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Publicação
Molecular insight on the toxicity of mixtures of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons to improve environmental guidelines
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are persistent environmental pollutants with toxic,
mutagenic, and carcinogenic properties. They are usually present in the environment as a mixture of
carcinogenic and non-carcinogenic compounds, that may induce interaction effects whose mechanisms
remain poorly understood. This thesis investigates PAH toxicity using both in vitro and in vivo
approaches, focusing on key toxicological endpoints, including gene and biochemical responses related
with PAH detoxification mechanisms, oxidative stress and genotoxicity. By examining PAH
interactions within complex mixtures, in different ratios, in cellular models and whole-organism
studies, it provides insights into their mode of action and implications for environmental and human
health risk assessment.
An optimized pancreatin digestion method enabled the isolation of fish hepatocytes for PAH
toxicity assessment. Primary hepatocytes of S. aurata showed that, in general, exposure to mixtures of
phenanthrene (Phe) and benzo[a]pyrene (B[a]P) significantly altered several biochemical responses
with the Phe:B[a]P 2:1 mixture, leading to a 70% increase in DNA damage and enhanced CYP1A
expression (5-fold). In juvenile S. aurata exposed for 42 days, PAHs triggered organ-specific effects,
including oxidative stress in gills and liver, and a 7-fold increase in hepatic GST3 expression after
Phe:B[a]P 2:1 exposure. MDS analysis further identified biological response patterns, providing insight
into how fish cope with PAHs.
To assess interactions between PAHs in mixtures over Aryl Hydrocarbon Receptor (AhR)
activation, in vitro experiments using HepG2 cells were conducted. Results showed that AhR activation,
a major regulation pathway of CYP1A mediated metabolism, varied with mixture composition,
exhibiting antagonistic interactions at lower concentrations, likely due to Phe competition with other
PAH compounds.
Overall, these results highlight the complexity of PAHs mixture toxicity and its context-
dependent effects. While individual PAHs triggered distinct biochemical responses, mixtures altered
toxicity patterns. For instance, the 2:1 Phe:B[a]P mixture showed synergistic effects in fish models but
antagonistic interactions in HepG2 cells. Previous studies in PAHs mixtures toxicity suggested that they
might interact synergistically or antagonistically depending on the toxicity model. Furthermore, our
findings suggest that different ratios and types of PAHs in mixture can activate not only CYP1A1 but
another pathways, highlighting their unpredictable behaviour emphasizing the need for a more
comprehensive risk assessment approach.
Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) são poluentes ambientais persistentes com propriedades tóxicas, mutagénicas e cancerígenas. Estão geralmente presentes no ambiente como uma mistura de compostos cancerígenos e não cancerígenos, que podem induzir efeitos de interação cujos mecanismos são ainda pouco compreendidos. Esta tese investiga a toxicidade dos HAPs utilizando abordagens in vitro e in vivo, com foco nos principais desfechos toxicológicos, incluindo respostas genéticas e bioquímicas relacionadas com os mecanismos de desintoxicação dos HAPs, stress oxidativo e genotoxicidade. Ao examinar as interações dos HAPs em misturas complexas, em diferentes proporções, em modelos celulares e estudos de organismos inteiros, são fornecidas informações sobre o seu modo de ação e implicações para a avaliação de riscos ambientais e para a saúde humana. Um método otimizado de digestão com pancreatina permitiu o isolamento de hepatócitos de peixe para avaliação da toxicidade dos HAPs. Os hepatócitos primários de S. aurata mostraram que, em geral, a exposição a misturas de fenantreno (Phe) e benzo[a]pireno (B[a]P) alterou significativamente diversas respostas bioquímicas com a mistura Phe:B[a]P 2:1, levando a um aumento de 70% dos danos no ADN e a um aumento da expressão do CYP1A (5 vezes). Em juvenis de S. aurata expostos durante 42 dias, os HAP desencadearam efeitos específicos nos órgãos, incluindo stress oxidativo nas brânquias e no fígado, e um aumento de 7 vezes na expressão hepática de GST3 após exposição a Phe:B[a]P 2:1. A análise do MDS identificou ainda mais padrões de resposta biológica, fornecendo informações sobre a forma como os peixes lidam com os HAPs. Para avaliar as interações entre os HAPs em misturas durante a ativação do recetor de hidrocarbonetos arílico (AhR), foram conduzidas experiências in vitro utilizando células HepG2. Os resultados mostraram que a ativação do AhR, uma importante via de regulação do metabolismo mediado pelo CYP1A, variou com a composição da mistura, exibindo interações antagónicas a concentrações mais baixas, provavelmente devido à competição do Phe com outros compostos de PAH. No geral, estes resultados realçam a complexidade da toxicidade da mistura de HAPs e os seus efeitos dependentes do contexto. Enquanto os HAPs individuais desencadearam respostas bioquímicas distintas, as misturas alteraram os padrões de toxicidade. Por exemplo, a mistura 2:1 Phe:B[a]P apresentou efeitos sinérgicos em modelos de peixes, mas interações antagónicas em células HepG2. Estudos anteriores sobre a toxicidade de misturas de HAPs sugeriram que estes podem interagir sinergicamente ou antagonicamente, dependendo do modelo de toxicidade. Além disso, as nossas descobertas sugerem que diferentes proporções e tipos de HAPs na mistura podem ativar não só o CYP1A1, mas outras vias, destacando o seu comportamento imprevisível e enfatizando a necessidade de uma abordagem de avaliação de risco mais abrangente.
Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) são poluentes ambientais persistentes com propriedades tóxicas, mutagénicas e cancerígenas. Estão geralmente presentes no ambiente como uma mistura de compostos cancerígenos e não cancerígenos, que podem induzir efeitos de interação cujos mecanismos são ainda pouco compreendidos. Esta tese investiga a toxicidade dos HAPs utilizando abordagens in vitro e in vivo, com foco nos principais desfechos toxicológicos, incluindo respostas genéticas e bioquímicas relacionadas com os mecanismos de desintoxicação dos HAPs, stress oxidativo e genotoxicidade. Ao examinar as interações dos HAPs em misturas complexas, em diferentes proporções, em modelos celulares e estudos de organismos inteiros, são fornecidas informações sobre o seu modo de ação e implicações para a avaliação de riscos ambientais e para a saúde humana. Um método otimizado de digestão com pancreatina permitiu o isolamento de hepatócitos de peixe para avaliação da toxicidade dos HAPs. Os hepatócitos primários de S. aurata mostraram que, em geral, a exposição a misturas de fenantreno (Phe) e benzo[a]pireno (B[a]P) alterou significativamente diversas respostas bioquímicas com a mistura Phe:B[a]P 2:1, levando a um aumento de 70% dos danos no ADN e a um aumento da expressão do CYP1A (5 vezes). Em juvenis de S. aurata expostos durante 42 dias, os HAP desencadearam efeitos específicos nos órgãos, incluindo stress oxidativo nas brânquias e no fígado, e um aumento de 7 vezes na expressão hepática de GST3 após exposição a Phe:B[a]P 2:1. A análise do MDS identificou ainda mais padrões de resposta biológica, fornecendo informações sobre a forma como os peixes lidam com os HAPs. Para avaliar as interações entre os HAPs em misturas durante a ativação do recetor de hidrocarbonetos arílico (AhR), foram conduzidas experiências in vitro utilizando células HepG2. Os resultados mostraram que a ativação do AhR, uma importante via de regulação do metabolismo mediado pelo CYP1A, variou com a composição da mistura, exibindo interações antagónicas a concentrações mais baixas, provavelmente devido à competição do Phe com outros compostos de PAH. No geral, estes resultados realçam a complexidade da toxicidade da mistura de HAPs e os seus efeitos dependentes do contexto. Enquanto os HAPs individuais desencadearam respostas bioquímicas distintas, as misturas alteraram os padrões de toxicidade. Por exemplo, a mistura 2:1 Phe:B[a]P apresentou efeitos sinérgicos em modelos de peixes, mas interações antagónicas em células HepG2. Estudos anteriores sobre a toxicidade de misturas de HAPs sugeriram que estes podem interagir sinergicamente ou antagonicamente, dependendo do modelo de toxicidade. Além disso, as nossas descobertas sugerem que diferentes proporções e tipos de HAPs na mistura podem ativar não só o CYP1A1, mas outras vias, destacando o seu comportamento imprevisível e enfatizando a necessidade de uma abordagem de avaliação de risco mais abrangente.
Descrição
Palavras-chave
PAHs Mixtures in vitro in vivo Genotoxicity