High dimensional biology to assess the effects of the exposure to heavy metals, plasticizers and pesticides to child neurodevelopment
Creators: name: Παπαϊωάννου, Ναυσικά Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Εκθεσίωμα
Ενδοκρινικοί διαταρράκτες
Πολυομική ανάλυση
Αναπτυξιακή νευροτοξικότητα
Exposome
Endocrine dirsruptors
Multiomics analysis
Developmental neurotoxicity

description: Οι άνθρωποι εκτίθενται σε περιβαλλοντικές χημικές ουσίες καθημερινά. H έκθεση αυτή μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη διαφόρων χρόνιων νοσημάτων. Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο τη δημιουργία μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για την κατανόηση των επιπτώσεων της προγεννητικής έκθεσης σε μείγμα μετάλλων, φθαλικών, οργανοφωσφορικών και οργανοχλωρικών ενώσεων στην παιδική νευροανάπτυξη. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε σε τρεις κοορτές που αποτελούσαν μέρος του ευρωπαϊκού προγράμματος HEALS (http:/heals-eu.eu/); PHIME (SLO, n=180), REPRO_PL (PL, n=148) και EXHES_SP (SP, n=35). Αρχικά, περιγράφονται τα βελτιστοποιημένα πρωτόκολλα για τη μη-στοχευμένη μεταβολομική ανάλυση ανθρώπινων και κυτταρικών δειγμάτων με τη χρήση LC-MS και ΝΜR. Ακολουθεί εκτενής περιγραφή της ροής εργασιών για την επεξεργασία των δεδομένων μη στοχευμένης μεταβολομικής με τη χρήση πακέτων της R. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η ροή εργασίας για την ενσωμάτωση πολλαπλών ομικών δεδομένων (multi-omics), συμπεριλαμβανομένων των μεταγραφομικών, πρωτεομικών και μεταβολομικών. Ακολουθεί περιγραφή της μεθοδολογίας ανάλυσης των δεδομένων εκθεσιώματος, με 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). Συνοψίζοντας, η έκθεση σε μείγματα μετάλλων, φθαλικών/DINCH και φυτοφαρμάκων βρέθηκε να σχετίζεται σημαντικά με μειωμένη γνωστική, γλωσσική και κινητική ανάπτυξη κατά τα δύο πρώτα χρόνια της ζωής. Επιπλέον, βρέθηκε σημαντική επίδραση του μονο- (2-αιθυλεξυλ) φθαλικού (MEHP) στο ύψος της γέννησης, με τιμή PIP 0.86. Επιπλέον, εντοπίστηκαν συσχετίσεις μεταξύ της έκθεσης ή/και των παραμέτρων νευροαναπτυξιακής αξιολόγησης και του μεταβολισμού των αμινοξέων και των λιπιδίων. Στη συνέχεια, περιγράφεται η πολυομική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε με χρήση της κυτταρικής σειράς 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. 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, που σχετίζονται τον κύκλο του ΤCΑ, τον μεταβολισμό των αμινοξέων και της γλυκόλυσης. Τα ευρήματα της διατριβής υποδηλώνουν ισχυρά ότι η προγεννητική έκθεση σε βαρέα μέταλλα και φθαλικές ενώσεις μπορεί να διαταράξει τον κύκλο TCA μέσω δύο αλληλένδετων μεταβολικών διαδρομών, οδηγώντας σε διαταραχές στη λειτουργία των μιτοχονδρίων, με συνέπειες στη νευρανάπτυξη τα πρώτα χρόνια ζωής. Η συνέκθεση σε βαρέα μέταλλα και φθαλικές ενώσεις μεταβάλλει τα επίπεδα γλουταμίνης, επηρεάζοντας την έκφραση του γλουταμικού οξέος, τα επίπεδα ορνιθίνης και την παραγωγή αργινίνης, με συνέπεια διαταραχές στην παροχή οξυγόνου, την παραγωγή ATP και ΝΟ εντός του κύκλου TCA. Παράλληλα, η έκθεση σε βαρέα μέταλλα και φθαλικές ενώσεις, μειώνει τα επίπεδα γαλακτικού, μειώνοντας το πυροσταφυλικό οδηγώντας σε μείωση του ακέτυλ-CoA στα μιτοχόνδρια. Γονίδια και μεταβολίτες, όπως CPS1, HSD17B6, ADH1A, γαλακτικό οξύ, αργινίνη, και γλουταμίνη, ATP και ακετυλ-CoA, μπορεί να λειτουργήσουν ως βιοδείκτες. Εν κατακλείδι, αυτή η διατριβή επισημαίνει τη σπουδαιότητα της κατανόησης και αντιμετώπισης των επιπτώσεων των περιβαλλοντικών παραγόντων στην παιδική νευροανάπτυξη προς όφελος της δημόσιας υγείας.
description: Humans are exposed to environmental chemicals in their everyday life and and this exposure can impact the development of various chronic diseases. This thesis was dedicated to establish a thorough, interdisciplinary framework for comprehensively understanding of the effects of various environmental stressors on developmental neurotoxicity. It emphasises the importance of utilising systems biology approaches to characterise the internal exposome. These comprehensive approaches were applied to three birth cohorts as part of the HEALS EU project (http:/heals-eu.eu/), namely PHIME (SLO, n=180), REPRO_PL (PL, n=148), and EXHES_SP (SP, n=35) to explore the impacts of prenatal exposure to real-life mixtures of metals, phthalates/DINCH, organophosphates, and organochlorines on child neurodevelopment. The thesis begins by detailing optimized LC-MS and NMR metabolomics protocols for human and in vitro samples in exposome research. A robust bioinformatics workflow, utilizing R packages, is then described for data pre-processing and processing of untargeted metabolomics data. Subsequently, the workflow for integrating multiple omics data (transcriptomics, proteomics, and metabolomics) is presented. The workflow for the exposome data analysis is followed aiming to link human biomonitoring, sociodemographic/lifestyle data, metabolic pathways, and observed phenotypes using advanced mathematical methods like Bayesian kernel machine regression (BKMR) and Environment-wide association study (EWAS). In summary, exposure to a mixture of metals, phthalates/DINCH, and pesticide metabolites was linked with lower cognitive, language, and motor development scores during the first two years of life. Furthermore, the BKMR analysis results highlighted the significant impact of mono-(2-ethylhexyl) phthalate (MEHP) on birth height, with a PIP (Posterior Inclusion Probability) value of 0.86. Additionally, the study identified intriguing relationships between exposure or neurodevelopmental parameters and the metabolism of amino acids and lipids. Using the 2D HepaRG cell line, exposed to phthalates (DEHP, DiNP, and BBzP) and heavy metals (Pb, Cd, and Hg), a comprehensive multi-omics analysis was conducted, to obtain a deeper understanding of the mechanism behind the adverse effects of prenatal exposure to metals and phthalates. The INTEGRA computational platform was used to calculate the effective concentrations of the chemicals in the liver through extrapolation from human biomonitoring data. Results showed significant differential expressions in 29 genes, 230 proteins, and 157 metabolites, linked to TCA cycle and arginine metabolism. The thesis concludes that the combined exposure to metals, phthalates, organophosphates, and organochlorines can disrupt the TCA cycle, impacting mitochondrial function and developmental neurotoxicity throught two interrelated processes. The simultaneous exposure to metals and phthalates alters glutamine levels, affecting glutamate expression, ornithine levels, and arginine production. This disruption influences oxygen delivery, ATP production, and nitric oxide within the TCA cycle. Alternatively, exposure to certain substances, like metals and phthalates, reduces lactate levels, diminishing pyruvate and subsequently decreasing Acetyl-CoA in mitochondria. Identified genes and metabolites, such as CPS1, HSD17B6, ADH1A, lactate, arginine, glutamate, glutamine, ATP, and Acetyl-CoA, could potentially serve as biomarkers of effect in this context. In conclusion, this thesis underscores the importance of understanding and mitigating the impact of environmental factors on human development for public health and policy considerations.