High dimensional biology to assess the effects of the exposure to heavy metals, plasticizers and pesticides to child neurodevelopment
Authors: Παπαϊωάννου Ναυσικά 
Published: March 2024

Οι άνθρωποι εκτίθενται σε περιβαλλοντικές χημικές ουσίες καθημερινά. H έκθεση αυτή μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη διαφόρων χρόνιων νοσημάτων. O χαρακτηρισμός, η παρακολούθηση και η νομοθετική ρύθμιση της χρήσης των συνεχώς αυξανόμενων επικίνδυνων χημικών από τη βιομηχανία αποτελεί επιτακτική ανάγκη και παράλληλα πρόκληση. Έτσι, λοιπόν, μεγάλο μέρος της επιστημονικής κοινότητας, καθώς και οι θεσμοί, έχουν εστιάσει στη μελέτη του εκθεσιώματος. Ο όρος εκθεσίωμα (exposome) αναφέρεται σε όλους τους παράγοντες, ενδογενείς και εξωγενείς που επηρεάζουν την έκφραση των γονιδίων από τη στιγμή της σύλληψής μας. Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο τη δημιουργία μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για την κατανόηση των επιπτώσεων της έκθεσης σε μείγμα διάφορων περιβαλλοντικών παραγόντων σε χρόνιες μη μεταδιδόμενες ασθένειες, συμπεριλαμβανομένων των νευροαναπτυξιακών διαταραχών, καθώς αναγνωρίζεται η ανάγκη για την εφαρμογή προσεγγίσεων συστημικής βιολογίας στον χαρακτηρισμό του εσωτερικού εκθεσιώματος (internal exposome). Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε σε τρεις κοορτές με σκοπό την εξερεύνηση των επιπτώσεων της προγεννητικής έκθεσης σε μείγματα μετάλλων, φθαλικών, οργανοφωσφορικών και οργανοχλωρικών ενώσεων στην εμβρυϊκή και βρεφική ανάπτυξη, ιδιαίτερα όσον αφορά τη παιδική νευροανάπτυξη. Τα χημικά που συμπεριλήφθησαν επιλέχθηκαν βάσει του επιστημονικού και θεσμικού ενδιαφέροντος που έχουν συγκεντρώσει λόγω των πιθανών αρνητικών επιδράσεών τους στην παιδική νευροανάπτυξη, εξαιτίας της ικανότητάς τους να διαπερνούν τον πλακούντα. Αρχικά, περιγράφονται τα βελτιστοποιημένα πρωτόκολλα για τη μη-στοχευμένη μεταβολομική ανάλυση ανθρώπινων και κυτταρικών (in vitro) δειγμάτων με τη χρήση υγρής χρωματογραφίας συζευγμένης με φασματομετρία μαζών (LC-MS) και του πυρηνικού µαγνητικού συντονισµού (NMR). Ακολουθεί μια πλήρης περιγραφή της αναπτυγμένης ροής εργασιών για την προ-επεξεργασία και επεξεργασία των δεδομένων μη στοχευμένης μεταβολομικής ανάλυσης με τη χρήση των πακέτων της γλώσσας προγραμματισμού R. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται τη ροή εργασίας για την ενσωμάτωση πολλαπλών ομικών δεδομένων (multi-omics), συμπεριλαμβανομένων των μεταγραφομικών, πρωτεομικών και μεταβολομικών δεδομένων, βασισμένη, επίσης, σε πακέτα R και ανοικτών διαδικτυακών εργαλείων. Ακολουθεί η περιγραφή της ροής εργασιών για την ανάλυση των δεδομένων εκθεσιώματος, η οποία έχει ως στόχο να συνδέσει την ανθρώπινη βιοπαρακολούθηση, τα κοινωνικοοικονομικά δεδομένα και αυτά του τρόπου ζωής, τα μεταβολικά μονοπάτια, και τα κλινικά δεδομένα χρησιμοποιώντας προηγμένες μαθηματικές μεθόδους, συμπεριλαμβανομένoυ του μοντέλου παλινδρόμησης BKMR (Bayesian kernel machine regression) και της μεθόδου EWAS (Environment-Wide Association Study). Τα προαναφερθέντα πρωτόκολλα και οι μεθοδολογίες εφαρμόστηκαν σε τρεις διαφορετικές κοορτές, PHIME (SLO, n=180), REPRO_PL (PL, n=148) και EXHES Tarragona (SP, n=35). Αυτές οι μελέτες ήταν μέρος του ευρωπαϊκού προγράμματος HEALS (http:/heals-eu.eu/), το οποίο είχε ως κύριο στόχο την ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας που θα υποστήριζει την ολοκληρωμένη μελέτη των συνδέσεων έκθεσης-υγείας. Συνοψίζοντας, βρέθηκε ότι η έκθεση σε μείγματα μετάλλων, φθαλικών/DINCH και φυτοφαρμάκων βρέθηκε να σχετίζεται σημαντικά με μειωμένη γνωστική, γλωσσική και κινητική ανάπτυξη κατά τα πρώτα δύο χρόνια της ζωής. Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματα της ανάλυσης BKMR υπογράμμισαν τη σημαντική επίδραση του μονο- (2-αιθυλεξυλ) φθαλικού (MEHP) στο ύψος της γέννησης, με τιμή PIP (Posterior Inclusion Probability) 0.86. Τα ευρήματα από την ανάλυση EWAS έδειξαν ότι και η προγεννητική έκθεση σε οργανοφωσφορικά (IMPY) και οργανοχλωρικά φυτοφαρμάκα, όπως τα DDD, β-HCH, και DDT, επιδρά σημαντικά στο ύψος γέννησης. Επιπλέον, παρατηρήθηκαν συσχετίσεις μεταξύ πολλών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένου του βάρους, του ύψους γέννησης, της εγκυμοσύνης, της πρόωρης γέννησης, της κοινωνικοοικονομικής κατάστασης και εκπαιδευτικής βαθμίδας των γονέων. Επιπλέον, η μελέτη εντόπισε ενδιαφέρουσες σχέσεις μεταξύ της έκθεσης ή/και των παραμέτρων νευροαναπτυξιακής αξιολόγησης και των μεταβολικών μονοπατιών που σχετίζονται με τον μεταβολισμό των αμινξέων και των λιπιδίων.Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν τις σύνθετες συνδέσεις μεταξύ της έκθεσης σε βαρέα μέταλλα, πλαστικοποιητές και φυτοφάρμακα και των διαφόρων πτυχών της νευροανάπτυξης του παιδιού. Διεξήχθη μια ολοκληρωμένη ανάλυση πολλαπλών ομικών αναλύσεων χρησιμοποιώντας την κυτταρική σειρά HepaRG με στόχο τη βαθύτερη κατανόηση του μηχανισμού που δρα πίσω από τις αρνητικές επιδράσεις της προγεννητικής έκθεσης σε βαρέα μέταλλα (Pb, Cd και Hg) και φθαλικές ενώσεις (DEHP, DiNP και BBzP). Οι τιμές έκθεσης βασίστηκαν στα δεδομένα ανθρώπινης βιοπαρακολούθησης των PHIME και REPRO_PL. Η υπολογιστική πλατφόρμα INTEGRA χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των συγκεντρώσεων των χημικών στο ήπαρ. Η μελέτη αποκάλυψε σημαντικές διαφορικές εκφράσεις σε 29 γονίδια, 230 πρωτεΐνες και 157 μεταβολίτες. Αυτοί οι διαφορετικά εκφραζόμενοι βιοδείκτες συσχετίστηκαν με πολλές μεταβολικές διαδρομές που σχετίζονται με τη νευροανάπτυξη, συμπεριλαμβανομένου του κύκλου τρικαρβοξυλικού οξέος, του μεταβολισμού της αργινίνης και της γλυκόλυσης, μεταξύ άλλων, παρέχοντας πολύτιμες ενδείξεις για τους δυνητικούς μηχανισμούς. Τα ευρήματα της διατριβής υποδηλώνουν ισχυρά ότι η συνδυασμένη έκθεση σε μέταλλα, φθαλικές, οργανοφωσφορικές και οργανοχλωρικές ενώσεις μπορεί να διαταράξει τον κύκλο του τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA), οδηγώντας σε διαταραχές στη λειτουργία των μιτοχονδρίων, με συνέπειες στη νευρανάπτυξη τα πρώτα χρόνια ζωής. Οι διαταραχές στον κύκλο TCA που προκύπτουν από τη συνέκθεση σε μέταλλα και φθαλικά μπορούν να αποδοθούν σε δύο αλληλένδετες διαδικασίες. Καταρχήν, η συνέκθεση σε βαρέα μέταλλα και φθαλικά οδηγεί σε αλλαγές στα επίπεδα γλουταμίνης, επηρεάζοντας στη συνέχεια την έκφραση του γλουταμικού οξέος, τα επίπεδα ορνιθίνης και την παραγωγή αργινίνης. Ο ρόλος της αργινίνης στον καταβολισμό του κύκλου της ουρίας και στην παραγωγή οξειδίου του αζώτου (NO) επηρεάζεται, διαταράσσοντας στην παροχή οξυγόνου και την παραγωγή αδενοσίνης τριφωσφορικού οξέος (ATP) εντός του κύκλου TCA. Εναλλακτικά, η έκθεση σε συγκεκριμένες ουσίες όπως DEHP, DiNP, BBzP, Pb, Cd και Hg μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένα επίπεδα γαλακτικού οξέος, με αποτέλεσμα τη μείωση των επιπέδων πυρουβικού οξέος. Ο ρόλος του πυρουβικού οξέος ως προδρόμου του ακετυλ-CoA επηρεάζεται, οδηγώντας σε μείωση του ακετυλ-CoA εντός των μιτοχονδρίων. Αρκετά εντοπισμένα γονίδια και μεταβολίτες, συμπεριλαμβανομένων των CPS1, HSD17B6, ADH1A, γαλακτικού οξέος, αργινίνης, γλουταμίνης, ATP και ακετυλ-CoA, θα μπορούσαν πιθανώς να λειτουργήσουν ως βιοδείκτες της επίδρασης της συνέκθεσης στα μέταλλα, και στους πλαστικοποιητές. Συμπερασματικά, η ενσωμάτωση των μεθόδων που έχουν σχεδιαστεί για τη χαρακτηρισμό του εξωτερικού εκθεσιώματος (external exposome) στην παρουσιασμένη ροή εργασιών, που βασίστηκε στη βιολογική ανάλυση πολλαπλών διαστάσεων, είναι κρίσιμη για τη θέσπιση μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης απαραίτητης για τον πλήρη αποσαφηνισμό των πολύπλοκων συνδέσεων μεταξύ της συνέκθεσης σε χημικά και της ανθρώπινης υγείας. Αυτή η κατανόηση θα χρησιμεύσει ως θεμέλιο για την ακριβή αξιολόγηση του κινδύνου εμφάνισης χρόνιων νόσων, τη θέσπιση αποτελεσματικών στρατηγικών για την πρόληψή τους και την ανάπτυξη ατομικών παρεμβάσεων.