Synergismus bei der Neurotoxizität von Aluminium und Quecksilber
Holistische Gesundheit Heilung und AufklärungÜbersetzung mit Sprachtools.
Originallink:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6013271/
Aluminium und Quecksilber sind häufige neurotoxische Schadstoffe in unserer Umwelt – von der Luft, die wir atmen, über das Wasser, das wir trinken, bis hin zu den Lebensmitteln, die wir essen. Bemerkenswert ist, dass bisher weder diese beiden gut etablierten Umweltneurotoxine (dh solche mit allgemeiner Toxizität gegenüber Gehirnzellen) und Genotoxine (die Mittel, die eine gerichtete Toxizität gegenüber dem genetischen Apparat aufweisen) kritisch untersucht wurden, noch wurden ihre Neurotoxizitäten in der Humanneurobiologie oder in Zellen des menschlichen Zentralnervensystems (ZNS) untersucht. In diesem Papier berichten wir über die Auswirkungen von zugesetztem Aluminium [Sulfat; Al₂(SO₄)₃] und/oder Quecksilber [Sulfat; HgSO 4] auf humane neuronale-gliale (HNG)-Zellen in primärer Kokultur unter Verwendung der Evolution des proinflammatorischen Transkriptionsfaktors NF-kB (p50/p65)-Komplex als kritischen Indikator für das Einsetzen entzündlicher Neurodegeneration und pathogener Entzündungssignale. Indiziert durch eine signifikante Induktion des NF-kB (p50/p65)-Komplexes zeigen die Ergebnisse: (i) eine bemerkenswerte Zunahme der proinflammatorischen Signalgebung, die von jedem dieser beiden Umwelt-Neurotoxine an HNG-Zellen im Umgebungsbereich von 20–200 nM vermittelt wird ; und (ii) ein signifikanter Synergismus in der Neurotoxizität, wenn Aluminium (Sulfat) und Quecksilber (Sulfat) zusammen zugegeben wurden. Dies ist der erste Bericht über die neurotoxischen Wirkungen von Aluminiumsulfat und/oder Quecksilbersulfat auf die Initiierung von Entzündungssignalen in menschlichen Gehirnzellen in Primärkultur.Die Wirkungen von Aluminium+Quecksilber zusammen auf andere neurologisch wichtige Signalmoleküle oder die Wirkungen anderer Kombinationen üblicher metallischer Neurotoxine aus der Umwelt auf die menschliche Neurobiologie sind derzeit noch nicht gut verstanden, rechtfertigen jedoch sicherlich zusätzliche Untersuchungen und weitere Studien an Labortieren, in menschlichen Primärgewebekulturen des ZNS Zellen und in anderen neurobiologisch realistischen experimentellen Testsystemen.
Einführung
Entzündungen und Veränderungen der angeborenen Immunantwort sind die Vorläufer vieler neurologischer Erkrankungen des Menschen. Ein zentraler Mediator dieser Immun- und Entzündungsreaktion ist der proinflammatorische Transkriptionsfaktor NF-kB (p50/p65)-Komplex, der an der transkriptionellen Regulation von Hunderten von proinflammatorischen Genen beteiligt ist, die Zytokine, Chemokine, Immunrezeptoren, Zelladhäsionsmoleküle und kodieren proinflammatorische microRNAs [ 1 – 5]. Während die signifikante Hochregulation des NF-kB (p50/p65)-Komplexes für die Zelle nicht sofort tödlich ist, bedeutet sein Auftreten den Beginn und den Beginn einer normalerweise robusten proinflammatorischen Signalantwort, die der homöostatischen Gehirnzellstruktur stark nachteilig ist und Funktion. Es ist bekannt, dass solche Wege zur entzündlichen Neurodegeneration in vielen Arten von Zellen des Zentralnervensystems (ZNS) beitragen, was zu Hirnzellatrophie und fortschreitendem Zelltod führt [ 1 – 10 ]. Sowohl Quecksilber als auch Aluminium induzieren entzündungsfördernde Signale zum genetischen Apparat von Neuronen bei physiologisch realistischen nanomolaren (nM) Umgebungskonzentrationen [ 11 – 16]. Es scheint, dass von allen biologischen Zielen in Zellen der genetische Apparat besonders empfindlich auf die schädlichen Wirkungen von Quecksilber und Aluminium reagiert. Quecksilber stört beispielsweise Transkriptionskomponenten wie die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) und reguliert diese falsch, verändert die Transkriptionsraten und stört stark die DNA-Reparaturmechanismen [ 17 – 19]. In ähnlicher Weise verändert Aluminium (als Sulfat) die Transkriptionsraten von neuronenspezifischen Genen stark und vieles davon wird erreicht: (i) teilweise durch die Hochregulierung des NF-kB (p50/p65)-Komplexes; (ii) durch die direkte Hochregulierung schädlicher pro-inflammatorischer Gene; und (iii) durch die Hochregulierung von microRNAs und die anschließende Herunterregulierung von essentiellen und oft neuronal-spezifischen Gehirngenen des Gehirns [ 15 , 16 , 19 – 23 ].
In diesen Experimenten analysierten wir die Auswirkungen von Aluminiumsulfat und Quecksilbersulfat, entweder allein oder zusammen, auf ihre Fähigkeit, Entzündungssignale in menschlichen neuronalen Gliazellen (HNG) in Primärzellen zu induzieren, einer Neuronen-Gliazell-Cokultur, die häufig verwendet wird, um analysieren pathogene Krankheitsmechanismen wie die entzündliche Neurodegeneration als Vorstufe der Alzheimer-Krankheit (AD) [ 14 – 16 , 24]. Die Evolution des proinflammatorischen Transkriptionsfaktors NF-kB (p50/p65)-Komplex wurde als neurobiologischer Indikator für das Einsetzen einer pathogenen Entzündung verwendet. Dies ist der erste Bericht über die neurotoxischen Wirkungen von Aluminiumsulfat und/oder Quecksilbersulfat auf die Initiation einer entzündlichen Neurodegeneration in menschlichen Gehirnzellen. Die Ergebnisse zeigen eine starke Hochregulierung der Entzündungssignale sowohl durch Quecksilber als auch durch Aluminium und einen signifikanten Synergismus, wenn beide zusammen angewendet werden. Diese Arbeit hat sowohl eine hohe neurotoxikologische als auch umweltrelevante Relevanz, da eine Hochregulation der Entzündungssignale ein wichtiges Vorläuferereignis für viele häufige, fortschreitende und tödliche neurologische Erkrankungen des Menschen wie AD,und sowohl Aluminium als auch Quecksilber stellen zwei wichtige Arten von Neurotoxinen dar, die in unserer Umwelt und der Biosphäre, in der der Mensch lebt, angereichert sind.
Materialen und Methoden
Humane neuronal-gliale (HNG) Zellen in primärer Co-Kultur
Bei der ersten Passage kryokonservierte HNG-Primärzellen wurden aus kommerziellen Quellen bezogen und gemäß den Anweisungen des Herstellers kultiviert (Lonza PT-2599, Lonza Cell Systems, Allendale, NJ, USA oder Cell Systems, ACBRI 376, Kirkland, WA, USA). HNG-Zellen wurden an der Quelle negativ auf HIV-1, HBV, HCV, Mykoplasmen, Bakterien, Hefen und Pilze getestet; HNG-Zellen wurden ausgiebig für Studien über die Auswirkungen von Neurotoxinen auf die Genexpression im Gehirn verwendet; sie weisen besondere neuronale und astrogliale Zellmarker auf, einschließlich des glialen fibrillären sauren Proteins (GFAP; gliaspezifische grüne Färbung; λ max = 520 nm); neuronenspezifische β-Tubulin III (βtubIII; rote Färbung; λ max = 690 nm); und eine Kernfärbung (DAPI; Blau - Färbung; λ max = 470 nm) (Abbildung 1A). Kurz gesagt wurden HNG-Zellen als frei schwebende Aggregate (Neurosphären) in 75 cm 2 unbeschichteten Plastikflaschen in neuralen Vorläufer-Erhaltungsmedien (NPMM; Lonza CC-3209), ergänzt mit humanem rekombinanten Fibroblasten-Wachstumsfaktor (rhFGF), epidermalem Wachstumsfaktor [rhEGF ., gehalten ]), neuronaler Überlebensfaktor-1 [NSF-1] (Lonza CC-4242) und Gentamicin/Amphotericin-B (Lonza GA-1000). Die Differenzierung wurde durch Plattieren dieser Neurosphären auf 8-Well-Glaskammer-Objektträger, die mit Poly-L-Ornithin (ein Aminosäurepolymer, das als Substrat zur Verbesserung der HNG-Zelladhäsion verwendet wird) vorbeschichtet, induziert; Zellen wurden bei 37°C in einem befeuchteten 5% CO 2 . aufbewahrtAtmosphäre Inkubator zu jeder Zeit. Das Differenzierungsmedium (Lonza CC-4242) war frei von Wachstumsfaktoren, enthielt jedoch NSF und Gentamicin/Amphotericin-B, 25 ng/ml aus dem Gehirn stammender neurotropher Faktor (BDNF) und 1 % fötales Rinderserum (FBS). Nach dem Entzug von Wachstumsfaktoren begannen die Neurosphären, sich an den Bohrlochböden anzuheften und wanderten als nächstes heraus, um eine Co-Kultur von menschlichen Neuronen und Gliazellen (HNG) zu bilden. HNG-Zellen wurden 2 Wochen nach Induktion der Differenzierung verwendet; HNG-Zellen enthielten anfänglich etwa 5 × 10 5 Zellen/ml Volumen und wurden in HNG-Zellmedium bis zu einer Konfluenz von etwa 70 % kultiviert, wie im Detail beschrieben [ 14 – 16 , 24 – 32 ] (Abbildung 1A).
(A) primäre humane neuronale Glia (HNG)-Zellen nach ~2 Wochen in primärer Co-Kultur; die Zelldichte beträgt ungefähr 75% Neuronen und 25% Astroglia bei ~70% Konfluenz; Kokulturen von menschlichen primären neuronalen und glialen „Stützzellen“ werden verwendet, da menschliche neuronale Zellen sich selbst nicht gut kultivieren (28–32); HNG-Zellen sind dreifach gefärbt; neuronale Zellen werden mit neuronenspezifischem β-Tubulin (rot; λmax=690 nm) gefärbt, Gliazellen werden mit glialspezifischem glial fibrillary acidic Protein (GFAP; grün; λmax=525 nm) gefärbt und Kerne werden mit DAPI/ Hoechst 33258-Färbung (blau; λmax=470 nm); Fotovergrößerung ~30x; (B) ELISA-Ergebnisse, dargestellt im Balkendiagrammformat unter Verwendung eines NF-κB (p65)-Transkriptionsfaktor-Assays (Cat № 10007889 Kit; Cayman Chemical, Ann Arbor MI USA);https://www.caymanchem.com/pdfs/10007889.pdf ), um die Auswirkungen der Inkubation mit 0, 20, 50, 200, 500 oder 1000 nM Umgebungsaluminiumsulfat oder Quecksilbersulfat entweder allein oder zusammen zu messen; Der Nachweis von NF-kB p65 ist das Äquivalent des NF-kB p50/p65-Komplexes, da die p65-Untereinheit immer mit der p50-Untereinheit assoziiert ist und selten als diskrete Einzeleinheit gefunden wird [ 1 , 2 , 59 , 60]; Aluminium und Quecksilbersulfat zeigten zusammen unter den verwendeten Bedingungen eine synergistische Induktion des proinflammatorischen Transkriptionsfaktors NF-kB (p65); siehe Text für weitere Details); Experimente wurden N = 3 bis 5 Mal pro analysierter Konzentration durchgeführt; die Hintergrundablesung von 0,1 wurde bei '0 nM' auf der 'x'-Achse festgelegt, die für einen Vergleich mit allen anderen Niveaus verwendet wurde; eine gestrichelte horizontale Linie bei 0,1 wurde zum leichteren Vergleich hinzugefügt; * p < 0,05; ** p < 0,01, *** p < 0,001, ANOVA)
Neurotoxische Reagenzien – Aluminiumsulfat und Quecksilbersulfat
Reinstaluminiumsulfat [Al₂(SO₄)₃; wasserfreies Aluminiumsulfat, 99,99%; CAS-Nr.: 10043-01-3; Molekulargewicht 342,15 g/mol; Wasserlöslichkeit 364 g/l; Gesamtmetallverunreinigungen: 0,01% max; allgemein als Lebensmittelzusatzstoff und Wasserreinigungsmittel verwendet; http://www.generalchemical.com/assets/pdf/Dry_Alum_Food_Grade_PDS.pdf ; LD50 für Aluminiumsulfat bei Mäusen ~980 mg Al/kg) wurde von Alfa Aesar – Thermo Fisher Scientific (Kat.-Nr. 44563-06) bezogen und gemäß den Anweisungen des Herstellers solubilisiert ( https://www.alfa.com/en/ Katalog/044563/). Aus Aluminiumsulfat-Stammlösungen wurden 0, 20, 50, 200, 500 und 1000 nM Lösungen von NPMM, die Aluminiumsulfat enthielten, zu HNG-Kulturen gegeben und für 24 Stunden inkubiert, wonach die gesamten zellulären Kernproteine von HNG auf NF-κB (p65 ( ) Fülle. Die gesamten Kernproteine wurden mit einem CellLytic™ NuCLEAR™ Extraction Kit (Produkt Nr. NXTRACT; https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/SIGMA/NXTRACT?lang=en®ion=US ) extrahiert und wie zuvor beschrieben analysiert [ 20 , 24 ].
Quecksilber(II)sulfat (HgSO 4 .); Quecksilbersulfat; CAS-Nummer 7783-35-9; Molekulargewicht 296,65; pa, ACS-Reagenz, 99%) wurde als Sigma-Aldrich Puriss (Kat.-Nr. 31013; Sigma-Aldrich; Millipore Sigma; St. Louis MO, USA) erworben; Quecksilber(II)sulfat ist ein hochgradig neurotoxischer, geruchloser Feststoff, der weiße Körnchen oder kristallines Pulver bildet und in Wasser schwer löslich ist (0,051 g/100 ml bei 25℃); Quecksilber(II)sulfat hydrolysiert leicht in Wasser und trennt sich in das gelbe Quecksilbersubsulfat (Kat. Nr. 31013; Sigma-Aldrich; Millipore Sigma; St. Louis MO, USA). Was Aluminiumsulfat betrifft, wurden aus Quecksilber(II)-Sulfat-Stammlösungen 0, 20, 50, 200, 500 und 1000 nM Lösungen von NPMM, die Quecksilber(II)-Sulfat enthielten, zu HNG-Kulturen gegeben und für 24 Stunden inkubiert.zu diesem Zeitpunkt wurden die gesamten HNG-Zellnuklearproteine unter Verwendung der NXTRACT-Methodik wie oben isoliert und auf die Häufigkeit von NF-κB (p65) analysiert (https://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/docs/Sigma/Bulletin/nxtractbul.pdf ; https://www.epa.gov/sites/production/files/2016-09/documents/mercury-compounds.pdf ).
Assay für NF-kB (p50/p65) mit ELISA
Wir verwendeten Caymans NF-κB (p65) Transkriptionsfaktor-Immunabsorptions-ELISA-Testkit (Kat.-Nr. 10007889; Cayman Chemical, Ann Arbor MI, USA), eine nicht radioaktive, extrem empfindliche Methode zum Nachweis der spezifischen Transkriptionsfaktor-DNA-Bindungsaktivität in Kernextrakten und Ganzzelllysate (Nachweisgrenze 0,056 ng/ml). Beachten Sie, dass p65 selten als einzelne molekulare Einheit in Zellen gefunden wird, sondern immer mit NF-kB p50 komplexiert wird, wodurch das heterotypische NF-kB (p50/p65)-Dimer, auch bekannt als RELA, gebildet wird; praktisch die gesamte NF-kB (p65)-Untereinheit befindet sich im NF-kB (p50/p65)-Komplex [ 22 – 24 , 28]. In diesem Assay wird eine spezifische doppelsträngige DNA (dsDNA)-Sequenz, die das NF-kB (p50/p65)-Reaktionselement enthält, immobilisiert und NF-kB (p50/p65), das in einem Kernextrakt enthalten ist, bindet spezifisch an das NF-κB-Reaktionselement; anschließend wird NF-kB (p50/p65)) durch Zugabe eines spezifischen primären Antikörpers, der gegen NF- (B (p65) gerichtet ist, nachgewiesen und ein an HRP konjugierter sekundärer Antikörper wird hinzugefügt, um eine empfindliche kolorimetrische Anzeige bei ~450 nm bereitzustellen. Dieser Transkriptionsfaktor-Assay weist humanes NF-κB (p65) nach und wird nicht mit anderen NF-κB-Untereinheiten kreuzreagieren; Verfahren wurden zuvor ausführlich nach Herstellerangaben beschrieben [ 23 , 24 ].
Statistische Analyse, integrierte bioinformatische Analyse und Dateninterpretation
Für die NF-kB (p50/p65)-Abundanzanalyse wurden alle statistischen Verfahren unter Verwendung von ( p , Varianzanalyse (ANOVA) einer bidirektionalen faktoriellen Varianzanalyse unter Verwendung von Algorithmen und/oder Verfahren in der SAS-Sprache (Statistical Analysis Institute, Cary .) analysiert , NC, USA) und wie zuvor beschrieben [ 24 – 34 ] In den Ergebnissen waren p -Werte kleiner als 0,05 (ANOVA) statistisch signifikant Alle NF-kB (p50/p65)-Abundanzdaten wurden gesammelt und mit Excel 2016 analysiert (Office 365) Algorithmen (Microsoft Corporation, Redmond WA, USA); alle Abbildungen wurden mit Adobe Illustrator CC 2015 und Photoshop CC Version 14.0 (Adobe Corporation, San Jose, CA, USA) generiert.
Ergebnisse
Humane neuronal-gliale (HNG) Zellen in Primärkultur sind in Abbildung 1Abei etwa 70 % Konfluenz und bestehen aus etwa 75 % Neuronen (rot gefärbt) und 25 % astrogliale (grün gefärbt) Zellen; reine menschliche neuronale Zellen kultivieren sich nicht gut und benötigen die Anwesenheit von Astrogliazellen sowohl für die nutritive als auch für die biophysikalische Unterstützung [ 4 , 16 , 24 , 28 , 34 ].Abbildung 1Bzeigt die Ergebnisse im Balkendiagrammformat der NF-kB (p65)-Entwicklung als Reaktion auf die Behandlung von 0, 20, 50, 200, 500 und 1000 nM Aluminiumsulfat und Quecksilbersulfat, die entweder allein oder zusammen mit HNG-Zellen inkubiert wurden, bei der gleichen Konzentration . Interessanterweise beobachteten wir ein klassisches Dosis-Wirkungs-Profil für die Entwicklung von NF-kB (p65), nachdem 20, 50 und 200 nM Aluminium und Quecksilbersulfat zu HNG-Zellen hinzugefügt wurden; zum Beispiel bei 20 nM Aluminiumsulfat oder Quecksilbersulfat induziertes NF-kB (p65) ungefähr 4fach und ungefähr 2fach über dem Hintergrund; zusammen induzierten ~20 nM Aluminium und Quecksilbersulfat NF-kB etwa um das ~9-fache über dem Hintergrund. In ähnlicher Weise induzierte 50 nM Aluminiumsulfat oder Quecksilbersulfat NF-kB (p65) etwa 8,5-fach und etwa 3,5-fach über dem Hintergrund; zusammen induzierten 50 nM Aluminium und Quecksilbersulfat NF-kB etwa 23-fach über dem Hintergrund;und 200 nM Aluminiumsulfat oder Quecksilbersulfat induzierten NF-kB (p65) ungefähr 21-fach und ungefähr 5,6-fach über dem Hintergrund; zusammen 200 nM Aluminium und Quecksilbersulfat induzierten NF-kB etwa 54-fach über dem Hintergrund mit sehr hoher Signifikanz (Abbildung 1B). Daher zeigte die Untersuchung dieser NF-kB (p65)-Induktionsereignisse (i) einen signifikanten Anstieg der NF-kB (p65)-Induktion nach Aluminiumsulfat- oder Quecksilbersulfat-Inkubation; und (ii) eine signifikante synergistische Induktion von NF-kB (p65), wenn beide neurotoxischen Metalle zusammen hinzugefügt wurden. Während die Zugabe von 500 und 1000 nM Aluminiumsulfat oder Quecksilbersulfat in der Umgebung entweder allein oder zusammen weiterhin diese robusten Trends bei der NF-kB (p65)-Induktion und eine synergistische Wirkung zeigte, wenn beide neurotoxischen Metalle hinzugefügt wurden, waren die Reaktionen bei diesen höheren Dosen (500 und 1000 nM) stimmten nicht mit der Induktion von NF-kB (p65) bei niedrigeren Konzentrationen (20, 50 und 200 nM) überein.Über diesen Konzentrationseffekt der Aluminium-Neurotoxizität wurde zuvor berichtet, wo bei niedrigeren Umgebungskonzentrationen tatsächlich relativ robustere Effekte beobachtet wurden als bei höheren - und in den aktuellen Experimenten könnte dies auf die Anpassung der HNG-Plasmamembranbarriere an die Aluminiumexposition, die Sättigung von Aluminium, zurückzuführen sein Transport in kultivierte Gehirnzellen oder andere damit verbundene Off-Target-Effekte (siehe unten) [22 , 35 – 38 ].
Diskussion
Quecksilberbelastung und tägliche Aufnahme
Natürlich vorkommendes anorganisches Quecksilber mit einer durchschnittlichen Häufigkeit von nur 6,7×10 -6 Prozent der Erdkruste wird durch natürliche Prozesse wie vulkanische Aktivität und klimatologische Effekte weit verbreitet, jedoch hat die Verwendung von Quecksilber in industriellen Prozessen in den letzten Jahren deutlich zugenommen 70 Jahre [ 39 , 40]. Quecksilber wird derzeit bei der elektrolytischen Herstellung von Chlor und Natronlauge, in Elektrogeräten (Lichtbogengleichrichter, Quecksilberbatterien und Lampen), in industriellen und wissenschaftlichen Schaltern, Thermometern und Barometern verwendet. Quecksilber wird zur Verwendung als Fungizide, Antiseptika, Konservierungsmittel, Pharmazeutika, Elektroden, analytische Reagenzien, Dentalamalgame, Impfstoffe und Giftkonservierungsmittel sowie in einer überraschend großen Zahl von Volks- und Volksheilmitteln verwendet [ 41 – 43 ]. Insgesamt ist die allgemeine Verwendung von Quecksilber jedoch aufgrund von Umweltbedenken und der Erkenntnis seiner starken Neurotoxizität und Genotoxizität zurückgegangen. Quecksilbergehalte in der Luft reichen von 2–10 ng/m 3; die Quecksilberkonzentration im Trinkwasser ist mit durchschnittlich etwa 25 ng/L fast gleich wie im Regen; und die durchschnittliche tägliche Aufnahme von Quecksilber aus der Nahrung liegt im Bereich von 2–20 µg. Interessanterweise werden nur etwa 7–15% des über die Nahrung aufgenommenen Quecksilbers tatsächlich vom menschlichen Körper aufgenommen. Die Methylierung von anorganischem Quecksilber unter suboxischen oder anoxischen Bedingungen zu Methylquecksilber (MeHg) ist ein wichtiger Vergiftungsprozess und erfolgt in Böden, Sedimenten sowie in Süß- und Meerwasser durch die Einwirkung von Mikroben, insbesondere Methylierungsbakterien [ 40 – 44 ] . Pseudomonas , eine Gattung der gramnegativen Gammaproteobakterien, die zur Bakterienfamilie Pseudomonadaceae gehört, beispielsweise in Böden und in Mikrobiomen von Wasserorganismen beheimatet, können Quecksilber unter aeroben Bedingungen methylieren [ 43 ]. Methylquecksilber ist weitaus giftiger als anorganisches Quecksilber, und die Umweltkonzentrationen von Methylquecksilber hängen vom Gleichgewicht zwischen bakterieller Methylierung und Demethylierung ab. Bestimmte Arten von Meerestieren wie Makrele ( Scomber scombrus ), Schwertfisch ( Xiphias gladius ), Hai ( Carcharodon carcharias ) und Thunfisch ( Thunnus alalunga ) sowie Pflanzen wie Mais ( Zea mays) und Zuckerrohr ( Saccharum officinarum .)) sind natürliche Quecksilber-„Biomagnifier“; diese Organismen konzentrieren als normale Folge ihres Wachstums Umweltquecksilber oder Methylquecksilber [ 41 – 43 ].
In den aktuellen Experimenten wurde der Anteil von Quecksilber in Form von MeHg nicht bestimmt, und seine Bestimmung ist sowohl dynamisch als auch variabel und erfordert eine extrem toxische, gefährliche und komplexe Lösungschemie. Alle Formen von aufgenommenem Quecksilber, einschließlich MeHg, beeinträchtigen die Zellfunktionen, indem sie die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen durch seine hohe Affinität und Bindung an Sulfhydryl- und Selenhydrylgruppen, wie sie in den schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin vorkommen, verändern [ 40 – 42 ]. Während Quecksilber potenziell die Funktion von Geweben, Organen, Zellen, subzellulären oder nuklearen Strukturen beeinträchtigen kann, ist ein Hauptziel von Quecksilber das zentrale Nervensystem (ZNS) und das darin befindliche genetische Material [ 39 – 44]. Quecksilbersalze in Konzentrationen von nM induzieren nachweislich zelluläre Zytotoxizität, Neurotoxizität, Genotoxizität und ROS-Erzeugung, während sie die Sekretion von neurotoxischen Amyloid-beta-Peptiden in kultivierten Gehirnzellen erhöhen, wodurch sie zu den pathophysiologischen Mechanismen beitragen, die für den AD-Prozess charakteristisch sind [ 43 , 44 ]. Quecksilber wirkt zusätzlich auf das periphere Nervensystem (PNS), das Immun- und Entzündungssystem sowie auf endokrine, Nieren-, Muskel- und Hautfunktionen, die eine Quecksilber-vermittelte Kontaktdermatitis einschließen [ 39 , 41 – 43 ].
Aluminiumexposition und -aufnahme
Aluminium, das in der Umwelt am häufigsten vorkommende metallische Element, das etwa 8 % (w/v) der Erdkruste ausmacht, kommt natürlicherweise als Hydroxide, Oxide und Silikate vor und verbindet sich mit anderen Elementen wie Natrium und Fluorid und als Komplexe mit organischen Angelegenheit. Aluminiumsulfat [Al 2 (SO 4 ) 3 ] ist als „Klärungsmittel“ weltweit ein verbreiteter Trinkwasserzusatz. Aluminium gelangt als Hauptbestandteil von atmosphärischen Partikeln in die Erdatmosphäre, die aus landwirtschaftlichen Aktivitäten, Kohleverbrennung, natürlicher Bodenerosion, Tagebau oder Vulkanausbrüchen stammen. Die Konzentrationen von atmosphärischem Aluminiumstaub zeigen weit verbreitete zeitliche und räumliche Variationen und das luftgetragene Aluminium reicht von 0,0005 μg/m 3müber der Antarktis auf über 1 µg/m 3 in industrialisierten Gebieten [ 45 – 48 ]. Die natürlichen Aluminiumkonzentrationen in Gewässern variieren stark in Abhängigkeit von verschiedenen physikalisch-chemischen, mineralogischen und klimatologischen Faktoren. Gelöstes Aluminium in Wasser mit nahezu neutralen pH-Werten liegt beispielsweise typischerweise im Bereich von 0,001 bis 0,05 mg/l, jedoch können diese Werte in stärker angesäuertem Wasser oder in mit organischem Material angereichertem Wasser auf 0,5–1 mg/l ansteigen; bei der extremen Versauerung von Gewässern mit saurer Grubenentwässerung wurden gelöste Aluminiumkonzentrationen von bis zu 90 mg/L berichtet [ 45 – 48 ].
Aluminium kommt natürlicherweise in Lebensmitteln vor, durch die Verwendung von aluminiumhaltigen Lebensmittelzusatzstoffen oder durch Aluminiumkochgeschirr, -utensilien und -verpackungen; Zu den Nahrungsmitteln, die von Natur aus reich an Aluminium sind, gehören Kartoffeln, Spinat, Tee, verarbeitete Milchprodukte wie Käse, Mehl und Säuglingsnahrung. Die durchschnittliche Aufnahme von Aluminium durch den Menschen in den USA beträgt etwa 7,1–8,2 mg/Tag; diese stellen den Hauptweg der Aluminiumexposition für die allgemeine Bevölkerung dar, mit Ausnahme von Personen, die regelmäßig aluminiumhaltige Antazida und gepufferte Analgetika einnehmen, bei denen die Aufnahme bis zu 5 g/Tag betragen kann [ 49 – 51 ]. In biologischen Systemen, einschließlich transgenen Tiermodellen für AD (TgAD) ist Aluminium ein extrem potenter Induktor sowohl von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) als auch des proinflammatorischen Transkriptionsfaktors NF-kB p50/p65-Komplex [14 – 16 , 22 ].
Aluminium- und Quecksilberbelastung zusammen
Es gibt nur sehr wenig Forschung zur kombinierten Exposition von Aluminium und Quecksilber zusammen; Aufnahme von Wasser aus stark angesäuerten Seen (erhöhte Aluminiumbelastung) in Gebieten mit hoher industrieller Aktivität wie Batterieproduktion, Bergbau, Schmelzen, Zellstoff- und Papierproduktion und das Beizen von Textilien (erhöhte Quecksilberbelastung) kann einen " perfekten Sturm" erzeugen. für die kombinierte Aluminium+Quecksilberaufnahme und die synergistischen proinflammatorischen und neurotoxikologischen Effekte einer gleichzeitigen Exposition gegenüber diesen beiden Schadmetallen [ 35 , 36 , 51 – 56]. Bestimmte medizinische Verbindungen, einschließlich einiger Impfstoffe, Hauttestantigene, Antigifte (Antivenine), ophthalmische und nasale Produkte sowie Tätowierfarben enthalten die quecksilberorganische Verbindung Thimerasol (Merthiolat; Eli Lily) als etabliertes antiseptisches und antimykotisches Konservierungsmittel; Impfstoffe, die mit Aluminiumhydroxid-Adjuvanzien verabreicht werden, können beispielsweise auch Personen gleichzeitig sowohl aluminium- als auch quecksilberbasierten Neurotoxinen aussetzen [ 21 , 52 – 57 ]. Interessanterweise kann Aluminium in Lösung mit Quecksilber ein Amalgam bilden, das als chemisches Reagens zur Reduktion von Verbindungen, wie der Reduktion von Iminen zu Aminen, oder als experimenteller Bestandteil von Dentalamalgam verwendet werden kann [ 57 , 58 ].
NF-kB und Entzündungssignale
Die NF-kB-Familie von Transkriptionsfaktoren umfasst mehrere strukturell verwandte, pleiotrophe homo- oder heterodimere DNA-bindende Komplexe, einschließlich NF-kB (p50/p65); der heterodimere NF-kB p50-p65-Komplex scheint im menschlichen ZNS am häufigsten vorzukommen [ 59 – 61 ]. Mitglieder der NF-kB-Familie sind für die Hochregulierung von Dutzenden von Genen verantwortlich, einschließlich derer, die die entzündungsfördernden Zytokine, Chemokine, Immunrezeptoren, Zelladhäsionsmoleküle und microRNAs exprimieren [ 1 – 6 , 59 – 62]. Aus diesem Grund ist der NF-kB-Signalweg oft ein zentraler Mediator der Immun- und Entzündungsreaktion; seine Aktivierung stellt den gemeinsamen Endpunkt einer Reihe von Signaltransduktionsereignissen dar, die durch eine Vielzahl von Stimuli ausgelöst werden, die mit vielen biologischen Prozessen wie Apoptose, Zellwachstum, Differenzierung, angeborener Immunität, Entzündung, Tumorzellwachstum und dem Vorhandensein von ROS verbunden sind, die durch neurotoxische Metalle in der Umwelt [ 59 , 60]. Dimere NF-kB (p50/p65)-Komplexe werden typischerweise im Zytoplasma in einem inaktiven Zustand gehalten, komplexiert mit einem NF-kB-Inhibitor (I-kappa-B; IkB)-Protein; IkB wird als nächstes typischerweise durch IkB-Kinasen (IKKs) als Reaktion auf verschiedene Aktivatoren wie ROS aus verschiedenen Quellen phosphoryliert und anschließend abgebaut, wodurch ein aktiver NF-kB (p50/p65)-Komplex freigesetzt wird. Diese translozieren als nächstes in das Nukleoplasma, wo sie NF-kB-Merkmale der DNA erkennen und daran binden, typischerweise in der stromaufwärts gelegenen Promotor-DNA, und eine große Anzahl von NF-kB-empfindlichen Genen aktivieren [ 1 – 6 , 59 – 62]. Die 551-Aminosäuren-NF-kB-p65-Untereinheit, auch bekannt als RELA oder NFKB3, wird von einem 1473 Nukleotid-Gen kodiert, das sich auf humanem chr 1q13 befindet und enthält eine N-terminale REL-Homologiedomäne (RHD) und eine C-terminale Transaktivierungsdomäne (BISSCHEN); die RHD ist an der tatsächlichen DNA-Bindung, Dimerisierung und NF-κB/REL-Inhibitor-Interaktion beteiligt [ 1 , 2 , 59 , 60 ]. NF-kB p65 (RELA) wird neben NF-kB p50 in verschiedenen Zelltypen exprimiert, einschließlich Epithel-, Endothel- und neuronalen Geweben. Interessanterweise wird, wie unsere aktuellen Ergebnisse zeigen, der NF-kB (p65)-Komplex sowohl durch Aluminiumsulfat als auch durch Quecksilbersulfat und synergistisch durch Aluminiumsulfat und Quecksilbersulfat signifikant hochreguliert, und es wird ein Aktivierungsmechanismus vom ROS-Typ vermutet [14 – 16 ] (Abbildung 1B).
Nahrungsaufnahme durch Aluminium und Quecksilber: potenzielle Auswirkungen auf Krankheiten beim Menschen
Eine Reihe neuerer Studien unterstreichen die Auswirkungen von Aluminium und Quecksilber in unserer täglichen Ernährung und ihren möglichen Beitrag zu Neurotoxizität und menschlichen Krankheiten. Die Mobilisierung von Aluminium in unsere Umwelt und in unsere Ernährung aus mehreren Quellen und über mehrere Aufnahmemechanismen wurde ausführlich untersucht [ 14 – 17 , 21 , 22 , 46 , 48 , 50 – 56 , 63]. Die Zusammensetzung und Komplexität der Nahrung sind wichtig für die Aufnahme neurotoxischer Metalle, zum Beispiel kann der Gesamt-Quecksilberspiegel im Blut durch die Nahrungsaufnahme von stark verarbeiteten Lebensmitteln beeinflusst werden, und niedrigere anorganische Quecksilberspiegel im Blut sind mit niedrigeren Nüchternglukosespiegeln verbunden [ 64 ]. Es wurde gezeigt, dass wasserlösliche Formen von Quecksilber im Blut und Urin von Kindern auftreten, die sowohl beim Kochen als auch beim Trinken quecksilberverseuchtem Wasser ausgesetzt waren [ 65 ]. Höhere Blei- und Quecksilberwerte im Blut wurden mit der Schwere der sozialen und kognitiven Beeinträchtigungen bei autistischen Kindern korreliert [ 66]. Abundanz, Speziation und Komplexität der Darmmikrobiota, die teilweise auf der Nahrungsaufnahme und Nahrungsfaktoren wie Fruktose- und Ballaststoffaufnahme beruhen, haben ein erhebliches Potenzial, den Metabolismus von Methylquecksilber zu modulieren [ 67 – 69 ]. Interessanterweise zeigten weibliche C57BL/6J-Mäuse, die westliche Diäten mit hohem Fructosegehalt erhielten, eine veränderte Permeabilität des Gastrointestinaltrakts (GI) und eine Dysfunktion der GI-Barriere, die mit einer erhöhten systemischen Exposition gegenüber neurotoxischen Metallen korrelierte [ 70]. Es ist klar, dass es eine Vielzahl biochemischer und physiologischer Wege und Mechanismen gibt, die die neurotoxische Metallaufnahme aus der Umwelt über Ernährungsfaktoren modulieren, und diese können sowohl die Neurotoxizität als auch die Genotoxizität sowie die Initiierung und Entwicklung von Krankheiten beim Menschen verschlimmern.
Schlussfolgerungen
Eine wachsende Zahl von Untersuchungsergebnissen weist weiterhin darauf hin, dass die Umwelt- und Nahrungsaufnahme von Aluminium und Quecksilber auf viele Aspekte der menschlichen physiologischen und insbesondere neurobiologischen Dysfunktion zurückzuführen ist. Während die aktuelle Forschungsarbeit relativ einfache und unkomplizierte In- vitro-Experimente geben sie sicherlich Aufschluss über die Rolle von Aluminium und/oder Quecksilber (als Sulfate) entweder allein oder zusammen in menschlichen Gehirnzellen. Primäre HNG-Zellen sind ziemlich schwierig und zeitaufwendig zu kultivieren, aber es sind genau die gleichen Gehirnzelltypen, die von der entzündlichen Neurodegeneration angegriffen werden, die altersbedingte und tödliche neurologische Erkrankungen wie AD charakterisiert. Sowohl Aluminium- als auch Quecksilbersulfate haben, wie die meisten anderen Aluminium- und Quecksilberverbindungen, eine besonders komplexe wässrige Chemie, und ihre Häufigkeit, Komplexität und Speziation hängt von ihrer Metallionenkonzentration, dem wässrigen pH-Wert, der Lösungstemperatur, dem Vorhandensein anderer biologischer Liganden, der Wirtsgenetik und Epigenetik und andere stark wechselwirkende chemische, biophysikalische, biologische und Umweltfaktoren.
Zusammenfassend liefert die experimentelle Arbeit in diesem Artikel 3 neue Beobachtungen: (i) dass nanomolare Mengen von entweder Aluminiumsulfat [Al₂(SO₄)₃] oder Quecksilber(II)sulfat (HgSO 4; Quecksilbersulfat) induzieren signifikant den pro-inflammatorischen NF-kB (p65)-Aktivatorkomplex in HNG-Zellen in Primärkultur; (ii) dass Aluminiumsulfat und Quecksilbersulfat, wenn sie zusammen addiert werden, einen bemerkenswerten und signifikanten Synergismus in ihrer Aktivierung des NF-kB (p65)-Komplexes auf ein Vielfaches zeigen als den, den jedes Metallsulfat selbst induzieren könnte; und (iii) dass neurotoxische Metallsulfate, die über unsere Umwelt oder Nahrung erhältlich sind, besonders wirksam sind, den proinflammatorischen NF-kB (p65) Aktivatorkomplex zu induzieren. Von diesem induzierbaren Vorläufer pathogener Genexpressionsprogramme ist bekannt, dass er entzündliche Neurodegeneration und fortschreitende altersbedingte funktionelle Verschlechterung antreibt und somit den normalen, homöostatischen Betrieb des menschlichen ZNS stört.
Danksagung
Die Arbeit in diesem Beitrag wurde teilweise auf der Herbst-Seminarreihe des Vavilov Institute of General Genetics 2017 (Институт общей генетики имени Вавилова Осень 2017 Семинар серии) in Moskau, RUSSLAND Oktober 2017 und auf der Jahrestagung der Society for Neuroscience (SFN .) vorgestellt Diego CA, USA, November 2017. Aufrichtiger Dank gilt Drs F. Culicchia, W. Poon, K. Navel, C. Hebel, C. Eicken und dem verstorbenen Dr. JM Hill für hilfreiche Diskussionen auf diesem Forschungsgebiet, für kurze postmortale Intervalle des menschlichen Gehirns Gewebe oder Extrakte, für die erste Bioinformatik und Dateninterpretation und an D Guillot für fachkundige technische Unterstützung und medizinische Kunstwerke. Erforschung der microRNAs, proinflammatorischen und pathogenen Signalwege im Lukiw-Labor unter Einbeziehung des Mikrobioms, der angeborenen Immunantwort, Neuroinflammation und Amyloidogenese bei AD,Prionen und bei anderen neurologischen Erkrankungen und toxikologischen Aspekten von Umweltmetallneurotoxinen und -genotoxinen wurde durch ein uneingeschränktes Stipendium an das LSU Eye Center von Research to Prevent Blindness (RPB) unterstützt; das Louisiana Biotechnology Research Network (LBRN) und das NIH gewähren NEI EY006311, NIA AG18031 und NIA AG038834 (WJL).
