Persistent organic pollutants and effects on developmental and functional processes in mice

Abstract

Initial exposure to persistent organic pollutants (POPs) occurs by placental and lactational transfer during fetal and neonatal life and continues during the adult stage through ingestion, inhalation and dermal absorption. Many POPs have functional groups that resemble endogenous molecules rendering them with the potential for endocrine disruption during sensitive periods of organ development and function. Thus, adverse health effects may arise from exposure to POPs such as cancer and dysfunction of the endocrine, immune, reproductive, developmental or neurological systems. Mice are extensively used in research related to human health and disease as they are small animals with short generation time and high genetic similarity to humans. In addition, transgenic and knockout technology has led to the development of murine models with high phenotypic similarity to human disease. However, several differences between humans and mice are present in the absorption, distribution, metabolism, excretion, sensitivity and susceptibility to POPs. Furthermore, attention has recently shifted from assessing the toxicity of single compounds or well-defined chemical mixtures to evaluating large and environmentally relevant mixtures of POPs. The present study utilized two mouse models (CD-1 and A/J Min) and two exposure regimes (dietary or perinatal) to explore the effects of a human relevant mixture of POPs on female mammary gland development and ovarian folliculogenesis, liver morphology and function, and colorectal cancer development, intestinal microbiota and metabolome. The mixture composition was based on chemicals present in Scandinavian food products and the individual compound concentrations were adjusted to 0x (Control), 5 000x (Low) or 100 000x (High) human estimated daily intake levels for the general Scandinavian population. As shown previously, the present study also demonstrated gestational and lactational transfer of POPs from mothers to offspring. Furthermore, the results showed absorption, distribution, accumulation and persistence of POPs in murine tissues. The Low dose resulted in human relevant concentrations (for some chemicals) and can be considered at least partly human relevant in both its composition and concentration. Perinatal exposure to the mixture restricted mammary gland development and led to a premature arrest of gland growth in female CD-1 mice. In addition, it decreased ovarian follicle maturation and possibly also increased follicle atresia. Together this indicated potential endocrine disruption. Furthermore, the mixture caused persistent hepatocellular hypertrophy in CD-1 mice, but not in A/J Min mice. Thus, a strain-dependent difference in hepatic sensitivity was illustrated and, together with the induction of cytochrome P450 enzymes, indicated that the mixture may cause hepatotoxicity in sensitive strains. The two exposure regimes, dietary and perinatal, resulted in contradictory effects on colorectal carcinogenesis in A/J Min mice. Dietary exposure moderately increased cancer development while perinatal exposure reduced carcinogenesis. The increase was synergistically enhanced when combined with one injection of azoxymethane. Interestingly, perinatal POP exposure modulated the biochemical and microbial environment of the intestine possibly to reduce colorectal carcinogenesis in the predetermined cancer model. In conclusion, the human relevant mixture of POPs affected several developmental and functional processes in mice. The results of the present study can facilitate future mechanistic investigations into how human relevant chemical mixtures may affect biological development and function.

Eksponering for persistente organiske forbindelser (POPs) starter i foster- og neonatalstadiet igjennom morkaken og brystmelk, og fortsetter videre igjennom matinntak, innånding og dermal absorpsjon. Mange POPs har funksjonelle grupper som etterligner endogene molekyler, noe som gir kjemikaliene et potensiale for endokrine forstyrrelser i løpet av sensitive perioder for organutvikling og funksjon. Alvorlige helseeffekter kan dermed oppstå som følge av eksponering, slik som kreft og dysfunksjon av ulike kroppsfunksjoner. Mus er mye brukt i forskning på human helse og sykdommer fordi de er små dyr med kort generasjonstid og har høy genetisk likhet til mennesker. I tillegg har transgen- og knockoutteknologi ført til utvikling av musemodeller med høy fenotypisk likhet til humane sykdommer. Likevel finnes det flere ulikheter mellom mennesker og mus, blant annet når det gjelder absorpsjon, distribusjon, metabolisme og ekskresjon av POPs. Videre har oppmerksomheten skiftet fra å studere toksisiteten av enkeltstoffer eller veldefinerte mikser av kjemikalier til å undersøke store og miljørelevante sammensetninger av POPs. I denne avhandlingen ble det brukt to musemodeller (CD-1 og A/J Min) og to eksponeringsregimer (diett og perinatal) til å undersøke effektene av en humanrelevant miks av POPs på hunnlig brystutvikling og utvikling av follikler i ovariene, levermorfologi og funksjon. Forekomst av tykktarmskreft, sammensetning av tarmmikrobiota og metabolom i tarminnhold og tarmvev ble også undersøkt. Miksen hadde en sammensetning av stoffer basert på kjemikalier som er tilstede i Skandinaviske matprodukter og konsentrasjonene av de individuelle stoffene ble justert til 0x (Kontroll), 5 000x (Lav) eller 100 000x (Høy) nivået av estimert humant daglig inntak for den generelle Skandinaviske populasjonen. I likhet med tidligere studier viste også dette studiet at POPs overføres fra mor til barn igjennom graviditet og amming. Videre viste resultatene absorpsjon, distribusjon, akkumulasjon og persistens av POPs i vev fra mus. Lav eksponeringsdose resulterte i konsentrasjoner (for noen av kjemikaliene) som var humanrelevante og kan delvis vurderes til å være humanrelevant i både sin komposisjon og konsentrasjon. Perinatal eksponering for miksen begrenset brystutviklingen og førte til en prematur stans i kjertelveksten i CD-1 hunnmus. Videre førte eksponeringen til en reduksjon i follikkelmodningen og mulig også en økning av follikkelatresi i ovariene. Til sammen indikerte dette en mulig endokrin forstyrrelse. Miksen førte også til persistent hypertrofi av leverceller i CD-1 mus, men ikke i A/J Min mus. Dette tydet på forskjeller i leversensitivitet mellom musemodeller og, sammen med en induksjon av cytokrom P450 enzymer, indikerte dette at miksen kunne føre til levertoksisitet i høysensitive mus. De to eksponeringsregimene, igjennom diett og perinatal overføring, førte til motstridende effekter på tarmkreft i A/J Min mus. Eksponering igjennom dietten førte til en moderat økning av kreft, mens perinatal eksponering reduserte karsinogenesen. Økningen ble synergistisk forsterket i kombinasjon med én injeksjon av azoxymetan. Perinatal POP-eksponering modulerte det biokjemiske og mikrobielle miljøet i tarmen, noe som mulig reduserte tarmkreftutviklingen i den forutbestemte kreftmodellen. Vi konkluderer med at den humanrelevante miksen av POPs påvirket utviklingen og funksjonen til flere kroppsfunksjoner i mus. Disse resultatene gir et godt grunnlag for videre forskning knyttet til hvordan humanrelevante blandinger av POPs kan påvirke utvikling og helse hos dyr og mennesker.