Jiřina Procházková Biofyzikální ústav AV ČR Brno Deregulace signální transdukce cizorodými látkami (11.3.2024) Scientific Frontiers in Developmental Toxicology and Risk Assessment [USEMAP] AOP koncept – proč a nač? •“Adverse Outcome Pathway” • •princip zhromažďování informací vedoucí k propojení znalostí, které popisují mechanismus účinku určité chemické látky s praktickým stanovením rizika a nastavením regulačních norem •komponenty AOP: • * MIE – molecular initiating event * KE – key event * AO – adverse outcome * MOA – mode of action • * Carusi, 2018, Sci Total Env AOP koncept Deregulace signální transdukce •různé úhly pohledu: * * dle stádia zralosti organismu (vyvíjející se vs. dospělý vs. stárnoucí) * * dle tkáně (játra, nervový systém, gastrointestinální trakt, plíce …) * * dle délky časového okna působení toxické látky (akutní vs. chronická expozice) * * dle typu a povahy toxické látky (kovy, organické látky, částice …) * Deregulace signální transdukce během vývoje * Citlivost plodu vůči působení cizorodých látek se liší v průběhu jeho vývoje * * během organogeneze orgány vykazují své specifické „okno“ citlivosti • Deregulace signální transdukce během vývoje Deregulace signální transdukce v pozdním věku * stárnutí významně ovlivňuje citlivost organismu vůči xenobiotikům * * oslabení orgánových bariér (střevo, BBB, kůže atp.) * * xenobiotika mohou indukovat chronický zánět a přispívat k aberantní stimulaci imunitního systému * * bioakumulace environmentálních polutantů roste s věkem Deregulace signální transdukce v pozdním věku Defining the Scope of Exposome Studies and Research Needs from a Multidisciplinary Perspective | Environmental Science & Technology Letters [USEMAP] Risher, 2010, Rev Environ Contam Toxicol Zhang,2021, Environ. Sci. Technol. Lett. Tanner, 2020, Int J Hyg Environ Health * O charakteru signální disrupce rozhoduje do značné míry intenzita a způsob metabolizace xenobiotika a tkáň ve které k expozici došlo * * Xenobiotika mohou spouštět nežádoucí toxicitu pouze v určitém stádiu vývoje organismu disrupcí specifické signalizace * * Dávka xenobiotika se rovněž významně podílí na určení typu a rozsahu signální disrupce • Toxicita v kontextu fyziologie * * xenobiotika mohou cílit na disrupci specifické dráhy či buněčného děje * * nebo naopak způsobovat spíše necílenou signální disrupci, jejiž povaha je dána mj. body uvedenými výše • Toxicita v kontextu fyziologie Toxicita v kontextu fyziologie př. vizualizace uložení transportéru xenobiotik Toxicita na morfologické úrovni buňky * expozice xenobiotikům může ve zdravé buňce navozovat reverzibilní či ireverzibilní morfologické změny, které vedou k buněčné dysfunkci, příp. smrti • Deregulace signální transdukce xenobiotiky * povrchové receptory – EGFR, Wnt, NMDAR * * přenašeči signálu z povrchu buňky- G proteiny * MAPK/p38, MAPK/ERK * SRC, mTOR * JAK/STAT, NFkB * * Ca2+ signalizace * deregulace buněčné komunikace * * regulátory transkripce - HIF1a, AP1, p53 * * jaderné receptory, lipidy, apoptóza, autofagie & oxidativní stres – prof. J. Vondráček • Cytoskelet jako regulátor signalizace * cytoskelet reguluje sílu, lokalizaci, délku trvání a terminaci signálu * [USEMAP] Moujaber, 2019, Trends Bioch Sci Cytoskelet jako buněčný cíl xenobiotik * xenobiotika ovlivňující dynamiku cytoskeletu deregulují signální transdukci na mnoha úrovních * * cytoskelet představuje vnitrobuněčné lešení klíčové mj. pro dělení buněk a jejich motilitu, pro transport organel a jejich funkci * * př. mitochondrie - role cytoskeletu v apoptóze zprostředkované mitochondriemi, jejich dynamika a biogeneze * * translokace organel po cytoskeletální síti – endoplazmatické retikulum, váčky * Gurel, 2014, Current Biology Cytoskelet jako regulátor signalizace Cytoskelet jako regulátor signalizace Illescas, 2021, Frontiers in Cell and Developmental Biology KONTEXT ! Cell Structure, Cross Section Of The Cell Detailed Colorful Anatomy With Description Royalty Free SVG, Cliparts, Vectors, And Stock Illustration. Image 52118980. Příklady různých kategorií xenobiotik * Léčiva • - androgennní agens, některá ATB (tetracykliny), protinádorová léčiva, antikonvulsiva… • * Environmentální polutanty • - PCBs, PAHs, těžké kovy, PFAS… • * Návykové látky • - kokain, alkohol, ketamin… • Vývojová toxicita – deregulace signalizace Léčivo - Thalidomid • * embryotoxicita • - nedovyvinuté končetiny • - 1957 – lék Contergan (Grünenthal) • * inhibice angiogeneze, indukce sedace a periferní neuropatie * * imunomodulátor, protizánětlivý efekt * * protinádorová léčba – mnohočetný myelom * Thalidomid – WikiSkripta Mellin, 1962, N Engl J Med Franks, 2004, The Lancet Léčivo - Thalidomid Obsah obrázku text Popis se vygeneroval automaticky. [USEMAP] Therapontos, 2009, PNAS [USEMAP] Deregulace NF-kB a HIF1a signalizace Mellin, 1962, N Engl J Med Franks, 2004, The Lancet * př. thalidomide AOP koncept v praxi Těžké kovy - př. Olovo * Dosažení vyšší hladiny olova v těle v důsledku chronické expozice - měsíce, roky * * Prachové částice ve starých budovách, průmysl (barvy, renovace, baterie) * * Významně negativnější dopad otravy u dětí do 6 let věku * * Orgánové deposity - CNS, ledviny, krev, játra, kosti/zuby * * Buněčně specifické signální disrupce * * mimikuje ionty železa a vápníku Metryka, 2018, IJMS Singh, 2018, Chem Res Toxicol WHO Caito, 2017, Adv Neurobiol Indukce oxidativního stresu Diagram Description automatically generated * př. olovo Deregulace Wnt signalizace a G-proteinů * př. olovo Deregulace Ca2+ signalizace a aktivace AP1 A picture containing graphical user interface Description automatically generated * př. olovo Deregulace synaptické receptorové signalizace * př. specifický mechanismus vývojové neurotoxicity olova * * vazba olova na receptory glutamátu (NMDAR) vede ke snížení fluxu vápníku do postsynaptického neuronu * * snížená hladina vápníku má za následek oslabení CREB a MeCP2 transaktivace, snížení exprese jejich cílových genů (Bdnf), které regulují uvolňování neurotransmitérů v synaptických váčcích * * podobně fungují disrupce navozené anestetiky např. ketamin • Hu, 2014, Plos One Neurotoxicity of Metals, 2017, Advances in Neurobiology Deregulace Wnt/b-catenin signalizace Hu, 2014, Plos One * př. deregulace synaptogeneze laktační expozicí olovem Polutanty - PCBs * Různé zdroje kontaminace jdou ruku v ruce s různě dlouhou dobou expozice * * Ač výroba zakázána, stále přítomny v prostředí * * Různý dopad expozice dle délky trvání, dávky a stáří organismu * Polutanty - PCBs • * Orgánové deposity - tuková tkáň, játra, kůže * * Signální disrupce specifické pro buněčný typ a typ kongeneru (209) * * PCBs dioxinového (DL-PCB) a nedioxinového typu (NDL-PCB) ATSDR WHO EPA Wayman, 2012, Environ Health Perspect Ca2+ homeostáza vs. apoptóza * spuštění signalizace pro programovanou buněčnou smrt přes deregulaci homeostázy Ca2+ iontů • * DNT expozice Aroclor1254 a detekce apoptózy * [USEMAP] Yang, 2010, Curr Neuro TUNEL barvení Ca2+ homeostáza vs. apoptóza * AhR, EGFR, MAPK signalizace * př. DL-PCBs a PAHs aktivujících AhR [USEMAP] AhR, EGFR, MAPK signalizace * * aktivace AhR * suprese EGFR * aktivace MAPK Vogeley, 2022, Env Int [USEMAP] Aktivace AhR a deregulace Wnt signalizace * př. AhR ligand TCDD * disrupce tkáňové regenerace Mathew, 2009, Biochem Pharm [USEMAP] Aktivace AhR a deregulace Wnt signalizace * disrupce tkáňové regenerace Mathew, 2009, Biochem Pharm Indukce TGFbeta/SMAD3 signalizace a fibrózy [USEMAP] Ruan, 2022, Env Pol * nefrotoxicita Polutanty - PFAS * per- a poly- fluoroalkylované látky- př. PFOA, PFOS * oblečení, nábytek, obaly, nepřilnavé povrchy, kuchyňské náčiní… * karcinogeny (testes, slinivka, játra, štítná žláza) * PFOA – aktivace PPARalpha * PFOS – disrupce beta-oxidace mastných kyselin • * CDC American cancer society Zeng, 2019, Env Int Epigenetické změny, aktivace AP1 a p53 [USEMAP] Pierozan, 2020, Arch Tox * př. karcinogenní účinek PFAS Víceúrovňová indukce zánětu [USEMAP] Wang, 2022, IJMS Infiltrace buněk IS [USEMAP] * př. indukce infiltrace makrofágů do tkáně jejuna exponované PFOS * Léčivo - Paclitaxel * inhibuje depolymerizaci mikrotubulů * následkem je zástava cyklu * deregulace signálních drah např. p53 • •Lim, 2022, Paclitaxel •Andre, 2002, FEBS Lett •Shi, 2017, Cancer Chem Pharm Léčivo - Paclitaxel •Lim, 2022, Paclitaxel •Andre, 2002, FEBS Lett •Shi, 2017, Cancer Chem Pharm Taxol: Mechanisms of action against cancer, an update with current research - ScienceDirect Aktivace IL6, TLR, AP1 signalizace Figure 7 [USEMAP] Wang, 2006, Oncogene * * př. paclitaxel Mezibuněčná spojení * Structure of the BBlB in the liver. The hepatic junctions forming BBlB... | Download Scientific Diagram [USEMAP] Pradhan-Sundd, 2019 Inhibice komunikace GJ [USEMAP] Machala, 2003, Tox Sci Manuel Hernández-Guerra, 2019, J Hepato * př. NDL-PCBs Deregulace komunikace TJ [USEMAP] * př. Blood-brain barrier Bethsholtz, 2014, Nature [USEMAP] Deregulace komunikace TJ Seelbach, 2010, Env Health Persp * př. PCBs * model mozkových •metastází melanoma buněk cerebrální vlasečnice Deregulace komunikace TJ * př. nanočástice s navázanými polutanty na povrchu a prostup přes BBB * [USEMAP] Zhang, 2013, Plos One Disrupce mezibuněčné komunikace AJ, GJ * př. AhR ligand Benzo[a]pyrene (BaP) [USEMAP] Won, 2021, Cell Biol Toxicol Pevné částice (PM) * př. dysfunkce epiteliální bariéry plic indukovaná pevnými částicemi produkovanými různými zdroji * * * * * * * * * * deregulace mezibuněčných spojů, EGFR/ERK a AhR signalizace, indukce oxidativního stresu, prozánětlivé odpovědi Multiúrovňová deregulace signalizace [USEMAP] Aghapour, 2022, Eur Respir Rev Nanočástice (NP) * 100 nm a méně • * průmysl, lékařství • * nanočástice kovu/oxidu kovu (př. Mn, Au, Ag, SiO2, ZnO2, TiO2, C) • * akumulace v tkáních – př. plíce, gastrointestinální trakt, nervový systém • * indukce oxidativního stresu, interference mitochondriální activity atp. * Nanočástice (NP) * [USEMAP] Terapeutické NP * př. Abraxane - stabilizace léčiva při průchodu krevním řečištěm Desai, 2016, Albumine in Medicine [USEMAP] Indukce oxidativního stresu a apoptózy * př. terapeutická nanočástice EGF-LipoAgNPs Santos, 2021, Int J Pharm Skora, 2022, TAAP Terapeutické NP * př. NPs jako terapeutické „batůžky“ proti-nádorových T-buněk * vs. nechtěná interakce NP se složkami IS – imunotoxicita • (makrofágy, APC, žírné buňky, lymfocyty) [USEMAP] [USEMAP] Mitchell, 2020, Nature Rev [USEMAP] Smith, 2014, Tox Sci Environmentální NP [USEMAP] Martinez, 2021, Materials * široké spektrum NP = široké spektrum signálních deregulací * př. ROX, zánět (TLRs, lipidy), endocytóza (“efekt trójského koně“), EGFR, VEGFR, ER stres, Ca2+ signalizace [USEMAP] ER stres * př. nanočástice Khan, 2020, Molecules Fig. 3 [USEMAP] Li, 2022, Sci Total Env Shrnutí kvízem * mezi nejčastěji deregulované signální transdukce cizorodými látkami patří: • •1. signalizace ionty () •2. signalizace spojená s oxidativním stresem a • poškozením DNA () •3. deregulace receptorové signalizace () •4. deregulace buněčného dělení () •5. deregulace mezibuněčné komunikace () •6. deregulace signalizace vedoucí k zánětu () •7. signalizace jadernými receptory () doplň příklady drah Obrazový rejstřík diskutovaných signálních drah EGFR signalizace * [USEMAP] Gazdar, 2009 Wnt signalizace [USEMAP] Zhan, 2017 IL-6/JAK-STAT signalizace [USEMAP] TGFbeta/SMAD signaling * figure 1 [USEMAP] Tecalco-Cruz, 2018 [USEMAP] Signalizace ionty Ca2+ * Berridge,2012 MAPK/p38 signalizace [USEMAP] Cell Signaling Technology MAPK/ERK kinázy * [USEMAP] Cell Signaling Technology Signální dráha SRC kinázy * [USEMAP] Zhang,2012 mTOR signalizace * [USEMAP] Cell Signaling Technology [USEMAP] JAK/STAT signalizace * Hu, 2021 NF-kB signalizace * [USEMAP] Yu, 2020 Signalizace HIF1alpha * [USEMAP] Cell Signaling Technology AhR signalizace * [USEMAP] Stockinger, 2021 p53 signalizace [USEMAP] Hernández Borrero, 2021 ER stres [USEMAP] Park, 2017