Zebrafish ($Danio$ $rerio$) embryos in developmental neurotoxicity screening : addressing the mechanisms of developmental neurotoxicity utilising multiple behaviour and OMIC methods

Haigis, Ann-Cathrin; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Hollert, Henner (Thesis advisor); Legradi, Jessica (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Belastung der Umwelt durch diverse Industriechemikalien und Pestizide erweist sich als eine der größten, gesundheitlichen Herausforderungen für Mensch und Umwelt. Während für einige dieser Substanzen eine Beeinträchtigung der neuronalen Entwicklung als nachgewiesen gilt, ist die Zahl derer die auf ihr neurotoxisches Potential hin untersucht wurden weiterhin gering. Dabei führen neuronale Entwicklungsschäden zum IQ-Verlust in Kindern oder können neuronale Erkrankungen hervorrufen. Solche Erkrankungen verursachen wiederum Kosten in Milliardenhöhe. Da zurzeit keine Heilungsmöglichkeiten bestehen ist die einzige Option zur Vermeidung solcher Erkrankungen die Prävention und somit die Minimierung der Exposition gegenüber potentiellen Neurotoxinen. Allerdings wird die Prävention dadurch erschwert, dass die Mechanismen, die Entwicklungsneurotoxizität (engl. developmental neurotoxicity, DNT) hervorrufen, kaum verstanden sind. Deshalb sind Werkzeuge und Strategien gefragt, die eine schnelle und zuverlässige Detektion neurotoxischer oder -aktiver Substanzen ermöglichen. Diesbezüglich scheinen die Embryonen des Zebrabärblings ($Danio$ $rerio$) besonders geeignet, da sie u. a. ein schnelles und Säugetier-freies in vivo Testen erlauben. Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob es mithilfe von Zebrabärblingsembryonen möglich ist, grundlegende Mechanismen von DNT umfassend zu erfassen und zu beschreiben. Diesbezügliche wurden verschiedene Ansätze gewählt: 1) Die Anwendbarkeit von Verhaltenstests, für breit angelegte DNT-Untersuchungen sollte evaluiert werden. Dafür sollten existierende Tests optimiert und der Einfluss von sechs Insektiziden und vier endokrinen Disruptoren (EDs) untersucht werden. 2) Beobachtete Verhaltensdefizite sollten anschließend auf multiplen, molekularen Ebenen untersucht werden um die zugrundeliegenden Mechanismen zu charakterisieren. Ein weiteres Ziel (3) war die Eignung von Lipidom-Analysen und deren Relevanz für DNT-Screens zu untersuchen. Um das erste Ziel zu erreichen sollte der Informationsgehalt des wohl am häufigsten genutzten Verhaltenstest mit $Danio$ $rerio$ Embryonen, der Hell/ Dunkel-Transition-Test (engl. LDT test), vergrößert werden. Durch die Aufnahme zusätzlicher Parameter in die Datenauswertung konnten Informationen gewonnen werden die auf die zugrundeliegenden, neurotoxischen Mechanismen hindeuteten. Außerdem resultierte die verbesserte Durchführung des Spontan-Bewegungstests in eine detaillierte Beschreibung dieses Verhaltens sowie in weitere, nützliche Endpunkte zur DNT-Untersuchung. In Bezug auf letzteres wurde die Eignung der Zebrabärblingsembryonen für eine Verhaltenstest-Batterie untersucht. Dazu wurden während der gesamten Embryonalentwicklung Verhaltensversuche durchgeführt, welche schlussendlich die Eignung der Embryonen unterstrich. Zusätzlich konnte dieser Ansatz die Zahl der benötigten Testorganismen um ein Vielfaches verringern. Dies macht die hier entwickelten Verhaltenstest-Batterie anwendbar für einen DNT-integrierten Ansatz zur Testung und Bewertung (engl. Integrated Approach to Testing and Assessment, IATA). Das zweite Ziel wurde durch die Anwendung multipler OMIC-Methoden (transcriptomics, proteomics, metabolomics) erreicht. In diesem Ansatz resultierte die Exposition gegenüber Acetylcholinesterase (AChE) Inhibitoren in gleiche, aber nicht identische Effekte. Beispielsweise erzeugte Dichlorvos eine Störung des Muskelapparats und des visuellen Systems, wohingegen Paraoxon-Methyl neurotoxische Effekte (z.B. veränderte Serotoninlevel) hervorrief. Auf der höchsten, hier untersuchten Organisationsebene (Individuum), reduzierten beide Substanzen die Schwimmaktivität der Embryonen. Das Weitern wurde eine Störung des Nervensystems, beispielsweise in Form von erhöhten GABA-Konzentrationen, nach einer Exposition gegenüber den EDs TDCPP, MEHP und 4-NP festgestellt. Anhand der Lipidomanalysen exponierter Embryonen konnten Effekte z.B. auf die Cholesterol-Homöostase und die lipidbasierte Kommunikation gezeigt werden. Störungen des Lipidomes wurden bereits mit human-ähnlichen Krankheiten in Verbindung gebracht und unterstrichen somit die Relevanz von Lipidomanalysen für DNT-Untersuchungen. Die hier vorgestellte Arbeit demonstriert den Einfluss von Umwelttoxinen auf verschiedene, biologische Ebenen im Zebrabärblingsembryo. Aufgrund der hohen Vergleichbarkeit zwischen endokrinen und neuronalen Systemen aller Verbraten besitzen diese Ergebnisse eine generelle Relevanz für die human- und umweltbezogene DNT-Risikobewertung von Chemikalien. Allerdings sind weiterführende Studien notwendig um potentielle, kausale Verbindungen herzustellen. Des Weiteren konnte diese Arbeit die Eignung der Embryonen für DNT-Verhaltensscreens zeigen, die im Rahmen der IATA-basierten Chemikalienbewertung in Zukunft von Bedeutung sein könnten. Zusammenfassend konnte diese Arbeit Ansätze zur Untersuchung und für das Verständnis von DNT liefern, betont aber auch die Notwendigkeit neuer Strategien die, die Übertragbarkeit eines solchen Wissens für ökologische/-toxikologische Fragestellungen zugänglich machen.

Einrichtungen

• Lehr- und Forschungsgebiet Ökosystemanalyse [162420]
• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Umweltbiologie und -chemodynamik [162710]