Toxicity of dioxin to developing teeth and salivary glands : An experimental study

Dioxins are ubiquitous environmental poisons having unequivocal adverse health effects on various species. The majority of their effects are thought to be mediated by the aryl hydrocarbon receptor (AhR). Developing human teeth may be sensitive to dioxins and the most toxic dioxin congener, 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD), is developmentally toxic to rodent teeth. Mechanisms of TCDD toxicity can be studied only experimentally. The aim of the present thesis work was to delineate morphological end points of developmental toxicity of TCDD in rat and mouse teeth and salivary glands in vivo and in vitro and to characterize their cellular and molecular background. Mouse embryonic teeth and submandibular gland explants were grown in organ culture without/with TCDD at various concentrations, examined stereomicroscopically and processed for histological examination. The effects of TCDD on cellular mechanisms essential for organogenesis were investigated. The expression of various genes eliciting the response to TCDD exposure or involved in tooth and salivary gland development was studied at the mRNA and/or protein levels by in situ hybridization and immunohistochemistry. Association of the dental effects of TCDD with the resistance of a rat strain to TCDD acute lethality was analyzed in two lactationally exposed rat strains. The effect of TCDD on rat molar tooth mineralization was studied in tissue sections. TCDD dose- and developmental stage-dependently interfered with tooth formation. TCDD prevented early mouse molar tooth morphogenesis and altered cuspal morphology by enhancing programmend cell death, or apoptosis, in dental epithelial cells programmed to undergo apotosis. Cell proliferation was not affected. TCDD impaired mineralization of rat molar dental matrices, possibly by specifically reducing the expression of the mineralization-related dentin sialophosphoprotein gene shown in cultured mouse teeth. The impaired mineralization of rat teeth was accompanied by decreased expression of AhR and the TCDD-inducible xenobiotic-metabolozing enzyme P4501 A1 (CYP1A1), suggesting mediation of the TCDD effect by the AhR pathway. The severe interference by TCDD with rat incisor formation was independent of the genotypic variation of AhR determining the resistance of a rat strain to TCDD acute lethality. The impairment by TCDD of mouse submandibular gland branching morphogenesis was associated with CYP1A1 induction and involved blockage of EGF receptor signalling. In conclusion, TCDD exposure is likely to have activated the AhR pathway in target organs with the consequent activation of other signalling pathways involving developmentally regulated genes. The resultant phenotype is organ specific and modified by epithelial-mesenchymal interactions and dependent on dose as well as the stage of organogenesis at the time of TCDD exposure. Teeth appear to be responsive to TCDD exposure throughout their development.

Dioksiinit ovat kaikkialla esiintyviä rasvaliukoisia ympäristömyrkkyjä, jotka kertyvät ravintoketjuun ja joilla on epäedullisia terveysvaikutuksia eri lajeihin. Valtaosa niistä välittynee aryylihiilivetyreseptori(aryl hydrocarbon receptor/AhR)-teitse. Ihmisen kehittyvät hampaat voivat olla herkkiä dioksiineille ja myrkyllisin dioksiinikongeneeri, 2,3,7,8-tetraklooridibentso-p-dioksiini (TCDD), on toksinen jyrsijöiden kehittyville hampaille. TCDD:n vaikutusmekanismeja voidaan selvittää vain kokeellisesti. Väitöskirjatyön tavoite oli kuvata TCDD:n toksisia vaikutuksia rotan ja hiiren kehittyviin hampaisiin ja sylkirauhasiin in vivo ja elinviljelmässä sekä selvittää vaikutusten solu- ja molekyylitason mekanismeja. Hiiren sikiön hampaita ja leuanalussylkirauhasia kasvatettiin elinviljelmässä, johon oli lisätty TCDD:a eri pitoisuuksina. Niitä tarkasteltiin stereomikroskooppisesti ja niistä valmistettiin kudosleikkeitä. TCDD:n vaikutusta elinten kehitystä oleellisesti sääteleviin tekijöihin, solujen lisääntymiseen ja ohjelmoituun kuolemaan (apoptoosiin) sekä sellaisten geenien lähetti-RNA- ja proteiinitason ilmentymiseen, jotka käynnistävät vasteen TCDD-altistukselle tai joilla on oleellinen tehtävä hampaan ja sylkirauhasen kehityksen säätelyssä, tutkittiin in situ hybridisaatio -menetelmällä ja immunohistokemiallisesti. Rottakantojen herkkyyttä TCDD:n toksisille hammasvaikutuksille verrattiin kantojen herkkyyteen TCDD:n akuutille letaalisuudelle emon maidon välityksellä altistetuissa, TCDD:lle vastustuskykyisissä ja herkissä rotissa. Edelleen tutkittiin TCDD:n vaikutusta rotan hammaskudosten mineralisaatioon. TCDD vaikutus hampaisiin oli annosvasteinen ja se liittyi hampaiden kehitysvaiheeseen. Hiiren hampaiden kehitys pysähtyi sen varhaisimmassa vaiheessa ja myöhemmin altistettujen hampaiden purupinnan nystermät jäivät mataliksi ennenaikaisen apoptoosin seurauksena. TCDD ei vaikuttanut solujen lisääntymiseen. TCDD huononsi rotan poskihampaan mineralisaatiota ja sitä edistävän dentiinin (hammasluun) sialofosfoproteiinigeenin ilmentyminen väheni hiiren viljellyissä hampaissa. Rotan hammasvaikutuksiin liittyi AhR:n ja TCDD:n vaikutuksesta indusoituvan, vierasaineita metaboloivan P4501 A1 -sytokromientsyymin (CYP1A1) ilmentymisen väheneminen, mikä viittaa TCDD:n vaikutuksen kehittyvään hampaaseen välittyvän AhR-teitse. Rotan jatkuvasti puhkeavan etuhampaan vakava muodostumishäiriö TCDD-altistuksen seurauksena ei liittynyt siihen AhR:n genotyypin muunteluun, jonka vaikutuksesta eri rottakantojen vastustuskyky TCDD:n akuutille letaalisuudelle vaihtelee oleellisesti. Hiiren viljellyn leuanalussylkirauhasen haarautumisen häiriintymiseen TCDD:n vaikutuksesta liittyi CYP1A1:n ilmentymisen lisääntyminen ja toisaalta epidermaalisen kasvutekijän reseptorin välityksellä tapahtuvan signaalinkulun estyminen. Tulokset viittaavat siihen, että AhR:n aktivoituminen kohde-elimissä TCDD:n vaikutuksesta aktivoi muita, kehityksellisesti säädeltyjen geenien välittämiä signaalien kulkureittejä. TCDD:n aiheuttamat muutokset ovat kullekin elimelle ominaisia ja niihin vaikuttavat solujen ja kudosten väliset vuorovaikutukset, TCDD-annos ja elimen kehitysvaihe altistuksen ajankohtana. Hampaisiin TCDD näyttää vaikuttavan niiden koko kehityksen ajan.