Die Gefahr der Bleiexposition bei vorgeburtlicher Neuroentwicklung

Während der pränatalen Periode beginnt der Fötus eine der komplexesten Strukturen in der Natur zu bilden, das menschliche Gehirn. Dieser Prozess wird als neuronale Embryogenese bezeichnet und ist einer der kompliziertesten Prozesse im pränatalen Leben. Der Prozess beruht auf der strengen Regulierung des Verhaltens der Zellen, aus denen das Gehirn besteht. Neuronale Stammzellen (NSC) spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des embryonalen Gehirns.

NSCs benötigen eine spezielle Umgebung, um ihre Funktion bei der neuralen Embryogenese, der Schaffung neuer Zellen zur Besiedlung des Nervensystems, erfüllen zu können. In einigen Fällen kann eine schädliche Umweltexposition jedoch zu einem abnormalen NSC-Verhalten führen. Die vorgeburtliche Bleiexposition ist einer dieser schädlichen Einflüsse, die die Mechanismen der NSC zur Bewältigung von Zellschäden überwältigen können. Infolgedessen können NSC-regulierte Prozesse in der neuralen Embryogenese beeinträchtigt werden, was häufig zu neurologischen Entwicklungsstörungen führt.

Bei der Befruchtung wird aus einer einzelnen Zelle eine Zellmasse gebildet, die sich später in mehrere Schichten aufteilt, aus denen alle Strukturen des menschlichen Körpers stammen. Dies gilt auch für das Zentralnervensystem. Es stammt aus einer der Schichten, die den Neuralschlauch bilden, den Vorläufer des Gehirns, des Hirnstamms und des Rückenmarks. Anfangs ist die Neuralröhre eher klein, aber aufgrund der Bildung neuer Zellen aus NSCs vergrößert sie sich allmählich. Später werden die Zellen im Neuralrohr auf verschiedene Funktionen spezialisiert, indem sie ihre zellulären und biochemischen Eigenschaften ändern. Wenn bei einem dieser Schritte etwas schief geht, können offensichtlich Entwicklungsstörungen des Gehirns auftreten.

Blei ist seit langer Zeit ein Teil der menschlichen Zivilisation. Erst in jüngster Zeit traten jedoch Mechanismen auf, durch die Blei negative Auswirkungen auf die Gesundheit hat. Blei ist für NSCs besonders schädlich, selbst wenn die Exposition minimal ist. Eine sehr geringe vorgeburtliche Bleiexposition wurde mit einem niedrigeren IQ, Aggressivität und anderen Problemen in Verbindung gebracht. Forschungsstudien haben auch gezeigt, dass vorgeburtliche Bleiexposition mehr Schaden verursacht als Exposition während der postnatalen Periode. Diese Ergebnisse wurden mit den Mechanismen der zellulären Schädigung von NSCs durch Blei in Verbindung gebracht. Die vorgeschlagenen Mechanismen beeinflussen wesentliche Zellfunktionen, die zu einem Anstieg der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und zu Veränderungen der DNA-Methylierung führen.

Reaktive Sauerstoffspezies sind Moleküle, die infolge der Zellatmung auf natürliche Weise vorkommen. Unter pathologischen Bedingungen können ihre Spiegel jedoch erheblich ansteigen. Eine chronische Bleivergiftung führt zu einer Erhöhung der ROS durch verschiedene Mechanismen. Unter diesen gibt es eine direkte Wirkung von Bleiionen auf die Proteine, die die ROS-Spiegel regulieren. Zusätzlich kann Blei den ROS-Spiegel indirekt durch Wechselwirkung mit Aminolevulinsäure, einem biochemischen Vorläufer für die Bestandteile von Hämoglobin, erhöhen. ROS kann verschiedene Strukturen in der Zelle beschädigen und dabei noch mehr ROS erzeugen. Zusätzlich sind ROS an der Signalübertragung des Zelltods und anderen zellulären Reaktionen beteiligt.

Die DNA-Methylierung ist einer der Mechanismen, die die Genexpression regulieren, und die Regulation der Genexpression ist eine der Grundlagen der Zelldifferenzierung. Es wurde gezeigt, dass die Exposition gegenüber Blei zu einer Veränderung der DNA-Methylierung führt, was wiederum mit der Hemmung der Differenzierung von NSCs verbunden ist. Durch Mechanismen, die noch nicht bekannt sind, verursacht Blei Veränderungen in den Methylierungsmustern in der Nähe von Genen, die stark mit der neuronalen Differenzierung verbunden sind.

Zellen bleiben während dieser Prozesse nicht passiv. Wie andere Zellen haben NSCs einen Mechanismus, mit dem sie vielen dieser schädlichen Ereignisse entgegenwirken. Eine der jüngsten Untersuchungen hat den Prozess untersucht, an dem das Protein Nrf2 beteiligt ist.

Nrf2 wurde direkt mit dem Schutzmechanismus von NSC gegen oxidativen Stress durch Bleiexposition in Verbindung gebracht. Nrf2 ist mit dem Protein KEAP1 im Zytoplasma assoziiert. Wenn die ROS-Spiegel ansteigen, trennt sich Nrf2 vom KEAP1, wandert zum Kern und bindet an bestimmte DNA-Regionen, die als Antioxidant Response Elements (AREs) bezeichnet werden.Bei der Nrf2-Bindung aktivieren AREs die Expression ihrer Zielgene, die für verschiedene Proteine ​​kodieren, die für die zelluläre ROS-Entgiftung verantwortlich sind.

Zusätzlich wurde kürzlich ein neues Nrf2-Ziel, das SPP1-Protein, identifiziert. SPP1 hat eine besondere Bedeutung bei der Läsion von NSC, da es durch In-vitro-Studien und durch die Assoziation von Mutationen in seiner kodierenden Gensequenz mit neurologischen Erkrankungen mit neuroprotektiven Eigenschaften in Verbindung gebracht wurde. Diese Effekte sind das Ergebnis des Signalmechanismus, der einen anti-apoptotischen und pro-proliferativen Prozess beinhaltet. Der Prozess führt zu kompensatorischen Reaktionen auf die Bleihemmung der NSC-Proliferation. Infolgedessen wurde SPP1 als Schutzmediator für die Neurotoxizität bei Bleiexposition vorgeschlagen.

Viele Krankheiten resultieren aus übermäßigen Zellschäden, an die sich die Zellen nicht anpassen können. Dies ist der Fall bei NSCs, bei denen wesentliche neurologische Entwicklungsprozesse durch Bleitoxizität verändert werden können. Obwohl NSCs mit Schutzmechanismen ausgestattet sind, sind sie oft nicht stark genug, um den schädlichen Umwelteinflüssen entgegenzuwirken. In solchen Fällen finden Veränderungen der neuralen Embryogenese, Proliferation und Differenzierung statt. Spezifische Veränderungen, die zu bestimmten neurologischen Manifestationen führen, müssen noch eingehend untersucht werden.

Unser besseres Verständnis der schädlichen Wirkung von Blei auf die pränatale Neuroentwicklung erfordert eine verstärkte Aufmerksamkeit, um zu vermeiden, dass zukünftige Mütter diesem toxischen Element ausgesetzt werden. Es wird angenommen, dass Millionen schwangerer Frauen auf der ganzen Welt regelmäßig hohen Bleikonzentrationen in Lebensmitteln und Trinkwasser ausgesetzt sind. Dies wirkt sich in vielen Ländern der Welt häufig auf die Gesundheit der jüngeren Generation aus.

Verweise

Peter J. Wagner, Hae-Ryung-Park, Zhaoxi Wang, Rory Kirchner, Yongyue Wei, Li Su, Kirstie Stanfield, Tomas R. Guilarte, Robert O. Wright, David C. Christiani und Quan Lu (2016) In-Vitro-Effekte von Blei zur Genexpression in neuralen Stammzellen und Assoziationen zwischen hochregulierten Genen und kognitiven Scores bei Kindern. Umweltgesundheitsperspektive; DOI: 10.1289 / EHP265

Temple S. (2001) Die Entwicklung neuronaler Stammzellen. Nature 414 (6859): 112 & ndash; 7. DOI: 10.1038 / 35102174

Senut MC, Sen A, Cingolani P, Shaik A, Land SJ, Ruden DM (2014) Die Bleiexposition stört die globale DNA-Methylierung in menschlichen embryonalen Stammzellen und verändert deren neuronale Differenzierung. Toxicol Sci. 139 (1): 142 & ndash; 61. DOI: 10.1093 / toxsci / kfu028

Seiji Ishii und Kazue Hashimoto-Torii (2015) Einfluss von vorgeburtlichem Umweltstress auf die kortikale Entwicklung. Vorderseite. Zelle. Neurosci. 9: 207. DOI: 10.3389 / fncel.2015.00207

Dieser Gastartikel erschien ursprünglich im preisgekrönten Gesundheits- und Wissenschaftsblog und in der Community zum Thema Gehirn, BrainBlogger: Wie vorgeburtliche Bleiexposition zu neurologischen Entwicklungsstörungen führt.