Распространенные химические вещества оказались токсичными для олигодендроцитов

Мы контактируем с множеством химических веществ, о токсичности которых нам ничего не известно. Особенно чувствительна к химическим стрессовым факторам развивающаяся нервная система детей. Нейроны более восприимчивы к химической токсичности, чем глиальные клетки. Однако внимание авторов нового исследования привлекли олигодендроциты — клетки нейроглии, которые образуют миелиновую оболочку вокруг аксона, а также обеспечивают метаболическую и трофическую поддержку нейрона. Развитие олигодендроцитов из клеток-предшественников (OPC) начинается во время эмбриогенеза и активизируется в первые два лет жизни. Зрелые олигодендроциты миелинизируют нейроны; этот процесс активнее всего в раннем детстве, но продолжается также у подростков и взрослых людей, что говорит о длительном периоде уязвимости олигодендроцитов. Нарушение развития этих клеток при генетических или воспалительных заболеваниях приводит к когнитивным и двигательным аномалиям.

Авторы статьи в Nature Neuroscience проверили 1823 химических вещества — загрязнителей окружающей среды на цитотоксичность по отношению к олигодендроцитам и влияние на их развитие.Панель включала промышленные загрязнители, пестициды, а также вещества, которые ранее привлекли внимание регулирующих органов

OPC из плюрипотентных стволовых клеток мыши (МПСК), обрабатывали химическими веществами в концентрации 20 мкМ и давали им развиваться в течение трех дней, затем окрашивали и подсчитывали жизнеспособные клетки. Цитотоксичными считались те соединения, которые снижали жизнеспособность более чем на 30% по сравнению с отрицательным контролем.

Вещества, отнесенные к нецитотоксичным, классифицировали по влиянию на развитие олигодендроцитов. Для этого ученые воспользовались методом иммунокрашивания антигена О1, который экспрессируется исключительно на созревающих олигодендроцитах. Ингибиторами развития считались те вещества, которые снижали количество O1+ клеток более чем на 50%; стимуляторами развития — те, которые увеличивали его более чем на 22 %.

Из 1823 химических веществ, включенных в первичный скрининг, более 80% не влияли на развитие и жизнеспособность олигодендроцитов, 292 были идентифицированы как цитотоксичные, 47 ингибировали развитие олигодендроцитов и 22 — стимулировали.

Цитотоксичные вещества проверили с помощью колориметрического метода, позволяющего измерять метаболическую активность клеток (MTS-анализ), и для 206 он подтвердил цитотоксичность. Чтобы выяснить, какие из них токсичны именно для развивающихся олигодендроцитов, ученые сравнили профили цитотоксичности этих 206 веществ с результатами скрининга на мышиных астроцитах, которые относятся к другому подтипу глии, а также с данными Управления по охране окружающей среды США (EPA) о цитотоксичности для многих типов клеток, не включающих глиальные. Для тех веществ, которые были токсичными в отношении олигодендроцитов, но не астроцитов, определили полумаксимальные ингибирующие концентрации (IC50).

Среди цитотоксичных для олигодендроцитов и замедляющих их развитие веществ оказалось много четвертичных аммониевых соединений, в том числе хлорид метилтриоктиламмония, применяемый как биоцид Четвертичные аммониевые соединения могут содержаться в дезинфицирующих средствах и средствах личной гигиены, отмечают авторы. На первом месте по токсичности оказался трибутилтетрадецилфосфоний, структурно сходный с четвертичными аммониевыми соединениями

Авторы проверили, какие ингибиторы путей программируемой клеточной смерти предотвращают гибель клеток при воздействии четвертичных соединений. Таким свойством обладал только хинолин-Val-Asp дифторфеноксиметилкетон (QVD-OPH), ингибитор апоптоза. Чтобы определить сигнальные пути, ответственные за запуск апоптоза в этих условиях, научная группа провела секвенирование РНК развивающихся олигодендроцитов, обработанных тремя четвертичными соединениями. Анализ обогащения наборов генов (GSEA) показал, что активируются гены, которые участвуют в программируемой клеточной гибели, реакции на развернутый белок и интегрированной реакции на стресс (ISR). Считается, что ISR активируется под воздействием различных стрессовых факторов окружающей среды и, если их не устранить, может привести к гибели клеток. Действительно, в олигодендроцитах экспрессировался ген маркера активации Ddit3, при этом в фибробластах аналогичный эффект не был получен, то есть активация ISR, вызванная четвертичными соединениями, может быть специфичной для олигодендроцитов.

Далее ученые убедились, что in vivo четвертичные соединения (метилтриоктиламмоний хлорид, цетилпиридиний хлорид и ADEBС) способны проникать через гематоэнцефалический барьер и влияют на развитие мозга. Мышатам в возрасте 9-10 дней давали эти вещества перорально в количествах 10 и 100 мг/кг, и они появлялись в мозге в наномолярных концентрациях, наибольших в случае цетилпиридиния хлорида. Мышата, получившие это вещество в дозировке 10 мг/кг, умирали в ближайшие дни. Иммуногистохимический анализ показал значительное уменьшение количества SOX10+ клеток олигодендроцитарной линии в различных областях мозга, включая мозолистое тело, мозжечок, кору и гиппокамп. Плотность NeuN+ нейронов была снижена незначительно и только в мозжечке.

В следующей серии экспериментов изучалось действие тех же веществ на нейроорганоиды из человеческих плюрипотентных стволовых клеток (иПСК), моделирующих ранние стадии развития мозга. В них снижалась плотность SOX10+ OPCs и олигодендроцитов, уменьшилась некоторые популяции клеток-предшественников.

В числе 22 веществ, которые стимулировали развитие олигодендроцитов, оказались модуляторы рецепторов гормонов щитовидной железы. Среди 47 ингибиторов развития олигодендроцитов присутствовали соединения, содержащие центральный фосфат (фосфатную группу с тремя заместителями): трис(метилфенил)фосфат (TMPP), трис(2,3-дибромпропил)фосфат (TBPP) и трис(1,3-дихлор-2-пропил)фосфат (TDCIPP). Фосфорорганические эфиры этой группы широко используются как пестициды и антипирены.

Когда клетки культивировали в присутствии TDCIPP, TMPP и TBPP, в них снижалась экспрессия маркеров зрелости олигодендроцитов. У мышат, которым вводили TDCIPP, он обнаруживался в мозге и печени, при этом масса мозга и печени, как и масса всего тела, существенно не менялись. Количество зрелых олигодендроцитов было снижено во многих областях мозга мышей, обработанных TDCIPP, включая мозолистое тело и мозжечок. TDCIPP также подавлял развитие олигодендроцитов и в органоидах коры мозга из человеческих клеток.

Фосфорорганические антипирены широко применяются в производстве товаров широкого потребления, таких как мебель, строительные материалы и электроника. Исследования их потенциальной нейротоксичности в основном фокусировались на пренатальном воздействии. Авторы статьи задались вопросом об их влиянии на нейроразвитие в детском и подростковом возрасте и проанализировали данные Национального обследования здоровья и питания (NHANES), проведенного Центрами по контролю и профилактике заболеваний США (CDC).

Метаболит мочи BDCIPP может служить индикатором наличия TDCIPP в организме. Исследование детей в возрасте 3-11 лет в период с 2013 по 2018 год выявило BDCIPP в образцах мочи 99,4% детей, причем в существенно больших количествах, чем у взрослых. Есть указание на то, что воздействие фосфорорганических антипиренов на детей усилилось в более поздних временных точках. Среди детей, которые нуждались в специальном образовании или сообщили о двигательной дисфункции, была больше доля тех, кто попадал в верхний квартиль концентрации BDCIPP в моче, чем среди тех, кто не сообщал о таких проблемах.

Компонент бытовых пластмасс повышает смертность в полтора раза при высоком содержании в организме