Информация за статия

J. Phillip Kaiser, Агенция за опазване на околната среда на САЩ, 26 West Martin Luther King Drive (MS-A110), Cincinnati, OH 45268, САЩ. Имейл: [имейл защитен]

побутителни

  • Резюме
  • Пълен текст
  • Препратки
  • Допълнителни материали
  • Цитирано от
  • PDF

Резюме

Чернодробното заболяване е основен здравен проблем, характеризиращ се с няколко патологични промени, като стеатозата (затлъстяване на черния дроб) представлява обща начална стъпка в неговата патогенеза. Стеатозата е от критично значение, тъй като предотвратяването на затлъстяване на черния дроб може да премахне патологиите на чернодробното заболяване (напр. Фиброза). Последните проучвания показват силна връзка между излагането на химикали и стеатозата. Описаната тук работа идентифицира химикали в Интегрираната система за информация за риска (IRIS) на Агенцията за опазване на околната среда на САЩ, които предизвикват стеатоза и изследват предполагаемите механизми, чрез които тези химикали могат да допринесат за това патологично състояние. Нарушенията на митохондриите, инсулиновата резистентност, нарушената чернодробна липидна секреция и засиленото производство на цитокини са идентифицирани като потенциални механизми, които могат да допринесат за стеатоза. Взети заедно, тази работа е важна, тъй като идентифицира множество механизми, чрез които химикалите в околната среда могат да причинят затлъстяване на черния дроб и разширява познанията ни за възможната роля на излагането на химични вещества в околната среда при индуцирането и прогресирането на чернодробно заболяване.

Въведение

Фигура 1. Прогресия на чернодробно заболяване и хистопатология на стеатозата. Диаграма на прогресията на чернодробното заболяване е изобразена на А и са показани представителни фотомикрографии, изобразяващи стеатоза при мишки C57BL/6 след 4 седмици диета с изокалорична малтоза-декстрин (В) или диета, съдържаща етанол (С).

Съществуват множество, разнообразни биохимични смущения, които могат да бъдат отговорни за развитието на стеатоза. Чернодробното натрупване на липиди обикновено се получава, когато притокът на липиди чрез увеличен внос и синтез надвишава способността за изчистване на чернодробните мазнини чрез разграждане и износ на липиди. 4,5 Например, антиаритмичните и антиретровирусните лекарства индуцират чернодробно натрупване на мазнини, като нарушават митохондриалната функция, което води до атенюирано разграждане на чернодробните липиди. 6 Освен това антибиотиците и антидепресантите причиняват стеатоза, като предотвратяват образуването на липопротеини с много ниска плътност (VLDL), което води до намален чернодробен липиден клирънс. 7 Повишената периферна липолиза и последващият износ на свободни мастни киселини от мастната тъкан в черния дроб поради инсулинова резистентност също се оказа механизъм за стеатоза. 8,9 И накрая, причинно-следствената роля на повишеното производство на цитокини (напр. Фактор на туморна некроза-алфа [TNF-α]) е определена при индуцирана от алкохол стеатоза. 10 Възможно е химикалите, индуциращи стеатоза, да причиняват това патологично състояние чрез едно или повече от тези биохимични смущения.

Въпреки че консумацията на алкохол, 11 метаболитният синдром, 12 и хепатит 13 са често срещани причини за чернодробни заболявания, проучванията при хора показват силна връзка между хроничната токсичност и чернодробно заболяване, което на пръв поглед не е свързано с други объркващи фактори (напр. Консумация на алкохол). Например, Cave et al 14 съобщават, че промишлените работници, изложени на винилхлорид в продължение на средно близо 19 години, са повишили патологичните показатели на чернодробни заболявания. По-конкретно, над 80% от чернодробните биопсии, взети от 25 промишлени работници, хронично изложени на винилхлорид, показват стеатоза и стеатохепатит. От работниците със стеатохепатит 55% също са представени с фиброза 14; подобни резултати бяха отразени в други изследвания върху хора. 15–18 Тези изследвания обаче не характеризират напълно биохимичните механизми, чрез които химикалите могат да допринесат за развитието на чернодробно заболяване.

Целта на това проучване е да идентифицира предполагаемите биохимични механизми, чрез които добре изучените химикали причиняват натрупването на мазнини в черния дроб. Интегрираната система за информация за риска (IRIS) съдържа богата база данни от химикали за околната среда със значителна информация за токсичност при многократни дози. Оценките на човешкото здраве, предоставяни от програмата IRIS, се основават на висококачествена наука и са силно достъпни; следователно базата данни IRIS е извлечена за идентифициране на химикали, индуциращи стеатоза.

Материали и методи

Фигура 2. Диаграма на избора на химикали. Изборът на химикали, които да бъдат включени в нашите анализи, се основава на различни критерии, както е показано в тази диаграма. a Химикали, изключени въз основа на критерий 2: цериев оксид, нафтален, нитробензол, ацетон и хром (III). b Химикали, изключени въз основа на критерий 3.1: Бромоформ, дибромохлорометан, дисулфотон, изоксабен, лондакс, мерфос оксид, металаксил, нустар, 1,1,1,2-трихлоропропан и транс-1,2-дихлороетилен. c Химикали, изключени въз основа на критерий 3.2: 1,2-дихлоропропан, дихлорвос, N, N-диметилформамид, етил хлорид, фосфин, 1,2,3 трихлоропропан, 1,1,2,2-тетрахлороетан, бентазон и 1,1, 1-трихлороетан. d Химикали, изключени въз основа на критерий 3.3: антимонов триоксид.

Таблица 1. Обобщение на IRIS химикали, включени в анализите на механизмите на стеатозата. а

Таблица 1. Обобщение на IRIS химикали, включени в анализите на механизмите на стеатозата. а

След като се гарантира, че дозите са коригирани продължителността и дозата (mg/kg на ден), химикалите се организират по техните LOAEL стойности, за да се сравнят съответните им потенции в развитието на стеатоза. Идентифицирани са и възможните биохимични механизми, чрез които химикалите могат да предизвикат затлъстяване на черния дроб. Всяко химично вещество, включено в анализа, е оценено за всички известни биохимични механизми на индуциране на чернодробна мастна тъкан. След това се анализира класирането на химикалите по потентност, за да се изследват възможните тенденции. Химикали, за които е определено, че са най-мощни в развитието на мастен черен дроб, са изследвани за сравнения както на структурата, така и на съответните им хипотезирани механизми за стеатоза, за да се определи дали съществуват общи черти между изследваните химикали, които биха могли да обяснят наблюдаваните разлики в потенциите.

Резултати и дискусия

Резултати

Сред химикалите с достоверна информация за реакция на дозата при перорален прием хлордеконът, mirex и хлорданът са най-мощните по отношение на индукцията на мастна чернодробна тъкан (Фигура 3). Веднъж коригирани от вдишване до орално излагане, силите на винилхлорид и въглероден тетрахлорид са подобни на тези химикали. След преглед на възможните механизми, чрез които различни химикали могат да предизвикат стеатоза, беше установено, че нарушената митохондриална функция, инсулиновата резистентност, намаления синтез на VLDL и увеличеното производство на цитокини (напр. TNF-α) са всички възможни биохимични смущения, които могат да доведат до чернодробна мазнина натрупване поради химическо излагане и са разгледани по-подробно по-долу. Също така беше установено, че един химикал може да действа чрез множество хипотетични механизми, за да индуцира стеатоза.

Фигура 3. Реакции на дозата при химично индуцирана стеатоза. 3-те кръгови химикали (хлордекон, mirex и хлордан) бяха определени като най-мощните по отношение на индукцията на затлъстяване на черния дроб след орално (диетично) лечение. Тези химикали не само споделят общ механизъм на митохондриална дисфункция, но имат и сходни молекулни структури с висока степен на хлориране (≥8 молекули хлор [Cl]). Няма данни за честотата на винилхлорид, хинолин, аметрин и флурпримидол.

Нарушена митохондриална функция

Фигура 4. Ролята на митохондриалната дисфункция и инхибирането на β-окислението при индуцирането на стеатоза. Химикалите могат да нарушат чернодробното β-окисление на липидите, като предотвратяват регенерацията на необходимия кофактор NAD + чрез митохондриална дисфункция или метаболитно изчерпване. FFA показва свободни мастни киселини; TG, триглицериди.

За някои химикали бяха открити доказателства за метаболит в нарушаването на митохондриалната функция. Например, бромодихлорметанът се метаболизира до мравчена киселина при плъхове и този метаболит нарушава митохондриалната функция в Drosophila melanogaster. 47,48 Калциев оксалат монохидрат, метаболит на етилен гликол, уврежда митохондриалната функция при експерименти in vitro с използване на първични бъбречни клетки на плъхове. 49 Докато ефектите на съответните метаболити на тези химикали не са директно тествани върху чернодробните митохондрии in vivo или in vitro, е вероятно подобни чернодробни нарушения да се наблюдават в черния дроб, което може да доведе до появата на стеатоза.

Въпреки че митохондриалното увреждане не е оценено за някои химикали в проучвания на гризачи, роля в нарушаването на митохондриалната функция е изследвана в други експериментални модели. Например, аметринът отслабва електронния транспорт в бактериите (т.е., Rhodopseudomonas capsulata и Rhodopseudomonas sphoeroides). 50 По същия начин флурпримидол намалява функционирането на митохондриите в европейските листа от черна елша. 51 Поради липсата на експериментални изследвания върху тези химикали върху гризачи, не е възможно да се установят със сигурност механизмите, чрез които тези токсиканти могат да причинят стеатоза.

Инсулинова резистентност

Фигура 5. Ролята на инсулиновата резистентност в развитието на стеатоза. Инсулиновата резистентност може да причини натрупване на мазнини в черния дроб по множество биохимични пътища. Въглеродният тетрахлорид и винилхлоридът са 2 химикала, за които се предполага, че предизвикват затлъстяване на черния дроб чрез инсулинова резистентност. FFA показва свободни мастни киселини; TG, триглицериди; VLDL, липопротеин с много ниска плътност. Пунктираните линии показват косвени ефекти на инсулиновата резистентност.

Нарушен чернодробен VLDL синтез и секреция

При нормална чернодробна функция излишните свободни мастни киселини се естерифицират до триглицериди чрез поредица от биохимични процеси, които в крайна сметка се секретират в плазмата като VLDL. 69 Нарушаването на която и да е стъпка по този път на износ на липиди може да доведе до развитие на стеатоза. Например излагането на алкохол, известен причинител на стеатоза, намалява секрецията на VLDL при плъхове. 70 Предполага се, че Aroclor 1254 предизвиква затлъстяване на черния дроб чрез подобен механизъм, подкрепен от наблюдението in vitro, че натрупването на мазнини в хепатоцитите на плъхове корелира с намалена секреция на VLDL след експозиция. 71 Освен това е доказано, че въглеродният тетрахлорид, прилаган на плъхове през стомашна сонда, причинява затлъстяване на черния дроб в проучване, при което авторите наблюдават намален синтез на VLDL и предполагат, че това е причината за натрупването на мазнини. 72 Следователно, както Aroclor 1254, така и въглеродният тетрахлорид биха могли да допринесат за стеатозата, като нарушат различните етапи в чернодробната липидна секреция; Aroclor 1254 предотвратява секрецията на триглицериди като VLDL, докато въглеродният тетрахлорид отслабва образуването на VLDL (Фигура 6). Ролята на други химикали, изследвани в настоящото проучване, за предотвратяване на чернодробната липидна секреция не е определена.

Фигура 6. Ролята на нарушената чернодробна липидна секреция и повишеното производство на цитокини в индуцирането на стеатоза. Активирането на макрофагите и освобождаването на цитокини могат да предизвикат зачервяване на черния дроб чрез множество биохимични манипулации. FFA показва свободни мастни киселини; TG, триглицериди; VLDL, липопротеин с много ниска плътност. Пунктираните линии показват непряко въздействие на химикалите чрез цитокини и транскрипционни фактори, докато пълните линии показват пряко действие на химикалите.

Повишено производство на цитокини

Установено е, че други химикали повишават регулацията на цитокините без данни за участие на макрофаги. Хлордеконът увеличава секрецията на Т-клетъчен TNF-α на далака при мишки, имплантирани подкожно с пелети, съдържащи химичното вещество. 82 По същия начин, третирането на 1,1-дихлороетилен със сонда предизвиква секреция на TNF-α и IL-6 при мишки. 83 При in vitro проучване беше установено, че хинолинът улеснява освобождаването на IL-1 от човешки моноцити. 84 Винилхлоридът повишава нивата на TNF-α, IL-6 и IL-1 в серума на изложени на винилхлорид фабрични работници. 14 Тъй като ефектите от тези химикали върху клетките на Купфер не са директно тествани, причинна роля на тези чернодробни макрофаги в развитието на натрупването на чернодробна мазнина не може да бъде напълно определена. Доказано е обаче, че тези токсични вещества причиняват както стеатоза, така и освобождаване на цитокини от различни клетъчни линии. Като се има предвид изобилната способност на активираните Kupffer клетки да водят индиректно до стеатоза, би могло да се предположи, че Kupffer клетките са причинно ангажирани в биохимичния път, по който хлордекон, хинолин, 1,1-дихлороетилен и винилхлорид причиняват това чернодробно патологично състояние.

Индукцията на стеатоза чрез множество механизми

Сенсибилизиращият ефект на стеатозата

Преобладаваща теория в изследванията на черния дроб е хипотезата за „два удара“, известна също като сенсибилизация, която предполага, че чернодробната стеатоза не е инертна патология, но всъщност може да сенсибилизира черния дроб до втора обида. 3 Сенсибилизиращият ефект на стеатозата е наблюдаван в множество експериментални проучвания. Например, Ян и колеги установяват, че затлъстелите мишки с мастен черен дроб са по-чувствителни към индуциран от липополизахарид стеатохепатит в сравнение с техните слаби аналози, които нямат чернодробно натрупване на мазнини. 88 Хипотезата с два удара може да има големи последици за химично индуцирано чернодробно заболяване, тъй като възможните кумулативни хепатотоксични ефекти могат да възникнат от комбинацията от химическо излагане и отделен потенциален стрес (например алкохол, затлъстяване и др.) Наличието на стеатоза поради химическо излагане може да сенсибилизира черния дроб до втори „удар“ и значително да увеличи риска от чернодробно заболяване.

Ролята на химикалите в по-късните стадии на чернодробната болест

Както е описано по-горе, стеатозата е често срещана ранна патологична промяна, свързана с чернодробно заболяване. Въпреки че определянето на механизмите, чрез които дадено химично вещество допринася за развитието на чернодробно натрупване на липиди, е от решаващо значение, как съединението причинява по-късни стадии на чернодробно заболяване (например фиброза) е от еднакво значение. Mirex, хлордекон и Aroclor 1254 причиняват стеатохепатит при различни експериментални животни. 21,40,89 Освен това, въглеродният тетрахлорид е често използван токсикат за индуциране на фиброза при експериментални модели на гризачи. 85 Въпреки че излагането на тези химикали може да доведе до по-късни стадии на чернодробно заболяване чрез естествената прогресия от стеатоза до стеатохепатит до фиброза, възможно е тези токсиканти да причиняват по-напреднали стадии/патологии на чернодробно заболяване, несвързано със и при липса на стеатоза.

В модел на мишки с дефицит на метионин холин на чернодробно заболяване Yamaguchi и колеги установяват, че терапевтичното инхибиране на диацилглицерол ацилтрансфераза 2 предотвратява стеатозата, но не осигурява защита срещу стеатохепатит или чернодробна фиброза. 90 В отделно проучване мишките, предварително обработени с етанол и след това липополизахарид, развиват чернодробно възпаление и некроза без стеатоза. 91 Предвид възможната връзка между стеатозата и последващото чернодробно увреждане, е необходимо да се определи ролята на токсикантите в развитието на по-късните стадии на чернодробно заболяване, което потенциално може да доведе до смъртност.

Текущи нужди и ограничения на научните изследвания

Заключения

Благодарности

Авторите благодарят на д-р Gavin Arteel (Университет в Луисвил) за предоставяне на микрофотографии на чернодробната патология и на д-р Kannan Krishnan (Université de Montréal) за експертна помощ при моделирането на PBPK. Мненията, изразени в тази статия, са на авторите и не отразяват непременно възгледите и политиките на Агенцията за опазване на околната среда на САЩ.

Декларация за конфликт на интереси
Авторът (ите) не декларира потенциален конфликт на интереси по отношение на изследванията, авторството и/или публикуването на тази статия.

Финансиране
Авторът (ите) не получи финансова подкрепа за изследването, авторството и/или публикуването на тази статия.