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3D-Modell zeigt, wie Cadmium-Exposition zu angeborenen Herzfehlern führen kann


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Forscher haben ein dreidimensionales Modell entwickelt, das zeigt, wie eine Exposition gegenüber Cadmium zu angeborenen Herzfehlern führen kann. Angeborene Herzfehler sind mit fast 40.000 Neugeborenen pro Jahr die häufigste Form von Geburtsfehlern in den Vereinigten Staaten. Das Modell wurde von Wissenschaftlern des National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS), Teil der National Institutes of Health, entwickelt.

Cadmium ist ein Metall, das durch Bergbau und verschiedene industrielle Prozesse in die Umwelt freigesetzt werden kann und in Luft, Boden, Wasser und Tabak gefunden wurde. Das Metall kann in die Nahrungskette gelangen, wenn Pflanzen es aus dem Boden aufnehmen. Frühere Studien deuteten darauf hin, dass die mütterliche Exposition gegenüber Cadmium ein signifikanter Risikofaktor für angeborene Herzfehler sein könnte.

Unter Verwendung von Modellen, die von menschlichen Zellen und Geweben abgeleitet wurden, sogenannten In-vitro-Modellen, entwarfen die Forscher ein 3D-Organoid-Modell, das nachahmt, wie sich das menschliche Herz entwickelt. Die Forscher sahen, wie die Exposition gegenüber niedrigen Cadmiumspiegeln die normale Bildung von Kardiomyozyten blockieren kann, die der Haupttyp von Zellen sind, die das Herz bilden. Dabei deckten sie die biologischen Mechanismen auf, die erklären könnten, wie Cadmium Herzanomalien hervorrufen kann.

Die von uns erstellten Modelle sind nicht nur für die Untersuchung von Cadmium nützlich, sondern auch für die Untersuchung anderer Chemikalien und Substanzen.“

Erik Tokar, Ph.D., Studienleiter, Abteilung Mechanistische Toxikologie, NIEHS-Abteilung für Translationale Toxikologie (DTT)

Für die Studie entwickelten die Forscher drei verschiedene Modelle, um die Auswirkungen von Cadmium auf verschiedene Stadien der Herzentwicklung zu bewerten.

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Zuerst verwendeten sie menschliche pluripotente Stammzellen, um 3D-embryoide Körper zu entwickeln, um frühe Schritte in der Gewebe- und Organbildung beim Menschen nachzuahmen. Anschließend verwendeten sie ein 2D-In-vitro-Modell, das ein fluoreszierendes regulatorisches Proteinsystem (NKX2-5) enthielt, von dem bekannt ist, dass es an der Herzentwicklung beteiligt ist, was es ihnen ermöglichte, die Toxizität von Cadmium nach der Exposition zu untersuchen.

Das 3D-Herz-Organoid-Modell, das das schlagende Herz simulieren kann, bestätigte, was in den beiden anderen Modellen zu sehen war, und zeigte, wie niedrige Cadmiumdosen die ordnungsgemäße Funktion der Kardiomyozyten hemmen können.

Die in der Zeitschrift Environmental Health Perspectives veröffentlichte Studie baut auf jahrzehntelanger Arbeit von Toxikologieforschern auf, um das Wissen darüber zu erweitern, wie Umweltbelastungen zu menschlichen Krankheiten wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Autismus und anderen Erkrankungen beitragen können.

„Diese neuen Modelle nutzen Fortschritte in der Technologie, die es uns ermöglichen, die Humanbiologie so zu modellieren, dass echte Gefahren für die menschliche Gesundheit identifiziert werden können“, bemerkte Brian Berridge, DVM, Ph.D., wissenschaftlicher Direktor, DTT. „Sie tragen auch dazu bei, unsere Abhängigkeit von Tierversuchen zu verringern.“

„Wir fanden heraus, dass eine frühe Exposition gegenüber für den Menschen relevanten Cadmiummengen zu einer dramatischen Hemmwirkung auf die Kardiomyozytendifferenzierung führte, während Expositionen im späteren Stadium diese Wirkung nicht hatten“, sagte Xian Wu, Ph.D., der diese Studien durchführte. „Diese Cadmium-Exposition hat auch die Organoid-Funktion des Herzens geschädigt.“

Quelle:

Nationales Gesundheitsinstitut

Referenz:

Wu, X., et al. (2022)Herzentwicklung in Gegenwart von Cadmium: Eine In-vitro-Studie mit menschlichen embryonalen Stammzellen und Herzorganoiden. Perspektiven der Umweltgesundheit. doi.org/10.1289/EHP11208.

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Daniel Wom

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