3D-model laat zien hoe blootstelling aan cadmium kan leiden tot aangeboren hartafwijkingen

3D-model laat zien hoe blootstelling aan cadmium kan leiden tot aangeboren hartafwijkingen

Onderzoekers hebben een driedimensionaal model ontwikkeld dat laat zien hoe blootstelling aan cadmium kan leiden tot aangeboren hartafwijkingen. Aangeboren hartafwijkingen zijn de meest voorkomende vorm van geboorteafwijkingen in de Verenigde Staten en treffen jaarlijks bijna 40.000 pasgeborenen. Het model is ontwikkeld door wetenschappers van het National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS), onderdeel van de National Institutes of Health.

Cadmium is een metaal dat via mijnbouw en diverse industriële processen in het milieu terecht kan komen en dat is aangetroffen in lucht, bodem, water en tabak. Het metaal kan in de voedselketen terechtkomen wanneer planten het uit de bodem opnemen. Eerdere studies suggereerden dat blootstelling van de moeder aan cadmium een ​​significante risicofactor kan zijn voor aangeboren hartafwijkingen.

Met behulp van modellen afgeleid van menselijke cellen en weefsels, in vitro-modellen genoemd, ontwierpen onderzoekers een 3D-organoïdemodel dat nabootst hoe het menselijk hart zich ontwikkelt. De onderzoekers zagen hoe blootstelling aan lage niveaus van cadmium de normale vorming van hartspiercellen kan blokkeren, het belangrijkste type cellen waaruit het hart bestaat. Daarbij ontdekten ze de biologische mechanismen die zouden kunnen verklaren hoe cadmium hartafwijkingen kan veroorzaken.

De modellen die we hebben gemaakt zijn niet alleen nuttig voor het bestuderen van cadmium, maar ook voor het bestuderen van andere chemicaliën en stoffen.”

Erik Tokar, Ph.D., hoofdonderzoeker, afdeling Mechanistische Toxicologie, NIEHS Afdeling Translationele Toxicologie (DTT)

Voor de studie ontwikkelden onderzoekers drie verschillende modellen om de effecten van cadmium op verschillende stadia van de hartontwikkeling te evalueren.

Fluorescentie eBook

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download een gratis exemplaar

Ten eerste gebruikten ze menselijke pluripotente stamcellen om 3D-embryoïde lichamen te ontwikkelen om vroege stappen in de weefsel- en orgaanvorming bij mensen na te bootsen. Vervolgens gebruikten ze een 2D-in vitro-model met een fluorescerend regulerend eiwitsysteem (NKX2-5) waarvan bekend is dat het betrokken is bij de ontwikkeling van het hart, waardoor ze de toxiciteit van cadmium na blootstelling konden bestuderen.

Het 3D-cardiale organoïdemodel, dat het kloppende hart kan simuleren, bevestigde wat in de andere twee modellen werd gezien en liet zien hoe lage doses cadmium de juiste hartspierfunctie kunnen remmen.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Environmental Health Perspectives, bouwt voort op tientallen jaren werk van toxicologische onderzoekers om de kennis te vergroten over hoe blootstelling aan het milieu kan bijdragen aan menselijke ziekten zoals kanker, hart- en vaatziekten, autisme en andere aandoeningen.

“Deze nieuwe modellen maken gebruik van technologische vooruitgang die ons in staat stelt de menselijke biologie te modelleren op een manier die reële bedreigingen voor de menselijke gezondheid kan identificeren”, aldus Brian Berridge, DVM, Ph.D., wetenschappelijk directeur van DTT. “Ze helpen ook onze afhankelijkheid van dierproeven te verminderen.”

“We ontdekten dat vroege blootstelling aan voor de mens relevante niveaus van cadmium resulteerde in een dramatisch remmend effect op de differentiatie van hartspiercellen, terwijl blootstelling in een later stadium dit effect niet had”, zegt Xian Wu, Ph.D., die deze onderzoeken uitvoerde. “Deze blootstelling aan cadmium beschadigde ook de organoïdefunctie van het hart.”

Bron:

Nationale gezondheidsinstituten

Referentie:

Wu, X., et al. (2022) Hartontwikkeling in aanwezigheid van cadmium: een in vitro onderzoek met menselijke embryonale stamcellen en hartorganoïden. Milieugezondheidsperspectieven. doi.org/10.1289/EHP11208.

.