Moving from field studies to ex vivo models for understanding and predicting toxicological responses to multiple stressors in marine mammals

Menneskelig aktivitet truer i økende grad biologisk mangfold og økosystemer. En av de største truslene er kjemisk forurensning som marine rovdyr kan marine pattedyr akkumulere høye nivåer av i fettlagrene sine. I tillegg blir de påvirket av en rekke andre stressfaktorer, inkludert skipsfart, klimaendringer, ressursbegrensninger og generell forringelse av leveområdene deres. Eksponering for disse stressfaktorene kan føre til økt nivå av stresshormoner. Disse kroniske stressfaktorene kan sannsynligvis påvirke helsen og overlevelsen til marine pattedyr. Spekkhoggere og isbjørner er blant de mest forurensede dyrene på jorden. Spekkhoggere er også i fokus for en intens hvalturisme, mens isbjørner står i fronten for klimaendringer i Arktis. Endringer forårsaket av forurensninger, samt stress relatert til klimaendringer og hvalturisme, kan dermed samhandle og resultere i alvorlige helsekonsekvenser. Likevel er vår forståelse av responsen på forurensninger hos marine pattedyr fortsatt begrenset, og det mangler kunnskap om konsekvensene når dyr må håndtere flere stressfaktorer samtidig. Disse stressfaktorene kan ha innvirkning på fettvevets sammensetning og funksjon. Fettvev er et multifunksjonelt endokrint og komplekst organ som er involvert i en rekke fysiologiske prosesser som spiller nøkkelroller i helse og sykdom. Til dags dato bygger det meste av vår toksikologiske kunnskap på tradisjonelle tilnærminger, som består i å undersøke sammenhengen mellom konsentrasjonen av forurensninger og spesifikke helseindikatorer. Selv om denne tilnærmingen er verdifull, har den viktige begrensninger når det gjelder å etablere en mekanistisk forståelse og en årsakssammenheng mellom eksponering for forurensninger og helseproblemer. I SLICE suppler vi denne tilnærmingen med å utvikle en alternativ metodologi gjennom eks vivo-modellen. Praktisk sett vil vi eksponere små fettvevsbiter (<1 mm tykke) fra flere arter av marine pattedyr for en blanding av forurensninger og/eller stresshormoner. Dette for å etterligne andre stressfaktorer som klimaendringer eller hvalturisme i laboratoriet og deretter vurdere hvordan vevet reagerer. Vi vil spesielt undersøke endringer i genuttrykk og konsekvenser for energilagring. Vi planlegger også å utføre tradisjonelle korrelasjonsstudier for å sammenligne resultatene fra begge tilnærminger. Så langt har vi samlet inn biopsiprøver fra spekkhoggere og isbjørner, og forskningsspørsmålene i SLICE er utvidet til å inkludere flere hvalarter, inkludert spermhvaler, grindhvaler og knølhvaler. Ferske biopsier har blitt behandlet i laboratoriet rett etter prøvetaking, og vi har klart å sette opp metoden for å holde vevet i livet og funksjonelt. Frosne biopsier har også blitt analysert i laboratoriet for forurensnings- og fettsammensetning, og vi har begynt å analysere dataene. Prosjektmålene samt de første resultatene har blitt kommunisert til det vitenskapelige samfunnet, interessenter og et bredere publikum gjennom vitenskapelige publikasjoner, vitenskapelige konferanser og i en populærvitenskapelige artikkel i Fram Forum.

Marine mammals are relevant sentinels of oceans and human health. Arctic top predators, such as killer whales and polar bears, are among the most polluted species on Earth. They are also exposed to additional anthropogenic stressors such as climate change, resource limitations, habitat loss, and human coastal activities. However, cause-effect and mechanistic understanding in pollutants response in marine mammals remain poorly understood, and there is a lack of knowledge on the combined effects of multiple stressors. There is a need to develop alternative solutions and move from a reductionist perspective to a holistic and integrative strategy to understand the complex patterns of responses. In SLICE, we will combine experimental and field-based studies, together with the application of toxicogenomic approaches to advance the knowledge on toxicological responses to multiple stressors in killer whales and polar bears. We will develop an alternative methodology through an ex vivo adipose tissue slices model for both species and use it to characterize genome-wide transcriptional and lipidomics responses to pollutants and stress. This novel cost-effective ethically sustainable tool enables to test responses to pollutants and stress separately or simultaneously, which is an important step forward to deepen our understanding of toxicological responses to multiple stressors in marine mammals. In parallel, we will conduct correlative field studies to assess potential combined effects with pollutants and stress related to climate change for polar bears and whale tourism for killer whales. As charismatic megafauna, polar bears and whales have a strong potential to raise environmental awareness. Scientific knowledge generated by the project (and beyond) on threats of anthropogenic stressors will be communicated to the the scientific community, the public (focusing on young) and relevant stakeholders.