Abstract

Persistent organic pollutants (POPs), especially dioxin-like chemicals, have been shown to have adverse effects on skeleton and these effects are likely to be mediated via the aryl hydrocarbon receptor (AHR). In spite of the extensive research, the characteristics of developmental effects of POPs are poorly known and the role of AHR in POP bone toxicity and skeletal development in general.

In this project changes in bone morphology and strength as well as tissue matrix mechanics are studied by applying state of the art biomedical engineering methods. This allows understanding of the effects of dioxins exposure and AHR activity on the development and maturation of extracellular matrix in musculoskeletal tissues from a completely new perspective, and thereby improving the health risk assessment of POPs.

In the present study skeletal properties of rats exposed maternally to 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD), Northern Contaminant Mixture (NCM) and Aroclor1254 (A1254) were studied for cross-sectional morphometric and biomechanical properties, and data were analysed with benchmark dose modelling. In addition, extracellular matrix properties were analysed using nanoindentation. Similar measurements were performed for adult wild-type and AHR-null mice after TCDD exposure. The same animals were also analysed for microstructural changes using micro-computed tomography and their bone cell activity was estimated from serum markers and gene expression.

Analyses show decreased bone length and cross-sectional properties with consequently decreased bone strength. On the other hand, an increased trabecular BMD in response to NCM and A1254 was observed. In addition, bone matrix properties indicated delayed maturation or early senescence after maternal or adult exposure, respectively. The AHR is mainly responsible for bone toxicity of dioxin-like compounds and plays a role in bone development. This is likely due to disturbed bone remodeling as indicated by altered serum markers and gene expression. Overall these results indicate that POPs decrease bone strength, but the interpretation is difficult as there is more trabecular bone within cortical bone with compromised quality and increased porosity.

Tiivistelmä

Altistumisen pysyville orgaanisille ympäristökemikaaleille on todettu heikentävän luustoa. Dioksiinien ja dioksiininkaltaisten yhdisteiden vaikutusten on havaittu välittyvän aryylihiilivetyreseptorin (AHR) välityksellä. Huolimatta pitkään kestäneestä tutkimuksesta POP-yhdisteiden sikiönkehityksen aikaisen altistuksen vaikutukset ja etenkin niiden mekanismit ovat edelleen huonosti tunnettuja, samoin kuin AHR:n osuus POP-yhdisteiden luutoksisuudessa ja luuston kehityksessä ylipäätään.

Tässä työssä tutkittiin luuston rakenteellisia ja mekaanisia ominaisuuksia niin perinteisillä kuin uusimmilla biolääketieteen tekniikan menetelmillä. Tutkimuksen tavoitteena on saada uutta tietoa POP-altistuksen ja AHR-aktiivisuuden vaikutuksista luuston kehitykseen ja luukudoksen ikääntymisprosesseihin, mikä edesauttaa kyseisten yhdisteiden riskinarviointia.

Tutkimuksissa altistettiin kantavia rottaemoja 2,3,7,8-tetraklooridibenzo-p-dioksiinille (TCDD), pohjoiselle saasteseokselle ja kaupalliselle Arokloori 1254 PCB-seokselle. Sikiönkehityksen aikana altistuneiden jälkeläisten luuston poikkileikkausen morfologia ja biomekaaniset ominaisuudet mitattiin ja tulokset mallinnettiin vertailuannoksen määrittämiseksi. Lisäksi TCDD-altistettujen rottien luustomatriisin ominaisuuksia selvitettiin nanoindentaatiomenetelmällä. Samaa menetelmää käytettiin myös aikuisiässä TCDD:lle altistettujen villityypin hiirten ja AHR-poistogeenisiten hiirten tutkimiseen. Näiden hiirten luuston hienorakennetta mitattiin myös korkean resoluution mikro-tietokonetomografialla ja niiden luusolujen aktiivisuutta tutkittiin seerumin biomarkkerien ja luun muodostumiseen osallistuvien geenien ekspressiotasojen avulla.

Sikiönkehityksen aikainen altistuminen pohjoiselle saasteseokselle ja Arokloori 1254:lle hidasti luiden pituuskasvua. Lisäksi luiden poikkileikkauspinta-alat olivat pienentyneet ja mekaaniset ominaisuudet heikentyneet. Toisaalta hohkaluun määrä oli lisääntynyt altistumisen seurauksena.

Myös sikiönkehityksen aikainen altistuminen TCDD:lle hidasti luukudoksen kypsymistä ja johti aikuisiällä luukudoksen ennenaikaiseen vanhenemiseen. AHR:llä oli päärooli ainakin aikuisiän vaikutusten ilmenemiselle ja reseptorilla vaikutti olevan rooli luuston kehityksessä ylipäätään. Seerumin biomarkkereiden ja geeniekspression muutosten perusteella nämä vaikutukset johtuvat todennäköisesti luuston uusiutumisen häiriöistä. Yhteenvetona voidaan todeta, että POP-yhdisteet heikentävät luustoa, mutta tämän ilmiön diagnosoiminen on hankalaa, koska huonolaatuisen kuoriluun sisällä hohkaluun määrä on lisääntynyt.