Development of a co-culture model of the human lungs for toxicity testing and identification of biomarkers of inhalation toxicity

The airway epithelium is the first point of contact in the lung for inhaled material, including infectious pathogens and particulate matter, and protects against toxicity from these substances by trapping and clearance via the mucociliary escalator, presence of a protective barrier with tight junctions and initiation of a local inflammatory response. The inflammatory response involves recruitment of phagocytic cells to neutralise and remove and invading materials and is oftern modelled using rodents. However, development of valid in vitro airway epithelial models is of great importance due to the restrictions on animal studies for cosmetic compound testing implicit in the 7th amendment to the European Union Cosmetics Directive. Further, rodent innate immune responses have fundamental differences to human. Pulmonary endothelial cells and leukocytes are also involved in the innate response initiated during pulmonary inflammation. Co-culture models of the airways, in particular where epithelial cells are cultured at air liquid interface with the presence of tight junctions and differentiated mucociliary cells, offer a solution to this problem. Ideally validated models will allow for detection of early biomarkers of response to exposure and investigation into inflammatory response during exposure. This thesis describes the approaches taken towards developing an in vitro epithelial/endothelial cell model of the human airways and identification biomarkers of response to exposure to xenobiotics. The model comprised normal human primary microvascular endothelial cells and the bronchial epithelial cell line BEAS-2B or normal human bronchial epithelial cells. BEAS-2B were chosen as their characterisation at air liquid interface is limited but they are robust in culture, thereby predicted to provide a more reliable test system. Proteomics analysis was undertaken on challenged cells to investigate biomarkers of exposure. BEAS-2B morphology was characterised at air liquid interface compared with normal human bronchial epithelial cells. The results indicate that BEAS-2B cells at an air liquid interface form tight junctions as shown by expression of the tight junction protein zonula occludens-1. To this author’s knowledge this is the first time this result has been reported. The inflammatory response of BEAS-2B (measured as secretion of the inflammatory mediators interleukin-8 and -6) air liquid interface mono-cultures to Escherichia coli lipopolysaccharide or particulate matter (fine and ultrafine titanium dioxide) was comparable to published data for epithelial cells. Cells were also exposed to polymers of “commercial interest” which were in the nanoparticle range (and referred to particles hereafter). BEAS-2B mono-cultures showed an increased secretion of inflammatory mediators after challenge. Inclusion of microvascular endothelial cells resulted in protection against LPS- and particle- induced epithelial toxicity, measured as cell viability and inflammatory response, indicating the importance of co-cultures for investigations into toxicity. Two-dimensional proteomic analysis of lysates from particle-challenged cells failed to identify biomarkers of toxicity due to assay interference and experimental variability. Separately, decreased plasma concentrations of serine protease inhibitors, and the negative acute phase proteins transthyretin, histidine-rich glycoprotein and alpha2-HS glycoprotein were identified as potential biomarkers of methyl methacrylate/ethyl methacrylate/butylacrylate treatment in rats.

Identification and localization of polyketide synthase genes from cultures of diarrheic shellfish poisoning toxin producing dinoflagellates of the genus Prorocentrum

Aquatic toxins are responsible for a number of acute and chronic diseases in humans. Okadaic acid (OA) and other dinoflagellate derived polyketide toxins pose serious health risks on a global scale. Ingestion of OA contaminated shellfish causes diarrheic shellfish poisoning (DSP). Some evidence also suggests tumor promotion in the liver by OA. Microcystin-LR (MC-LR) is produced by cyanobacteria and is believed to be the most common freshwater toxin in the US. Humans may be exposed to this acute hepatotoxin through drinking or recreational use of contaminated waters. ^ OA producing dinoflagellates have not been cultured axenically. The presence of associated bacteria raises questions about the ultimate source of OA. Identification of the toxin-producing organism(s) is the first step in identifying the biosynthetic pathways involved in toxin production. Polyketide synthase (PKS) genes of toxic and non-toxic species were surveyed by construction of clonal libraries from PCR amplicons of various toxic and non-toxic species of Prorocentrum in an effort to identify genes, which may be part of the biosynthetic pathway of OA. Analysis of the PKS sequences revealed that toxic species shared identical PKS genes not present in non-toxic species. Interestingly, the same PKS genes were identified in a library constructed from associated bacteria. ^ Subsequent bacterial small subunit RNA (16S) clonal libraries identified several common bacterial species. The most frequent 16S sequences found were identified as species of the genus Roseobacter which has previously been implicated in the production of OA. Attempts to culture commonly occurring bacteria resulted in the isolation of Oceanicaulis alexandrii , a novel marine bacterium previously isolated from the dinoflagellate Alexandrium tamarense, from both P. lima, and P. hoffmanianum. ^ Metabolic studies of microcystin-LR, were conducted to probe the activity of the major human liver cytochromes (CYP) towards the toxin. CYPs may provide alternate routes of detoxification of toxins when the usual routes have been inhibited. For example, some research indicates that cyanobacterial xenobiotics, in particular, lipopolysaccharides may inhibit glutathione S-transferases allowing the toxin to persist long enough to be acted upon by other enzymes. These studies found that at least one human liver CYP was capable of metabolizing the toxin. ^

Citotoxicidade da associação de agrotóxicos da rizicultura em hepatócitos de Zebrafish

No plantio do arroz parte de um corpo d’água (rio, lago, lagoa) é desviado para a irrigação da plantação, e, posteriormente, a água utilizada nas lavouras é devolvida ao rio/lago/lagoa de origem. Assim, seja por lixiviação ou por qualquer outro fator, a água entra em contato com os agrotóxicos que, anteriormente, foram utilizados na plantação, podendo causar danos à qualidade do recurso hídrico e à fauna lacustre, devido à exposição a estes poluentes. O presente trabalho teve por objetivo verificar a citotoxicidade de agrotóxicos (herbicida e inseticida), utilizados na rizicultura no estado do Rio Grande do Sul, em células hepáticas da linhagem ZF-L. A partir da análise de funcionalidade de três alvos celulares diferentes, integridade da membrana celular, estabilidade lisossomal e atividade mitocondrial frente à exposição ao Roundup Transorb® , ao Furadan 350 SC® e à associação destes produtos. Foi analisada ainda, a capacidade de defesa das células, expostas aos poluentes escolhidos, no que diz respeito à atividade de proteínas extrusoras de xenobióticos, assim como à expressão de tais proteínas. A partir dos resultados obtidos foi verificado efeito citotóxico de ambos os agrotóxicos, bem como a mistura destes para todos os alvos verificados, apresentando ainda efeito inibitório à atividade de extrusão de xenobióticos pelas glicoproteínas P (P-gps). Apenas quando expostas ao inseticida e à mistura as células apresentaram um aumento na expressão de glicoproteínas (P-gp). Verificou-se a existência de correlação negativa entre a citotoxicidade apresentada, principalmente na atividade mitocondrial e na integridade lisossomo e a atividade das P-gps. Em conclusão, percebeu-se que as concentrações abaixo do permitido pela legislação brasileira, para os princípios ativos dos agrotóxicos testados, mostraram-se tóxicas para todos os alvos de citotoxicidade testados neste estudo, com exceção da mitocôndria, sugerindo que esta toxicidade apresentada pode ser devido aos surfactantes presentes nas formulações comerciais.

Avaliação transcricional de Glutationas -transferases em PEIXE-ZEBRA (Danio rerio) e alterações causadas pela exposição á Microcistina-LR

As Microcistinas são heptapeptídios cíclicos produzidos como metabólitos secundários por diferentes espécies de cianobactérias, sendo relevantes pelo seu potencial hepatotóxico. Peixes apresentam estratégias bioquímicas para detoxificar contaminantes ambientais, incluindo a ativação de enzimas de fase II de biotransformação, que incluem as isoformas de glutationa S-transferase (GST). As GST catalizam a conjugação de glutationa reduzida (GSH) com uma variedade de xenobióticos, incluindo as microcistinas. O presente estudo avaliou os níveis transcricionais de quinze isoformas de GST a fim de identificar isoformas possivelmente envolvidas na detoxificação de contaminantes ambientais como a microcistina-LR (MC-LR) em Danio rerio. A técnica de PCR em tempo real (RT-qPCR) foi utilizada para avaliação dos níveis transcricionais, permitindo análise das GST em diferentes órgãos, abundância e a ativação/repressão das isoformas de GST pela exposição à MC-LR. Foram avaliados os possíveis efeitos causados em brânquia e fígado após exposição por 24 hs às concentrações de 5 µg.L-1 e 50 µg.L-1 de MC-LR. Baseado nos scores de estabilidade para oito genes normalizadores, foram selecionados glicose-6-fosfato desidrogenase (g6pdh), β-actina1 e beta-2-microglobulina (b2m); b2m, alfa-tubulina 1 (tuba) e β- actin1; e tuba, b2m e g6pdh, para normalização dos níveis trancricionais de GST para distribuição órgão-específica, abundância e efeito da MC-LR em brânquia e fígado, respectivamente. A avaliação transcricional da distribuição órgão-específica revelou níveis significativos de gstal e gstk1.1 no fígado; gstp1 e gstp2 em brânquia; mgst3a, gstr1, gstm2, gstm33, gstp1, gstp2 e gstk1.1 no intestino; gstm2, gstm3 e gstal no olho e gstt1a e gsta2.1 no cérebro. Considerando os níveis de transcritos para um dado órgão, gstk1.1, gstal, gstp1 e gstt2 foram mais abundantes nos órgãos de detoxificação, tais como o fígado, brânquias e intestino, enquanto gstt1a e gsta2.1 foram mais abundantes no rim. Em brânquia, gsta2.1 e gstt1b foram reprimidas por 5 µg.L-1 de MC-LR e mgst1.1 foi reprimida em 50 µg.L-1 de MC-LR. No fígado, as isoformas gst2.2 e gstp2 foram reprimidas em ambas as concentrações, gstal foi reprimida em 5 µg.L-1, e gstt1a e gstk1.1 foram reprimidas em 50 µg.L-1 de MC-LR. As isoformas gstal, gstr1, gstp1, mgst3a, gstm1, gstm2 e gstm3 não foram alteradas pela exposição a MC-LR. Os resultados obtidos fornecem informações para a escolha de isoformas específicas de GST possivelmente envolvidas na detoxificação/toxicidade de MC-LR, a serem melhores caracterizadas ao nível protéico e também contribui para a escolha de genes normalizadores a serem utilizados em outros estudos da mesma natureza

Aflatoxin B1 and M1 Degradation by Lac2 from Pleurotus pulmonarius and Redox Mediators

Laccases (LCs) are multicopper oxidases that find application as versatile biocatalysts for the green bioremediation of environmental pollutants and xenobiotics. In this study we elucidate the degrading activity of Lac2 pure enzyme form Pleurotus pulmonarius towards aflatoxin B1 (AFB1) and M1 (AFM1). LC enzyme was purified using three chromatographic steps and identified as Lac2 through zymogram and LC-MS/MS. The degradation assays were performed in vitro at 25 °C for 72 h in buffer solution. AFB1 degradation by Lac2 direct oxidation was 23%. Toxin degradation was also investigated in the presence of three redox mediators, (2,2′-azino-bis-[3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid]) (ABTS) and two naturally-occurring phenols, acetosyringone (AS) and syringaldehyde (SA). The direct effect of the enzyme and the mediated action of Lac2 with redox mediators univocally proved the correlation between Lac2 activity and aflatoxins degradation. The degradation of AFB1 was enhanced by the addition of all mediators at 10 mM, with AS being the most effective (90% of degradation). AFM1 was completely degraded by Lac2 with all mediators at 10 mM. The novelty of this study relies on the identification of a pure enzyme as capable of degrading AFB1 and, for the first time, AFM1, and on the evidence that the mechanism of an effective degradation occurs via the mediation of natural phenolic compounds. These results opened new perspective for Lac2 application in the food and feed supply chains as a biotransforming agent of AFB1 and AFM1.

Células de anêmonas Bunodosoma cangicum expostas ao cobre: citotoxidade, defesa e dano de DNA

Anêmonas-do-mar são pólipos solitários, bentônicos, de pouca mobilidade, que habitam regiões entre-marés. Devido a estas características, são organismos que podem ser atingidos diretamente pela poluição aquática, no entanto, são pouco utilizados como modelo ecotoxicológico. O cobre é um metal essencial, que em altas concentrações pode ser tóxico, sendo bastante comum em ecossistemas marinhos. Um dos mecanismos de toxicidade do cobre envolve a produção de espécies reativas de oxigênio (ERO), podendo levar as células ao estresse oxidativo, que tem como característica danos celulares, inclusive no DNA. Muitos organismos possuem um mecanismo que bombeia os xenobióticos para fora da célula – multixenobiotic resistance (MXR) – que visa prevenir as células dos danos tóxicos causados pelo contaminante. Com isso, o presente trabalho estudou a capacidade de defesa e dano ao DNA à toxicidade causada pelo cobre em células de anêmonas Bunodosoma cangicum. Para isto, células de anêmonas, mantidas em cultura primária através de explante do disco podal, foram expostas ao cobre a duas concentrações (7,8 µg.L-1 Cu e 15,6 µg.L-1 Cu), além do grupo controle, por 6 e 24 h. Antes e após as exposições as células tiveram sua viabilidade avaliada através do método de exclusão por azul de tripan (0,08%) para analisar a citotoxicidade. Parâmetros como a indução do mecanismo MXR através do método de acúmulo de rodamina-B, espécies reativas de oxigênio e ensaio cometa, também foram avaliados. Os resultados obtidos mostram que o cobre é citotóxico, sendo constatada uma queda na viabilidade e no número de células, principalmente após 24 h de exposição, sendo que na concentração de cobre de 15,6 µg.L-1 , foi possível observar uma diminuição de 40% na viabilidade e uma redução em 36% no número de células (p < 0,05, n = 6). Em relação ao fenótipo MXR, foi observada uma ativação do mecanismo apenas naquelas células expostas ao cobre 7,8 µg.L-1 (53%) no tempo de 24 h (p < 0,05, n = 5). Na análise da geração de ERO foi observado um aumento de 11,5% naquelas células expostas por 6 h na concentração mais alta de cobre 15,6 µg.L-1 . Nas células que foram expostas por 24 h, o aumento de espécies reativas pode ser percebido já na concentração de 7,8 µg.L-1 , elevando-se para cerca de 20% quando exposto a 15,6 µg.L-1 (p < 0,05, n = 4-5). Quanto ao dano de DNA, foram vistas quebras na molécula desde 7,8 µg.L-1 Cu em 6 h, com danos ainda mais salientes naquelas células expostas por 24 h, na concentração de 7,8 µg.L -1 Cu (p < 0,05, n = 3-4), e para 15,6 µg.L-1 Cu a viabilidade celular (número de células) não permitiu a análise. Com base nestes dados, pode-se dizer que o cobre, mesmo em baixas concentrações causa estresse em células de B. cangicum, sendo citotóxico. Este metal causa estresse oxidativo com dano à molécula de DNA mesmo com a ativação do mecanismo de defesa.

Exploring the potential of novel biomixtures and Lentinula edodes fungus for the degradation of selected pesticides. Evaluation for use in biobed systems

An approach to reduce the contamination of water sourceswith pesticides is the use of biopurificaction systems. The active core of these systems is the biomixture. The composition of biomixtures depends on the availability of local agro-industrial wastes and design should be adapted to every region. In Portugal, cork processing is generally regarded as environmentally friendly and would be interesting to find applications for its industry residues. In this work the potential use of different substrates in biomixtures, as cork (CBX); cork and straw, coat pine and LECA (Light Expanded Clay Aggregates), was tested on the degradation of terbuthylazine, difenoconazole, diflufenican and pendimethalin pesticides. Bioaugmentation strategies using the white-rot fungus Lentinula edodes inoculated into the CBX, was also assessed. The results obtained from this study clearly demonstrated the relevance of using natural biosorbents as cork residues to increase the capacity of pesticide dissipation in biomixtures for establishing biobeds. Furthermore, higher degradation of all the pesticides was achieved by use of bioaugmented biomixtures. Indeed, the biomixtures inoculated with L. edodes EL1were able to mineralize the selected xenobiotics, revelling that these white-rot fungi might be a suitable fungus for being used as inoculum sources in on-farm sustainable biopurification system, in order to increase its degradation efficiency. After 120 days, maximum degradation of terbuthylazine, difenoconazole, diflufenican and pendimethalin, of bioaugmented CBX, was 89.9%, 75.0%, 65.0% and 99.4%, respectively. The dominant metabolic route of terbuthylazine in biomixtures inoculated with L. edodes EL1 proceeded mainly via hydroxylation, towards production of terbuthylazine-hydroxy-2 metabolite. Finally, sorption process to cork by pesticides proved to be a reversible process,working cork as a mitigating factor reducing the toxicity to microorganisms in the biomixture, especially in the early stages.

Processamento e classificação de imagens biológicas: aplicação à histologia

A Histologia, o estudo de tecidos, é uma das áreas fundamentais da Biologia que permitiu enormes avanços científicos. Sendo uma tarefa exigente, meticulosa e demorada, será importante aproveitar a existência de ferramentas e algoritmos computacionais no seu auxílio, tornando o processo mais rápido e possibilitando a descoberta de informação que poderá não estar visível à partida. Esta dissertação tem como principal objectivo averiguar se um animal foi ou não sujeito à ingestão de um xenobiótico. Com esse objectivo em vista, utilizaram-se técnicas de processamento e segmentação de imagem aplicadas a imagens de tecido renal de ratos saudáveis e ratos que ingeriram o xenobiótico. Destas imagens extraíram-se inúmeras características do corpúsculo renal que após serem analisadas através de vários algoritmos de classificação mostraram ser possível saber se o animal ingeriu ou não o xenobiótico, com um reduzido grau de incerteza. ABSTRACT: Histology, the study of tissues, is one of the key areas of Biology that has allowed huge advances in Science. Being a demanding, meticulous and time consuming task, it is important to use the existence of computational tools and algorithms in its aid, making the process faster and enabling the discovery of information that may not be initially visible. The main goal of this thesis is to ascertain if an animal was subjected or not to the ingestion of a xenobiotic. With this in mind, were used image processing and segmentation techniques applied on images of kidney tissue from healthy rats and rats that ingested the xenobiotic. From these images were extracted several features of renal glomeruli that after being analyzed by various classification algorithms had shown to be possible to know, with an acceptable degree of certainty, if the animal ingested or not the xenobiotic.

Prediction of a low-risk concentration of diflubenzuron to aquatic organisms and evaluation of clay and gravel in reducing the toxicity.

Resumo: Predição da concentração de baixo risco de diflubenzuron para organismos aquáticos e avaliação da argila e brita na redução da toxicidade. O diflubenzuron é um inseticida que além de ser usado agricultura, tem sido amplamente empregado na piscicultura, apesar do seu uso ser proibido nesta atividade. Este composto não consta na lista da legislação brasileira que estabelece limites máximos permissíveis em corpos de água para a proteção das comunidades aquáticas. No presente trabalho, a partir da toxicidade do diflubenzuron em organismos não-alvo, foi calculada a concentração de risco para somente 5% das espécies (HC5). O valor deste parâmetro foi estimado em aproximadamente 7 x 10-6 mg L-1 . Este baixo valor é devido à extremamente alta toxicidade do diflubenzuron para dafnídeos e à grande variação de sensibilidade entre as espécies testadas. Dois matérias de relativamente baixo custo se mostraram eficientes na remoção da toxicidade do diflubenzuron de soluções contendo este composto. Dentre esses materiais, a argila expandida promoveu a redução em aproximadamente 50% da toxicidade de uma solução contendo diflubenzuron. Os resultados podem contribuir para políticas públicas no Brasil relacionadas ao estabelecimento de limites máximos permissíveis de xenobióticos no compartimento aquático. Também, para a pesquisa de matérias inertes e de baixo custo com potencial de remoção de xenobióticos presentes em efluentes da aquicultura ou da agricultura. Abstract: Diflubenzuron is an insecticide that, besides being used in the agriculture, has been widely used in fish farming. However, its use is prohibited in this activity. Diflubenzuron is not in the list of Brazilian legislation establishing maximum permissible limits in water bodies for the protection of aquatic communities. In this paper, according toxicity data of diflubenzuron in non-target organisms, it was calculated an hazardous concentration for only 5% of the species (HC5) of the aquatic community. This parameter value was estimated to be about 7 x 10 -6 mg L -1 . The low value is due to the extreme high toxicity of diflubenzuron to daphnids and to the large variation in sensitivity among the species tested. Two relatively low cost and inert materials were efficient in removing the diflubenzuron from solutions containing this compound. Among these materials, expanded clay shown to promote reduction of approximately 50% of the toxicity of a solution containing diflubenzuron. The results may contribute to the establishment of public policies in Brazil associated to the definition of maximum permissible limits of xenobiotics in the aquatic compartment. This study is also relevant to the search of low cost and inert materials for xenobiotics removal from aquaculture or agricultural effluents.