3D-modell visar hur kadmiumexponering kan leda till medfödda hjärtfel

3D-modell visar hur kadmiumexponering kan leda till medfödda hjärtfel

Forskare har utvecklat en tredimensionell modell som visar hur exponering för kadmium kan leda till medfödda hjärtfel. Medfödda hjärtfel är den vanligaste formen av fosterskador i USA, och drabbar nästan 40 000 nyfödda varje år. Modellen har utvecklats av forskare vid National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS), en del av National Institutes of Health.

Kadmium är en metall som kan släppas ut i miljön genom gruvdrift och olika industriella processer och har hittats i luft, jord, vatten och tobak. Metallen kan komma in i näringskedjan när växter tar upp den från jorden. Tidigare studier antydde att moderns exponering för kadmium kan vara en betydande riskfaktor för medfödda hjärtfel.

Med hjälp av modeller härledda från mänskliga celler och vävnader, kallade in vitro-modeller, designade forskare en 3D-organoid modell som efterliknar hur det mänskliga hjärtat utvecklas. Forskarna såg hur exponering för låga nivåer av kadmium kan blockera den normala bildningen av kardiomyocyter, som är den huvudsakliga typen av celler som utgör hjärtat. Därmed avslöjade de de biologiska mekanismerna som kan förklara hur kadmium kan orsaka hjärtavvikelser.

Modellerna vi skapade är användbara inte bara för att studera kadmium, utan också för att studera andra kemikalier och ämnen."

Erik Tokar, Ph.D., chefsutredare, Mechanistic Toxicology Division, NIEHS Division of Translational Toxicology (DTT)

För studien utvecklade forskarna tre olika modeller för att utvärdera effekterna av kadmium på olika stadier av hjärtats utveckling.

Fluorescens e-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året. Ladda ner en gratis kopia

Först använde de mänskliga pluripotenta stamceller för att utveckla 3D-embryoidkroppar för att efterlikna tidiga steg i vävnads- och organbildning hos människor. De använde sedan en 2D in vitro-modell innehållande ett fluorescerande regulatoriskt proteinsystem (NKX2-5) känt för att vara involverat i hjärtutveckling, vilket gjorde det möjligt för dem att studera toxiciteten av kadmium efter exponering.

3D-hjärtorganoidmodellen, som kan simulera det bankande hjärtat, bekräftade vad som sågs i de andra två modellerna och visade hur låga doser av kadmium kan hämma korrekt kardiomyocytfunktion.

Studien, publicerad i tidskriften Environmental Health Perspectives, bygger på årtionden av arbete av toxikologiforskare för att föra fram kunskapen om hur miljöexponering kan bidra till mänskliga sjukdomar som cancer, hjärt-kärlsjukdomar, autism och andra störningar.

"Dessa nya modeller drar nytta av framsteg inom teknik som gör att vi kan modellera mänsklig biologi på ett sätt som kan identifiera verkliga hot mot människors hälsa", konstaterade Brian Berridge, DVM, Ph.D., vetenskaplig chef, DTT. "De hjälper också till att minska vårt beroende av djurförsök."

"Vi fann att tidig exponering för humanrelevanta nivåer av kadmium resulterade i en dramatisk hämmande effekt på kardiomyocytdifferentiering, medan exponeringar i senare skede inte hade denna effekt", säger Xian Wu, Ph.D., som genomförde dessa studier. "Denna kadmiumexponering skadade också hjärtats organoidfunktion."

Källa:

National Institutes of Health

Hänvisning:

Wu, X., et al. (2022) Hjärtutveckling i närvaro av kadmium: En in vitro-studie med mänskliga embryonala stamceller och hjärtorganoider. Miljöhälsoperspektiv. doi.org/10.1289/EHP11208.

.