oben beschrieben, beobachteten wir eine Abnahme der Zellvitalitat der menschlichen Nabelschnurblutzellen, zusammen mit einer reduzierten Telomerenlänge, möglicherweise aufgrund gesteigerter Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies. Buthioninsulfoximin (BSO), ein Inhibitor der Glutathion(GSH)-synthese fundamental für die Arsenentgiftung, steigerte deutlich den Prozentsatz von apoptotischen Zellen. Der Hemmer von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), 5,5-Dimethyl-1-pyrroline-N-oxide (DMPO), zeigte Schutzwirkungen gegen die Arsentoxizität.
Angesichts dieser Resultate kann man auf einen doppelten Effekt von Arsen auf hämatopoetische und Immunvorläuferzellen abhängig von der Konzentration schliessen. Tatsächlich übt es bei micromolaren Konzentrationen eine immunsuppressive Aktivität auf Immunvorläuferzellen sowohl auf zelluläre als auch molekulare Endpunkte aus, während es bei niedrigen submicromolaren Konzentrationen zur Immunstimulation befähigt ist. Wir schlagen die Verwendung von in vitro-Methoden menschliche Nabelschnurblutzellen von beiden Geschlechtern vor, um Interspeziesvariationen bei Entwicklungsimmuntoxizitatsstudien zu vermeiden, die bevorzugt zum besseren Verständnis der möglichen Mechanismen der Immunsuppression und Immunstimulation nach Arsenexposition in frühen Lebensphasen verwendet werden sollten. Dies würde eine rationalere Basis für die Berechnung von klinischen Dosierungen und das Setzen von menschlichen Expositionslimits bieten.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
Hämatopoesis, Arsen, Methylation, Immuntoxizität, CFU-GM, Entwicklungstoxizität, in vitro, Östrogenrezeptor, Haematopoiesis, Arsenic, Methylation, Immunotoxicity, CFU-GM, Genders, Developmental toxicity, In vitro, Estrogen receptors, Atrazin, Atrazine
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Zitieren
ISO 690FERRARIO, Daniele, 2009. In vitro Assessment of Arsenic Immune Toxicity using Human Cord Blood and Murine Bone Marrow Cells [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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September 21, 2009
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