INTERAKCE LIDSKÉHO ORGANISMU S XENOBIOTIKY – JEJICH DOPAD NA FYZIOLOGICKÉ PROCESY A LIDSKÉ ZDRAVÍ J. Vondráček Bi5611c Speciální metody fyziologie živočichů Cellular and Molecular Toxicology Group – MTG Oddělení cytokinetiky – BFÚ AV ČR Brno Kde nás najdete? http://ibp.pano3d.eu/ https://cs-cz.facebook.com/BFUavcr/ http://www.ibp.cz/cs/oddeleni/cytokinetika/informace-o- oddeleni Brno - Žabovřesky Čím se zabýváme? • studiem metabolických procesů spojených s aktivací/inaktivací toxických látek a léčiv; • dopad toxických i endogenních regulačních molekul látek na buněčnou signalizaci, mezibuněčnou komunikaci a metabolismus – buňky jater, epitelu plic či tlustého střeva – „první linie“ • jakou roli hrají tyto mechanismy při vzniku a rozvoji nádorových či metabolických onemocnění a by bylo možné je využít k terapii či chemoprevenci? Xenobiotika (toxické látky, látky přírodního původu, léčiva) pronikají do buněk a interagují s tzv. xenosenzory (jaderné receptory, AhR, Nrf2) Redox Biology (2017) 13: 646–654 • prostřednictvím interakcí s receptory – řídí svůj vlastní metabolismus; • ovlivňují metabolismus dalších (i endogenních) látek; • interagují se endogenními regulačními molekulami; • dopad na endogenní fyziologické procesy – působení hormonů, energetický metabolismus, narušení mezibuněčné komunikace – souvislost s moderními civilizačními chorobami – endokrinní a metabolická disrupce (metabolický syndrom, obezita, diabetes II. typu), vznik a rozvoj nádorových onemocnění – některá xenobiotika – aktivní karcinogeny a prokarcinogeny; Orgány vystavené primárnímu působení xenobiotik • plicní tkáň – buňky plicních sklípků – vystaveny primárnímu působení látek znečišťujících ovzduší – spojených např. s tabákovým kouřem, částicemi polétavého prachu nebo uvolňované do životního prostředí z průmyslové výroby; • gastrointestinální trakt, vč. jater – buňky kolonu – působení dietárních kontaminantů, léčiv, přírodních látek či produktů mikrobiomu; J. Steroid Biochem. Mol. Biol. (2003) 84: 117–132 Co nás zajímá: • in vitro metody – analýza lidských buněk metodami biochemie a analytické chemie, analytické cytometrie a přenos poznatků do reálné in vivo situace; • možnost přípravy pokročilých modelů jednotlivých tkání či kultivace specifických buněčných typů, které mohou být primárním cílem xenobiotik – např. progenitorové buňky jater a plic, buňky epitelu tlustého střeva; • aktivace specifických receptorů (AhR, ER/AR, PPAR, CAR, PXR) – reportérové testy, endogenní genová exprese; • molekulární mechanismy regulující expresi genů kódujících enzymy a transportéry podílející se na metabolismu xenobiotik (XME) – transkripční regulace, epigenetické procesy (modulace chromatinu, působení miRNA, apod.) • metabolismus toxických látek, jako jsou např. polycyklické aromatické uhlovodíky (detoxifikace, metabolická aktivace), procesy spojené s poškozením DNA; • působení xenobiotik/endogenních regulátorů na procesy spojené s deregulací hormonální signalizace a metabolických regulací (v normální i nádorové tkáni) – především metabolismus lipidů a mastných kyselin; • vliv xenobiotik na regulaci buněčné signalizace – kontrola proliferace, diferenciace, apoptózy či mezibuněčné komunikace – působení karcinogenů; 1) Aktivace xenosenzorů a dalších jaderných receptorů – screeningové metody Vondráček et al., Environ Pollut. (2017) 20(Pt A): 307-316. Pěnčíková et al., Sci Total Environ. (2019) 677: 626-636. 2) Exprese genů a transportérů a vliv orgánového mikroprostředí Cell (2015) 165: 1564 - 1566 Nature Reviews Microbiology (2014) 2:661-72 • mikrobiom produkuje velké množství SCFAs – mastné kyseliny s krátkým řetězcem • butyrát – primární zdroj energie pro kolonocyty, udržování homeostáze – regulátor transkripce (inhibitr HDAC); • vliv na expresi enzymů metabolizujících xenobiotika? Zapletal et al., Arch Toxicol 2017; 91, 2135–2150 MCB 27: 7089-7101 2) Exprese genů a transportérů a vliv orgánového mikroprostředí 3) Metabolismus karcinogenů a působení endogenních fakorů – např. zánět Respiratory Research 2010; 11:7 • částečky vznikající v průběhu spalování obsahují velké množství karcinogenních polycyklických aromatických uhlovodíků – např. benzo[a]pyren – • jak jsou metabolizovány v podmínkách zánětu? 3) Metabolismus karcinogenů a působení endogenních fakorů – např. zánět Šmerdová et al., Toxicology 314 (2013) 30-38 3) Metabolismus karcinogenů a působení endogenních fakorů – např. zánět Šmerdová et al., Toxicology 314 (2013) 30-38 Zánětlivé cytokiny – nerovnováha metabolismu BaP CYP1A1 CYP1B1 3) Metabolismus karcinogenů a působení endogenních fakorů – např. zánět MSK1/2 double KO reduces both inducible and basal CYP1B1 expression MSK1/2-/- MEFs Šmerdová et al., Carcinogenesis 2014; 35, 2534–2543 4) Metabolismus PAU a jejich působení na aktivaci estrogenní signalizace Vondráček et al., Toxicol Sci., 2002; Plíšková et al., Toxicol. Sci., 2005; Kummer et al.,Toxicol. Lett., 2008 4) Metabolismus PAU a jejich působení na aktivaci estrogenní signalizace Hýžďalová et al., Toxicol Sci. (2018) 165: 447-461 OH 3-OH-BaP 5) Endogenní metabolismus a AhR • střevní mikrobiomu – velmi složitý „ekosystém“; • virtuální endokrinní orgán; • produkce velkého množství nízkomolekulárních látek regulují funkce těla hostitele – metabolismus, zrání buněk imunitního sytému, dokonce i mozkovou aktivitu; • deriváty tryptofanu – AhR ligandy; zároveň zde působí toxické látky a léčiva – velmi složitý systém; • jak působí na normální i nádorové buňky?? Cell Host & Microbe (2018) 23: 716-724 Steraoyl-koA-desaturáza – tvorba mononenasycených mastných kyselin – posílena v nádorových buňkách – úloha AhR??? Biochimica et Biophysica Acta (2016) 1861: 1865–1880 AhR – záhadný onkogen či nádorový supresor? Toxicol Sci. (2013) 135: 1 - 16 • jak působí na metabolismus?? • ovlivňuje složení lipidů a mastných kyselin?? • jaký je dopad endogenních regulátorů ve střevě? • karcinom tlustého střeva – jeden z nejčastějších typů nádorů; • projekt GA ČR: „Úloha indolových metabolitů produkovaných střevním mikrobiomem ve střevní a jaterní regulaci metabolismu xenobiotik a lipidů“ (2019 – 2021);