Loading...
Publication
Molecular and cellular mechanisms of ioxynil and diethylstilestrol disruption of cardiac and thyrocyte development and homeostasis
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 8.94 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Endocrine disrupting chemicals (EDCs) are compounds that interfere with endocrine systems, induce alterations in their functionality, and give rise to numerous adverse effects that have been documented in animals and ecosystems. The herbicide ioxynil (IOX) and the synthetic estrogen diethylstilbestrol (DES) are two chemicals still in use, which are environmentally relevant contaminants that act as EDCs. In humans, prenatal exposure to DES is associated with an increased incidence and prevalence of cardiac defects. IOX may disrupt the thyroid system by binding to transthyretin (TTR) and provoke thyroid tumors in rats. The main objective of this thesis was to determine how IOX and DES disrupt the crosstalk between the developing thyroid gland and cardiovascular system in zebrafish. An invertebrate bioindicator species, Mytilus coruscus, was included in the study to comprehend the effects of IOX and DES on a bivalve and contribute to a broader understanding of endocrine disruption in both invertebrate and vertebrate organisms. The core achievements were a) characterization of heart function and cardiovascular and thyroid development in IOX- and DES-exposed zebrafish embryos. Transcriptome analysis of vascular endothelial cells of zebrafish embryos that elucidated compound-specific molecular effects associated with endothelial functions; b) identification of the effects of IOX and DES on the physiology of the heart and thyroid in juvenile zebrafish; c) characterization of the effects of IOX and DES on cardiac performance and shell growth of juvenile M. coruscus. Transcriptome analysis of juveniles revealed genes related to cardiac function, neuroendocrine regulation, and detoxification were affected. The findings revealed that IOX and DES exposure had a disruptive effect at a molecular and functional level on the cardiovascular system of a vertebrate (zebrafish) and an invertebrate (M. coruscus), suggesting that these chemicals function as cardiovascular disruptors in both phyla. Overall, the study highlights for the first time the potential at both a molecular and functional level of adverse outcomes for both fish and bivalves of exposure to IOX and DES in the environment, suggesting they are EDCs with broad impacts across multiple organisms.
A desregulação endócrina, uma preocupação ambiental proeminente impulsionada pela industrialização, é significativamente influenciada por produtos químicos como o herbicida IOX e o estrogénio sintético DES. O IOX e o DES continuam a ser utilizados e apresentam riscos ambientais assinaláveis devido ao seu papel como produtos químicos disruptores endócrinos (EDC). Em humanos, a exposição pré-natal ao DES tem sido associada a uma série de efeitos adversos, incluindo o aumento dos riscos de defeitos reprodutivos, de desenvolvimento neurológico e cardiovascular em indivíduos expostos e nos seus descendentes. O IOX foi identificado como um disruptor do sistema tiroideu em modelos de roedores, podendo levar a tumores da tiroide devido à sua interação com a transtirretina (TTR). Este estudo investiga os efeitos do IOX e do DES nos sistemas cardiovascular e tiroideu em peixe-zebra (Danio rerio) e mexilhão (Mytilus coruscus). Para avaliar estes impactos, embriões de peixe-zebra foram expostos a concentrações micromolares de IOX e DES na água. Especificamente, doze horas pós-fertilização (hpf), embriões de peixe-zebra Tg(fli1:GFP) e Tg(cmalc2:GFPCaaX) foram expostos a concentrações de 0,1 μM de IOX ou DES por períodos de 36 horas (até 48 hpf) ou 60 horas (até 72 hpf). Os embriões foram utilizados para classificação de células endoteliais vasculares, imunohistoquímica em “whole mount”, transcriptómica seletiva de tecidos, análise de expressão génica selecionada por análise quantitativa de reação em cadeia da polimerase em tempo real e determinação da frequência cardíaca por imagens ao vivo. A exposição tanto ao IOX como ao DES resultou num aumento da frequência cardíaca, redução do volume ventricular e diminuição do diâmetro da aorta. A análise transcriptómica revelou alterações significativas no perfil de expressão genética das células endoteliais, indicativas de efeitos tóxicos específicos do composto. Estas descobertas indicam que ambos os produtos químicos impactam diretamente o desenvolvimento vascular e cardíaco, com consequentes efeitos indiretos no desenvolvimento da glândula tiroideia. Embora os desfechos finais de toxicidade – como a alteração da morfologia cardiovascular e da tiroide – fossem semelhantes para o IOX e o DES, os químicos pareceram afetar estes sistemas através de vias reguladoras genéticas e mecanismos fisiológicos distintos. Foram realizados estudos de exposição crónica com peixes-zebra juvenis para avaliar os efeitos a longo prazo do IOX e do DES. Durante um período de 60 dias, peixes-zebra foram expostos a 0,1 μM de IOX ou DES através da dieta. As análises de imunofluorescência e morfométrica 3D do coração juvenil revelaram que a exposição ao IOX levou a uma deformação ventricular xii significativa e a um aumento de volume (p < 0,001). Em contraste, a exposição ao DES resultou numa alteração da morfologia ventricular sem afetar significativamente o volume ventricular (p > 0,05). A exposição ao DES levou também à sobre-regulação de vários genes relacionados com o endotélio, incluindo angptl1b, notch1b, mhc1lia, mybpc2a, ptgir, notch1b e vwf, que estão envolvidos na homeostasia vascular. Observou-se que tanto o IOX como o DES alteram a morfologia do folículo tiroideu; o IOX causou hipertrofia folicular, enquanto o DES levou a um aumento do campo tiroideu. Estas descobertas confirmam que ambos os produtos químicos actuam como EDCs com impactos significativos na morfologia do coração e da tiróide, sugerindo que os efeitos cardíacos observados estão provavelmente ligados à alteração da função da tiróide em peixes-zebra juvenis. Investigações adicionais sobre o bivalve marinho M. coruscus revelaram os efeitos do IOX e do DES a um nível diferente de organização biológica. Os mexilhões foram expostos a baixas concentrações de IOX (0,37, 0,037 e 0,0037 mg/L) e DES (0,27, 0,027 e 0,0027 mg/L) na água. Foi observada uma diminuição da frequência cardíaca em ambos os grupos de tratamento após um dia de exposição, com 0,27 mg/L de DES a provocar uma redução significativa da frequência cardíaca ao longo do tempo (p < 0,05) e sem sinais de aclimatação. Os efeitos funcionais foram associados à expressão diferencial significativa da sinapse serotoninérgica e de genes relacionados com o coração a 0,027 mg/L de DES, sugerindo interferência na regulação neuroendócrina e efeitos cardíacos diretos. Além disso, a exposição ao DES resultou na regulação positiva de genes relacionados com a desintoxicação e na regulação negativa de genes da função imunitária, indicando processos de desintoxicação melhorados e respostas imunitárias suprimidas. Em contraste, o IOX causou menos perturbações moleculares. Notavelmente, o crescimento da casca foi significativamente suprimido em mexilhões expostos a 0,0027 mg/L de DES, com menor expressão diferencial de genes em relação ao controlo, destacando um impacto direto no desenvolvimento da casca. Estes resultados demonstram que o IOX e o DES atuam como disruptores neuroendócrinos com efeitos alargados no desempenho cardíaco e no crescimento da concha, sendo que o DES apresenta um impacto mais pronunciado em comparação com o IOX nos bivalves marinhos. Ao analisar estes EDCs em organismos representativos de vertebrados e invertebrados, esta tese oferece um avaliação abrangente dos efeitos adversos do IOX e do DES em diversas espécies. Realça também potenciais efeitos sinérgicos ou antagónicos que com estudos de uma única espécie podem não ser identificados. Os defeitos cardíacos causados pelo DES em humanos, que também são observados no peixe-zebra e nos mexilhões, indicam que a disrupção da vias xiii conservadas entre estes especies pode levar a resultados adversos para a saúde, sugerindo que tanto o IOX como o DES actuam como disruptores cardiovasculares nestas espécies, apesar das potenciais diferenças na sua mecanismos de ação. As conclusões sublinham a necessidade urgente de medidas regulamentares para mitigar a exposição a estes produtos químicos e proteger tanto o ambiente como a saúde humana. Os significativos efeitos desreguladores endócrinos do IOX e do DES em diversas espécies enfatizam os seus impactos prejudiciais nos sistemas cardiovascular e endócrino, revelando a necessidade de mais investigação sobre as suas consequências ecológicas e de saúde a longo prazo.
A desregulação endócrina, uma preocupação ambiental proeminente impulsionada pela industrialização, é significativamente influenciada por produtos químicos como o herbicida IOX e o estrogénio sintético DES. O IOX e o DES continuam a ser utilizados e apresentam riscos ambientais assinaláveis devido ao seu papel como produtos químicos disruptores endócrinos (EDC). Em humanos, a exposição pré-natal ao DES tem sido associada a uma série de efeitos adversos, incluindo o aumento dos riscos de defeitos reprodutivos, de desenvolvimento neurológico e cardiovascular em indivíduos expostos e nos seus descendentes. O IOX foi identificado como um disruptor do sistema tiroideu em modelos de roedores, podendo levar a tumores da tiroide devido à sua interação com a transtirretina (TTR). Este estudo investiga os efeitos do IOX e do DES nos sistemas cardiovascular e tiroideu em peixe-zebra (Danio rerio) e mexilhão (Mytilus coruscus). Para avaliar estes impactos, embriões de peixe-zebra foram expostos a concentrações micromolares de IOX e DES na água. Especificamente, doze horas pós-fertilização (hpf), embriões de peixe-zebra Tg(fli1:GFP) e Tg(cmalc2:GFPCaaX) foram expostos a concentrações de 0,1 μM de IOX ou DES por períodos de 36 horas (até 48 hpf) ou 60 horas (até 72 hpf). Os embriões foram utilizados para classificação de células endoteliais vasculares, imunohistoquímica em “whole mount”, transcriptómica seletiva de tecidos, análise de expressão génica selecionada por análise quantitativa de reação em cadeia da polimerase em tempo real e determinação da frequência cardíaca por imagens ao vivo. A exposição tanto ao IOX como ao DES resultou num aumento da frequência cardíaca, redução do volume ventricular e diminuição do diâmetro da aorta. A análise transcriptómica revelou alterações significativas no perfil de expressão genética das células endoteliais, indicativas de efeitos tóxicos específicos do composto. Estas descobertas indicam que ambos os produtos químicos impactam diretamente o desenvolvimento vascular e cardíaco, com consequentes efeitos indiretos no desenvolvimento da glândula tiroideia. Embora os desfechos finais de toxicidade – como a alteração da morfologia cardiovascular e da tiroide – fossem semelhantes para o IOX e o DES, os químicos pareceram afetar estes sistemas através de vias reguladoras genéticas e mecanismos fisiológicos distintos. Foram realizados estudos de exposição crónica com peixes-zebra juvenis para avaliar os efeitos a longo prazo do IOX e do DES. Durante um período de 60 dias, peixes-zebra foram expostos a 0,1 μM de IOX ou DES através da dieta. As análises de imunofluorescência e morfométrica 3D do coração juvenil revelaram que a exposição ao IOX levou a uma deformação ventricular xii significativa e a um aumento de volume (p < 0,001). Em contraste, a exposição ao DES resultou numa alteração da morfologia ventricular sem afetar significativamente o volume ventricular (p > 0,05). A exposição ao DES levou também à sobre-regulação de vários genes relacionados com o endotélio, incluindo angptl1b, notch1b, mhc1lia, mybpc2a, ptgir, notch1b e vwf, que estão envolvidos na homeostasia vascular. Observou-se que tanto o IOX como o DES alteram a morfologia do folículo tiroideu; o IOX causou hipertrofia folicular, enquanto o DES levou a um aumento do campo tiroideu. Estas descobertas confirmam que ambos os produtos químicos actuam como EDCs com impactos significativos na morfologia do coração e da tiróide, sugerindo que os efeitos cardíacos observados estão provavelmente ligados à alteração da função da tiróide em peixes-zebra juvenis. Investigações adicionais sobre o bivalve marinho M. coruscus revelaram os efeitos do IOX e do DES a um nível diferente de organização biológica. Os mexilhões foram expostos a baixas concentrações de IOX (0,37, 0,037 e 0,0037 mg/L) e DES (0,27, 0,027 e 0,0027 mg/L) na água. Foi observada uma diminuição da frequência cardíaca em ambos os grupos de tratamento após um dia de exposição, com 0,27 mg/L de DES a provocar uma redução significativa da frequência cardíaca ao longo do tempo (p < 0,05) e sem sinais de aclimatação. Os efeitos funcionais foram associados à expressão diferencial significativa da sinapse serotoninérgica e de genes relacionados com o coração a 0,027 mg/L de DES, sugerindo interferência na regulação neuroendócrina e efeitos cardíacos diretos. Além disso, a exposição ao DES resultou na regulação positiva de genes relacionados com a desintoxicação e na regulação negativa de genes da função imunitária, indicando processos de desintoxicação melhorados e respostas imunitárias suprimidas. Em contraste, o IOX causou menos perturbações moleculares. Notavelmente, o crescimento da casca foi significativamente suprimido em mexilhões expostos a 0,0027 mg/L de DES, com menor expressão diferencial de genes em relação ao controlo, destacando um impacto direto no desenvolvimento da casca. Estes resultados demonstram que o IOX e o DES atuam como disruptores neuroendócrinos com efeitos alargados no desempenho cardíaco e no crescimento da concha, sendo que o DES apresenta um impacto mais pronunciado em comparação com o IOX nos bivalves marinhos. Ao analisar estes EDCs em organismos representativos de vertebrados e invertebrados, esta tese oferece um avaliação abrangente dos efeitos adversos do IOX e do DES em diversas espécies. Realça também potenciais efeitos sinérgicos ou antagónicos que com estudos de uma única espécie podem não ser identificados. Os defeitos cardíacos causados pelo DES em humanos, que também são observados no peixe-zebra e nos mexilhões, indicam que a disrupção da vias xiii conservadas entre estes especies pode levar a resultados adversos para a saúde, sugerindo que tanto o IOX como o DES actuam como disruptores cardiovasculares nestas espécies, apesar das potenciais diferenças na sua mecanismos de ação. As conclusões sublinham a necessidade urgente de medidas regulamentares para mitigar a exposição a estes produtos químicos e proteger tanto o ambiente como a saúde humana. Os significativos efeitos desreguladores endócrinos do IOX e do DES em diversas espécies enfatizam os seus impactos prejudiciais nos sistemas cardiovascular e endócrino, revelando a necessidade de mais investigação sobre as suas consequências ecológicas e de saúde a longo prazo.
Description
Keywords
Diethylstilbestrol Heart Loxynil Mytilus coruscus Thyroid Vascular Zebrafish