Bone as a target for persistent organic pollutants

• Main Author: Koskela, A. (Antti)
• Other Authors: Tuukkanen, J. (Juha)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2016
• Subjects: accumulation; bone remodeling; bone toxicology; dioxin; microstructure; organotin; perfluoroalkylated substance; dioksiini; kertyminen; luun remodellaatio; luutoksikologia; mikrorakenteet; organotina; perfluoratut yhdisteet
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526214306; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526214306

Abstract Persistent organic pollutants (POPs) are ubiquitous and bioaccumulative man-made chemicals, resistant to chemical, biological and photolytic degradation and widely distributed to sediments, wildlife, and human. Many of these chemicals have adverse effects on a variety of targets, including the endocrine system, organogenesis and reproduction. Due to these effects and wide distribution, many of them are either banned or strictly controlled. However, because of persistency, they continue to interact with organisms globally. Despite the existing knowledge of the adverse effects of POPs, the effects of many chemicals on bone tissue are still poorly known. In the present study, we investigated the adverse effects of three common POPs, including tributyltin (TBT), 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) and perfluorooctanoic acid (PFOA) on the skeletal system. In vitro models were used to study the effects of PFOA in mouse and in human, and the co-effects of TBT and TCDD on differentiating osteoblasts and osteoclasts of mice. An in vivo model for mice was used to study the developmental effects of maternal PFOA-exposure on pups among with morphometrical and biomechanical property analyses. Mass-spectrometry was used to study the presence of PFOA in bones both in mice and in human, the latter acquired from the bone bank held in the Oulu University Hospital, Finland. The bones were also analyzed with cone beam computer tomography and microcomputer tomography. The results show that PFOA exposure in utero and during lactation leads to the accumulation of PFOA in bone, traceable even 17 months after exposure. PFOA exposure decreased the mineral density of the tibias and increased the medullary area. Nearly all of the human samples contained PFAS, including PFOA. PFOA also disturbed the differentiation of osteoblasts and with lower doses, increased bone resorption of osteoclasts both in mouse and human, the phenomenon being slightly stronger in mice. Co-exposure to TBT and TCDD led to decreased differentiation of osteoblasts and osteoclast, and the co-effect was partially synergistic in osteoblasts. These results show disruption of bone development, bone cell differentiation, and PFAS accumulation in bone. Further studies are recommended to evaluate the co-effects of different POPs and the possible effects of long-term accumulation of POPs in bone and other tissues. === Tiivistelmä Pysyvät orgaaniset ympäristömyrkyt (POP-yhdisteet) ovat kemikaaleja, jotka ovat levinneet ihmisen toiminnan seurauksena laajalle ympäristöön, sen eliöihin ja ihmisiin. Monilla POP-yhdisteillä on haitallisia vaikutuksia esimerkiksi hormonaaliseen toimintaan, elinten muodostukseen ja hedelmällisyyteen. Toksisten vaikutusten ja niiden yleisyyden vuoksi monien POP-yhdisteiden käyttö on joko rajattua tai kielletty kokonaan. Laajan levinneisyytensä ja hitaan puoliintumisaikansa takia POP-yhdisteet ovat kuitenkin edelleen vuorovaikutuksessa ympäristön ja sen eliöiden kanssa. POP-yhdisteiden luustovaikutuksista tiedetään edelleen vähän. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kolmen yleisen POP-yhdisteen, tributyylitinan (TBT), 2,3,7,8-tetraklooridibentso-p-dioksiinin (TCDD) ja perfluoro-oktaanihapon (PFOA), vaikutuksia luustoon. PFOA:n vaikutuksia hiiren ja ihmisen luustoon sekä TBT:n ja TCDD:n yhteisvaikutuksia hiiren erilaistuvien osteoblastien ja osteoklastien suhteen selvitettiin in vitro -malleilla. In vivo -mallilla tutkittiin hiiriemon PFOA-altistuksen vaikutusta syntyvien poikasten luuston kehitykseen ja remodelaatioon analysoimalla poikkileikekuvia sekä luiden biomekaanisia ominaisuuksia. Lisäksi luiden PFOA-pitoisuudet mitattiin massaspektrometrilla. Tutkimusta laajennettiin ihmiseen analysoimalla Oulun yliopistollisen sairaalan luupankkinäytteitä. Ihmisnäytteet analysoitiin myös kartiokeila-TT:n ja mikro-TT:n avulla. Tulosten mukaan PFOA kertyy luuhun; hiiriltä voitiin mitata PFOA-pitoisuuksia jopa 17 kuukautta altistumisen jälkeen. Lisäksi PFOA-altistus pienensi luun mineraalitiheyttä ja kasvatti luuydinontelon tilavuutta. Lähes kaikki ihmisluunäytteet sisälsivät PFOA:ta ja muita PFAS-yhdisteitä. Solukokeiden perusteella PFOA-altistus häiritsee osteoblastien erilaistumista ja pienillä pitoisuuksilla lisää osteoklastien luunhajotusta sekä hiirellä että ihmisellä. TBT:n ja TCDD:n yhteisaltistus vaikuttaa puolestaan vähentävän sekä osteoblastien että osteoklastien erilaistumista ja toimintaa; osteoblastien osalta yhteisvaikutus oli osaksi synergistinen. Väitöskirja antaa lisätietoa POP-yhdisteiden vaikutuksista luun kehitykseen ja luusolujen erilaistumiseen sekä PFAS-yhdisteiden kertymisestä luuhun. Väitöksessä myös suositellaan lisätutkimuksia yhdisteiden yhteisvaikutuksista sekä pitkän aikavälin ympäristökemikaalikertymän vaikutuksista luussa ja muissa kudoksissa.