كلوريد الفينيل وحمية عاليه الدسم كنموذج للتفاعل مع البيئة والسمنة
Summary
وكان الهدف من هذا البروتوكول لتطوير نموذج murine من التعرض لسميه منخفضه المستوي الذي لا يسبب أصابه الكبد المكشوفة ولكن بدلا من ذلك تفاقم تلف الكبد الموجودة من قبل. ويلخص هذا النموذج بشكل أفضل التعرض البشري والتغيرات الدقيقة التي تحدث عند التعرض للتركيزات السمية التي تعتبر أمنه.
Abstract
كلوريد الفينيل (VC) ، وهو ملوث بيئي وفير ، يسبب التهاب الكبد الدهني علي مستويات عاليه ، ولكن يعتبر أمنا في المستويات المنخفضة. علي الرغم من ان العديد من الدراسات قد حققت في دور VC كسميه كبديه مباشره, مفهوم ان VC يعدل حساسية الكبد لعوامل أخرى, مثل مرض الكبد الدهني غير الكحولية (NAFLD) الناجمة عن اتباع نظام غذائي عالي الدسم (HFD) هو رواية. يصف هذا البروتوكول نموذج التعرض لتقييم اثار التعرض المزمن والمنخفض المستوي لاتفاقيه فيينا. يتم تاقلم الفئران لحمية منخفضه الدسم أو عاليه الدسم أسبوع واحد قبل بداية التعرض لاستنشاق وتبقي علي هذه الوجبات الغذائية طوال التجربة. تتعرض الفئران لل VC (مستوي شبه اوشا: < 1 جزء في المليون) أو هواء الغرفة في غرف الاستنشاق لمده 6 ساعات في اليوم ، 5 أيام في الأسبوع ، لمده تصل إلى 12 أسبوعا. يتم رصد الحيوانية أسبوعيا لزيادة وزن الجسم واستهلاك الاغذيه. هذا النموذج من التعرض VC يسبب اي أصابه الكبد العلني مع استنشاق VC وحدها. ومع ذلك ، فان الجمع بين VC و HFD يعزز بشكل كبير امراض الكبد. ومن المزايا التقنية لنموذج التعرض المشترك هذا التعرض للجسم بأكمله ، دون ضبط القيود. وعلاوة علي ذلك ، فان الظروف تشبه بشكل وثيق الحالة الانسانيه الشائعة جدا من التعرض المشترك لل VC مع الكامنة وراء مرض الكبد الدهني غير الكحولية ، التالي دعم فرضيه الرواية ان VC هو عامل خطر بيئي لتطوير تلف الكبد كمضاعفات السمنة (اي NAFLD). ويتحدى هذا العمل النموذج الذي هو ان حدود التعرض الحالية لاتفاقيه فيينا (المهنية والبيئية) أمنه. استخدام هذا النموذج يمكن ان يلقي ضوءا جديدا والقلق علي مخاطر التعرض لل VC. ويمكن استخدام هذا النموذج من إصابات الكبد الناجمة عن التسمم للمركبات العضوية المتطايرة الأخرى ولدراسة التفاعلات الأخرى التي قد تؤثر علي الكبد وأنظمه الأعضاء الأخرى.
Introduction
العديد من السموم موجودة في الهواء الذي نتنفسه علي مستويات منخفضه جدا. كلوريد الفينيل (VC) هو الغاز مونوميريك المستخدمة من قبل الصناعة لخلق البولي فينيل كلوريد (PVC) المنتجات البلاستيكية1. وهو السمية الكبدية البيئية السائدة ، والمسرطنة المعروفة ، وتصنف #4 علي قائمه أولويات المواد الخطرة ATSDR2. ولكي نفهم بشكل أفضل الآثار السمية علي صحة الإنسان والتفاعلات مع الاعتلالات المشتركة القائمة ، فان وضع نماذج للتعرض تحاكي التعرض البشري أمر بالغ الاهميه. الاهتمام الرئيسي لهذه المجموعة هو دراسة الآثار الكبدية للتعرض المزمن لل VC بتركيزات منخفضه. VC تمارس تاثيراتها الرئيسية علي الكبد ، حيث انه قد ثبت (في تركيزات عاليه) للتسبب في الاصابه بالتسمم ، والتهاب الكبد المرتبط بالسموم (تاش) مع النخر ، والتليف ، والتليف الكبدي3،4، فضلا عن سرطان الخلايا الكبدية (اتش سي سي) وخلاف ذلك نادره للغاية الكبدي ومن المرجح ان تكون تاش قد وجدت في السكان لعقود ولكنها ظلت غير مميزه وغير مقدره من قبل المحققين4و6. ونتيجة للبحوث التي تبين الشواغل المتعلقة بالسمية المباشرة بالنسبة للتعرض للزئبق ، خفضت أداره السلامة والصحة المهنية عتبه التعرض المقبولة إلى 1 جزء في المليون علي مدي 8 ساعات من يوم العمل7. وعلي الرغم من ان عتبه التعرض قد خفضت ، فان تاثير هذا التركيز من اتفاقيه فيينا علي صحة الإنسان غير واضح7. بالاضافه إلى ذلك ، فان تاثير التعرض علي الامراض المصاحبة الموجودة ، مثل مرض الكبد ، غير معروف إلى حد كبير8. هذه الفجوة المعرفية مهمة بشكل خاص اليوم بسبب الانتشار العالمي المتزايد لامراض الكبد الدهنية غير الكحولية (nalfd)4,6,7,9,10,11,12. والاهم من ذلك ، فقد تبين مؤخرا ان VC عامل خطر مستقل لامراض الكبد من الأسباب الأخرى13. التالي فان الهدف من هذا البروتوكول هو وضع نموذج استنشاق ذي صله للتعرض للسمية البيئية المتطايرة ، VC في سياق إصابات الكبد الكامنة ، لمحاكاة التعرض البشري وتحديد أليات المحتملة والجديدة للاصابه بالكبد المستحث أو المعزز ببروتوكول vc.
والطريق الرئيسي للتعرض للعديد من المواد السمية البيئية والملوثات هو عن طريق الاستنشاق. بمجرد استنشاقه ، يمكن للمجمع دخول الدورة الدموية الجهازية من خلال الرئتين ، والسفر إلى الكبد ، وتصبح منشطه الأيض من قبل الانزيمات الكبدية قبل ان تفرز14،15،16. وغالبا ما تكون هذه الأيض النشطة التي تسبب سميه والضرر داخل الجسم. وقد استخدمت الدراسات السابقة من قبل هذه المجموعة وغيرها من نواتج الأيض vc كبدائل للتعرض للغاز vc17,18. واستخدمت مجموعات أخرى نماذج استنشاق من اتفاقيه فيينا ؛ ومع ذلك ، تم تنفيذ مستويات التعرض عاليه للغاية (> 50 جزء في المليون) للحث علي السمية الحاده ، والإصابات الكبدية الحاده ، وتطوير الأورام19. وعلي الرغم من ان هذه الدراسات وفرت معلومات واليات حاسمه لسرطنة المستحثة بالفعل ، فانها لا تلخص الآثار الخفية والتفاعلات المعقدة مع العوامل المساهمة الأخرى ، التالي فهي اقل صله بالتعرض البشري.
نموذج نظام الحمية العالية الدهون (HFD) الموصوف هنا (انظر الشكل 1 للجدول الزمني) هو النموذج الأول للتعرض المزمن والمنخفض الجرعة لل vc (اي تركيز شبه اوشا) ، حيث تتعرض الفئران للمادة السامة في ظروف تحاكي تعرض الإنسان بشكل أوثق بكثير. والواقع ان البيانات المستمدة من هذا النموذج تلخص النتائج التي لوحظت في البشر المعرضين لاتفاقيه فيينا ، مثل التاثير علي المسارات الايضيه20، والإجهاد التاكسدي وضعف الميتوكوندريا4. نماذج الماوس الأخرى من استنشاق ، مثل الراس فقط والأنف فقط نماذج21، تتطلب ان يتم ضبط الذات الحيوانية ، مما تسبب في الإجهاد للحيوان. هنا ، فان طريقه التعرض للجسم بالبالكامل لا تتطلب الحقن أو الإجهاد غير الضروري للحيوانات. وللحيوانات امكانيه الوصول إلى الطعام والماء وتوضع داخل غرفه الاستنشاق الأكبر لعدد محدد من الساعات في اليوم والأيام في الأسبوع. وعلاوة علي ذلك ، فان المفهوم الذي يعدل VC الحساسية إلى السمية الكبدية الأخرى هو النتيجة الجديدة ، التي أظهرت لأول مره من قبل هذه المجموعة12 ولها اثار علي التعرض VC في تركيزات اقل بكثير من تلك اللازمة للسمية الكبدية المباشرة.
ويمكن استخدام هذه الطريقة للتعرض لاستنشاق لتقليد التعرض لمجموعه متنوعة من السموم الغازية ، بما في ذلك المركبات العضوية المتطايرة الأخرى ، الموجودة في بيئتنا. والواقع ان المركبات العضوية المتطايرة هي مجموعه كبيره من المواد السمية البيئية وأكثر انتشارا في المناطق الصناعية ، مما يؤدي إلى تعرض عدد معين من السكان لخطر أكبر بالنسبة للتعرض المزمن22. يمكن تعديل هذا البروتوكول ليناسب الاسئله التجريبية المختلفة. طول الوقت وتركيز المجمع تدار يمكن ان تكون متنوعة. علي الرغم من ان وضعت في البداية لتحديد إصابات الكبد ، يمكن وقد درست أنظمه الجهاز الأخرى مع هذا النموذج23. المحققين الذين يهدفون إلى دراسة التعرض المزمن مع الحيوانية ، ولكن الرغبة في الحد من إجهاد الماشية ، وينبغي النظر في استخدام هذا النموذج.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذا النموذج من NAFLD المحسنة VC هو أسلوب جديد لتقييم تاثير الحد الأقصى من التعرض لل VC في نموذج استنشاق الجسم كله. هذا النموذج يسمح للمحققين لدراسة الآثار السمية الكبدية والتوعية من قبل مستويات منخفضه من VC وحدها. في الواقع ، هذا النموذج المشترك التعرض يحقق أصابه الكبد المعززة ، وارتفاع البلازما ALT و AST والتهاب معتدل ، في حين لا يؤثر إلى حد كبير علي أنظمه الأعضاء الأخرى ، مثل القلب ، في هذا التركيز23. هذا النموذج المزمن يتطلب غرف استنشاق الجسم الكامل ولكن يقلل من تركيزات الإجهاد والتعرض. وعلي الرغم من ان البروتوكول المعروض هنا هو نهج قائم علي البرمجيات ، فقد أظهرت تجربتنا ان النهج اليدوي هو أيضا طريقه دقيقه ومتسقة للتعرض12،24. وعلاوة علي ذلك ، فانه من السهل تطبيقها علي مجالات البحث المتعددة بما في ذلك تلف الجهاز23 الناجمة عن التعرض مركب العضوية المتطايرة22. ولا سيما ان هذا النموذج قد يشبه بشكل أوثق التسبب في التعرض البشري المشترك للمواد الكيميائية البيئية والامراض الكامنة5.
ومن أجل الحصول علي نتائج مماثله ، يجب تحقيق خطوات حاسمه معينه في تحسين البروتوكولات. فعلي سبيل المثال ، يجب علي المحققين ان يثبتوا ان تركيز اتفاقيه الاستثمار الخاصة أو غيرها من السموم داخل الغرف يقع ضمن النطاق المرغوب للتعرض (اي المستويات المنخفضة أو الفرعية أو الحاده). تحسين هذه الخطوة من غرفه استنشاق أمر بالغ الاهميه لنموذج ناجح من التعرض البشري للفائدة. ثانيا ، يمكن أيضا تعديل وقت التعرض في اليوم ومده التجربة. وتحقيقا لمصالح هذه المجموعة ، تم التوصل إلى وضع التعرض المهني ، كما درست معلمه اضافيه من النظام الغذائي. غير ان التعرض البيئي والحاد قد يكون أيضا علي غرار هذا البروتوكول.
ويتحدى هذا العمل النموذج المتمثل في ان حدود التعرض الحالية لاتفاقيه فيينا (المهنية والبيئية) مامونه. في الواقع ، علي الرغم من ان الحد الحالي للتعرض لاتفاقيه فيينا هو 1 جزء في المليون ، فقد اثبت هذا النموذج ان تركيزات VC تحت هذا الحد كافيه لتعزيز أصابه الكبد الناجمة عن HFD في الفئران. ويسمح هذا البروتوكول للمحققين بدراسة وتوصيف نموذج التعرض الجديد للسمية ونموذج تاش.
هذا هو النموذج الأول من التعرض المزمن ، والجرعة المنخفضة VC. استخدمت الاعمال السابقة تركيزات شديده الارتفاع أو التعرض الحاد أو نواتج الأيض النشطة كبدائل للتعرض لل VC. وكل هذه النهج تقلل من اهميه النتائج بالنسبة للتعرض البشري. ولذلك ، فان هذا النموذج الجديد من التفاعل تاش-NAFLD يوفر المنصة اللازمة للمحققين لدراسة التفاعلات المعقدة للتعرض منخفضه المستوي VC.
ويمكن استخدام هذا النموذج من أصابه الكبد الناجمة عن السموم لغيرها من المركبات العضوية المتطايرة وأيضا لدراسة التفاعلات الأخرى التي قد تؤثر علي الكبد وأنظمه الأعضاء الأخرى8,22,23. وعلاوة علي ذلك ، كان هذا النموذج ، ويمكن ان يكون ابعد من ذلك ، تستخدم للتحقيق في علاجات التدخل والدراسات الميكانيكية متعمقة لطريقه العمل لهذا السمية السائدة24. وبما ان اتفاقيه فيينا هي مسرطنه معروفه26،27،28، يمكن أيضا تعديل نموذج التعرض هذا لدراسة السرطان المستحث بالvc. ويمكن أيضا تعزيز الاعتلالات المشتركة الأخرى مثل امراض الكبد الكحولية من خلال التعرض المشترك لاتفاقيه فيينا. بالاضافه إلى ذلك, سيكون من المهم لدراسة أنواع مختلفه من الدهون, مثل الدهون غير المشبعة18,29,30, أو أنواع مختلفه من الكربوهيدرات31 والتعرض المشترك مع VC في هذا النموذج. في الواقع ، ومن المعروف ان كل هذه العوامل لها تاثيرات تفاضلية علي تطور أصابه الكبد ، ويمكن ان تلعب دورا في الامراض الكبدية الناجمة عن VC.
وفي الختام ، فان هذا نموذج استنشاق جديد لإصابات الكبد الناجمة عن التسمم البيئي ويرسي نموذجا للتعرض للتعرض المزمن والمنخفض المستوي لل VC. تركيز VC المستخدمة في هذا النموذج هو السمية الكبدية الفرعية في حد ذاته, في حين انه يعزز أصابه الكبد الناجمة عن عامل آخر (HFD) في الفئران. سيتيح هذا النموذج للمحققين دراسة أليات والتدخلات المتعلقة بالسمية المزمنة لاتفاقيه الاستثمار المستمر ، وقد يكون مفيدا للدراسات الانتقالية التي تبحث في المواد البشرية المعرضة والمعرضة لخطر التعرض.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذه الدراسة من خلال جوائز من المعاهد الوطنية للصحة (K01 DK096042 و R03 DK107912) إلى جوليان بير. وكانت البحوث مدعومة أيضا بجائزه التنمية المؤسسية من المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة التابع للمعاهد الوطنية للصحة ببموجب المنحة رقم P20GM113226 والمعهد الوطني لتعاطي الكحول وإدمان الكحوليات في المعاهد الوطنية للصحة تحت الجائزة رقم P50AA024337. والمضمون هو المسؤولية الوحيدة للمؤلفين ولا يمثل بالضرورة الآراء الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة.
Materials
| ALT/AST reagents | Thermo Fisher | TR70121, TR71121 | |
| C57Bl/6J mice | The Jackson Laboratory | 000664 | Animal studies must conform to all relevant ethics and animal welfare regulations and must be reviewed and approved by the appropriate governmental and institutional animal care and use committees. Since this is a chronic study, we recommend using male or female mice 4-6 weeks of age. |
| CO2 Monitor | IEStechno | Ex-Sens | |
| Eosin | Sigma | E6003 | |
| Hematoxylin | Sigma | HHS16 | |
| Inhalation exposure chamber system | IEStechno | GasExpo | The inhalation exposure chamber system includes custom software, interface and controller hubs |
| Saturated fat (13%) control diet | Teklad Diets | TD.120336 | |
| Saturated fat (42%) diet | Teklad Diets | TD.07511 | |
| Sodium citrate | Sigma | 71497 | |
| Vinyl Chloride | MATHESON TRI-GAS | Series 3590-CGA* | Handle gas with caution |
References
- Sass, J. B., Castleman, B., Wallinga, D. Vinyl chloride: a case study of data suppression and misrepresentation. Environmental Health Perspectives. 113 (7), 809-812 (2005).
- ATSDR. . Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR): Toxicological profile for Vinyl Chloride. , (2006).
- Wahlang, B., et al. Toxicant-associated steatohepatitis. Toxicologic Pathology. 41 (2), 343-360 (2013).
- Cave, M., et al. Toxicant-associated steatohepatitis in vinyl chloride workers. Hepatology. 51 (2), 474-481 (2010).
- Cave, M., Falkner, K. C., McClain, C. J., Boyer, D. T., Manns, M. P., Sanyal, A. J. Occupational and Environmental Hepatotoxicity. Zakim and Boyer’s Hepatology. , 476-492 (2012).
- Tamburro, C. H., Makk, L., Popper, H. Early hepatic histologic alterations among chemical (vinyl monomer) workers. Hepatology. 4 (3), 413-418 (1984).
- EPA. Toxicological review of vinyl chloride in support of summary information on the Integrated Risk Information System. EPA. , (2000).
- Lang, A. L., Beier, J. I. Interaction of volatile organic compounds and underlying liver disease: a new paradigm for risk. Biological Chemistry. 399 (11), 1237-1248 (2018).
- Abplanalp, W., et al. Benzene exposure is associated with cardiovascular disease risk. PLoS ONE. 12 (9), 0183602 (2017).
- Younossi, Z., et al. Global burden of NAFLD and NASH: trends, predictions, risk factors and prevention. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. 15 (1), 11-20 (2018).
- Younossi, Z. M. Non-alcoholic fatty liver disease – A global public health perspective. Journal of Hepatology. 70 (3), 531-544 (2019).
- Lang, A. L., et al. Vinyl chloride dysregulates metabolic homeostasis and enhances diet-induced liver injury in mice. Hepatology Communications. 2 (3), 270-284 (2018).
- Lotti, M. Do occupational exposures to vinyl chloride cause hepatocellular carcinoma and cirrhosis. Liver International. 37 (5), 630-633 (2017).
- Antweiler, H. Studies on the metabolism of vinyl chloride. Environmental Health Perspectives. 17, 217-219 (1976).
- Bolt, H. M. Metabolic activation of vinyl chloride, formation of nucleic acid adducts and relevance to carcinogenesis. IARC Scientific Publications. (70), 261-268 (1986).
- Guengerich, F. P., Crawford, W. M., Watanabe, P. G. Activation of vinyl chloride to covalently bound metabolites: roles of 2-chloroethylene oxide and 2-chloroacetaldehyde. 生物化学. 18 (23), 5177-5182 (1979).
- Anders, L. C., et al. Vinyl Chloride Metabolites Potentiate Inflammatory Liver Injury Caused by LPS in Mice. Toxicological Sciences. 151 (2), 312-323 (2016).
- Anders, L. C., et al. Role of dietary fatty acids in liver injury caused by vinyl chloride metabolites in mice. Toxicology and Applied Pharmacology. 311, 34-41 (2016).
- Morinello, E. J., Koc, H., Ranasinghe, A., Swenberg, J. A. Differential induction of N(2),3-ethenoguanine in rat brain and liver after exposure to vinyl chloride. 癌症研究. 62 (2), 5183-5188 (2002).
- Guardiola, J. J., et al. Occupational exposures at a polyvinyl chloride production facility are associated with significant changes to the plasma metabolome. Toxicology and Applied Pharmacology. 313, 47-56 (2016).
- Chen, L. C., Lippmann, M. Inhalation toxicology methods: the generation and characterization of exposure atmospheres and inhalational exposures. Current Protocols in Toxicology. 63 (1), 1-24 (2015).
- Wahlang, B., et al. Mechanisms of Environmental Contributions to Fatty Liver Disease. Current Environmental Health Reports. 6 (3), 80-94 (2019).
- Liang, Y., et al. Exposure to Vinyl Chloride and Its Influence on Western Diet-Induced Cardiac Remodeling. Chemical Research in Toxicology. 31 (6), 482-493 (2018).
- Chen, L., Lang, A. L., Poff, G. D., Ding, W. X., Beier, J. I. Vinyl chloride-induced interaction of nonalcoholic and toxicant-associated steatohepatitis: Protection by the ALDH2 activator Alda-1. Redox Biology. 24, 101205 (2019).
- Goldsmith, W. T., et al. A computer-controlled whole-body inhalation exposure system for the oil dispersant COREXIT EC9500A. Journal of Toxicology and Environmental Health. Part A. 74 (21), 1368-1380 (2011).
- IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risk to Humans. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. International Agency for Research on Cancer. , (2008).
- IARC. Chemical agents and related occupations. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. 100, 9 (2012).
- Fedeli, U., et al. Mortality from liver angiosarcoma, hepatocellular carcinoma, and cirrhosis among vinyl chloride workers. American Journal of Industrial Medicine. 62 (1), 14-20 (2019).
- Kirpich, I. A., et al. Ethanol and dietary unsaturated fat (corn oil/linoleic acid enriched) cause intestinal inflammation and impaired intestinal barrier defense in mice chronically fed alcohol. Alcohol. 47 (3), 257-264 (2013).
- Kirpich, I. A., et al. Saturated and Unsaturated Dietary Fats Differentially Modulate Ethanol-Induced Changes in Gut Microbiome and Metabolome in a Mouse Model of Alcoholic Liver Disease. American Journal of Pathology. 186 (4), 765-776 (2016).
- Spruss, A., Bergheim, I. Dietary fructose and intestinal barrier: potential risk factor in the pathogenesis of nonalcoholic fatty liver disease. Journal of Nutritional Biochemistry. 20 (9), 657-662 (2009).
