Inflammation by Mixtures - Exploring the fundamentals of proinflammatory responses by complex combustion-derived pollutants

Dieseleksospartikler (DEP) og andre forbrenningspartikler er blant de viktigste bestanddelene i luftforurensning i byer. Slike luftbårne partikler kan forårsake eller forsterke betennelsesreaksjoner i kroppen. Kroniske betennelser med lav intensitet er et sentralt element i utvikling av mange sykdommer, slik som hjerte-/karsykdommer, astma, allergi, kreft og diabetes. DEP består av en kompleks blanding av tusenvis av ulike organiske kjemikalier, bundet til overflaten av ørsmå karbonpartikler. Det først og fremst er kjemikaliene som antas å forårsake betennelsesreaksjoner i cellene, men hvilke stoffer eller stoffgrupper i eksosen som er ansvarlig for disse effektene, hvordan de gjør det, og i hvilken grad ulike forbindelser i DEP og andre forbrenningspartikler samvirker, er ennå uklart. Å avklare dette er blant prosjektets viktigste målsetninger. Organiske kjemikalier fra to ulike DEP og en vedfyringspartikkel (WSP)er blitt ekstrahert/fraksjonert ved to ulike teknikker. For hver av de tre partiklene har 9 fraksjoner med organiske kjemikalier blitt ekstrahert og separert etter polaritet (fra svært vannløselige til svært fettløselige fraksjoner). Den kjemiske sammensetningen av disse til sammen 27 fraksjonene blir nå karakterisert blant annet for innhold av organisk karbon, fordeling av polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH?er), oxy-PAH'er, alkaner, karboksylsyrer, aldehyder. De 27 fraksjonene er videre testet for effekter på cytotoksisitet og betennelsesreaksjoner i humane lungeceller, endotelceller, og i en 3D-model av alveole/endotel-barrieren. Resultater indikerer lipofile (fettløselige) forbindelser på forbrenningspartikler som deponerer i alveolene, raskt frigjøres fra partiklene og transporteres gjennom epitellaget og når endotelcellene. Videre fant vi at de mest lipofile forbindelsene er viktigst for cytotoksisitet (celledød), oksidativt stress og aktivering av proinflammmatoriske gener. Oksidativt stress, som antas sentralt for partikkeltoksisitet, synes imidlertid å kunne være et høydosefenomen som trolig er mindre relevant ved de doser man kan forventes å eksponeres for i virkeligheten. Enkelte vannløselige substanser synes også å kunne bidra til proinflammatoriske responser. Inflammasjonsrelaterte gener ble for øvrig kun aktivert av ekstrakter fra DEP og ikke av ekstrakter fra vedfyringspartikler. Imidlertid synes ekstrakter av både DEP og WSP å kunne forsterke eksisterende betennelsesreaksjoner. Dette er interessant ettersom lavere konsentrasjoner av svevestøv først og fremst antas å påvirke personer med eksisterende lunge- eller hjertekarsykdom, som gjerne involverer kroniske betennelsesreaksjoner. Et utvalg av fraksjoner fra den DEP'en med mest organisk materiale, har vært testet for effekter på kalsium signalisering og regulering av proinflammatoriske gener i humane endotel celler, ved Universitetet i Rennes, Frankrike. Funnene viser at kun enkelte fraksjoner av organiske kjemikalier fra DEP er i stand til å aktivere kalsiumsignalisering. Disse effektene prøver er linket opp mot aktivering av spesifikke reseptorer og kalsium kanaler. Evne til å gi kraftige økninger i proinflammatoriske gener synes å henge sammen med evne til å stimulere kalsium signalisering. Spesielt kalsiumsignalisering synes å være en svært sensitiv respons, som aktiveres lave konsentrasjoner. Mekanismer for kalsiumsignalisering er undersøkt i detalj, med særlig fokus på rollen til aryl hydrokarbonreseptor (AhR), som er kjent å aktiveres av blant annet PAH?er. AhR synes også å være invovlert i aktivering av betennelsesreaksjoner i endotelceller, og indikerer at kalsiumreponser og betennelse, delvis kan aktiveres via liknende mekanismer Funnene indikerer at lipofile kjemikalier er sentrale for de biologiske effektene. Rollen til AhR, tyder videre på at PAH'er er sentrale for de observerte effektene, men at det ikke nødvendigvis er de tradisjonelle kreftfremkallende PAH'ene som er viktigst. Forsøk med pyren, en ikke-karsinogen PAH som det ble funnet mye av i forbrenningspartiklene, synes å bekrefte dette. Dette kan ha betydning for fremtidig risikovurdering av PAH?er i uteluft. Resultatene tyder allikevel på at effektene i stor grad skyldes samvirkende effekter av ulike forbindelser på DEP og andre vedfyringspartikler. Å avdekke hvordan kjemikalier i DEP og andre forbrenningspartikler samvirker og aktiverer betennelsesreaksjoner i cellene, kan sette oss på sporet av mer generelle mekanismer for hvordan miljøkjemikalier kan forstyrre immunforsvaret vårt. Funnene fra prosjektet tyder også på at en mer komplett forbrenning som reduserer dannelsen av organiske kjemikalier, vil kunne redusere helserisiko fra svevestøv fra forbrenningsreaksjoner.

Environmental chemicals from multiple sources have been suggested to contribute to development of a variety of multifactorial diseases including cardiovascular diseases, asthma and allergies, cancer and metabolic syndromes, as well as obesity, by inducing or exacerbating chronic, low-grade inflammation. Real-life exposure of most individual chemicals tends to be below inflammogenic levels. However, different pollutants of complex mixtures may co-operate to produce a significant inflammatory outcome throu gh so-called coctail effects. Yet, our understanding of chemical-induced inflammation is still scarce, in particular in relation to combinatory effects of various chemicals in mixtures. Moreover, preexisting inflammation appears to be a risk factor for di sease development by environmental pollutants. We have recently observed that inflamed cells may be more sensitive and respond differently to chemical exposure, than healthy cells. Clarifying what types of environmental chemicals are the most potent drive rs of inflammation, the mechanisms of combinatory effects of chemical mixtures, and synergies between chemical exposure and preexisting inflammation may give fundamental contribution to risk assessment and expand our understanding of susceptibility factor s for adverse health effects. Such knowledge is also needed to establish causality to reported epidemiological associations. The applied project will explore fundamental mechanisms of proinflammatory effects from complex chemical mixtures by using diesel exhaust particles (DEP) as model exposure. DEP is an important contributor to urban air pollution, with effects mostly attributed to complex mixtures of soluble chemicals adhered to the particle surface. We will mainly focus on effects in lung epithelial cells based on our recent findings. In addition, limited studies will be initiated on adipocytes, to explore a novel field of potentially high importance in chronic effects of environmental chemicals in general.