Neuro- and immunotoxic effects of fumonisin B1 in cells

Abstract

Fumonisin B1 (FB1) is a mycotoxin produced by the fungus Fusarium verticillioides, which commonly infects corn and other agricultural products. Fusarium species can also be found in moisture-damaged buildings, and therefore there may also be human exposure to Fusarium mycotoxins, including FB1. FB1 affects the metabolism of sphingolipids by inhibiting the enzyme ceramide synthase. It is neuro-, hepato- and nephrotoxic, and it is classified as possibly carcinogenic to humans.

This study aimed to clarify the mechanisms behind FB1-induced neuro- and immunotoxicity. Four neural and glial cell lines of human, rat and mouse origin were exposed to graded doses of FB1 and the effects on the production of reactive oxygen species, lipid peroxidation, intracellular glutathione levels, cell viability and apoptosis were investigated. Furthermore, the effects of FB1, alone or together with lipopolysaccharide (LPS), on the mRNA and protein expression levels of different cytokines and chemokines were studied in human dendritic cells (DC).

FB1 induced oxidative stress and cell death in all cell lines studied. Generally, the effects were only seen after prolonged exposure at 10 and 100 µM of FB1. Signs of apoptosis were also seen in all four cell lines. The sensitivities of the cell lines used in this study towards FB1 may be classified as human U-118MG glioblastoma > mouse GT1-7 hypothalamic > rat C6 glioblastoma > human SH-SY5Y neuroblastoma cells. When comparing cell lines of human origin, it can be concluded that glial cells seem to be more sensitive towards FB1 toxicity than those of neural origin.

After exposure to FB1, significantly increased levels of the cytokine interferon-γ (IFNγ) were detected in human DC. This observation was further confirmed by FB1-induced levels of the chemokine CXCL9, which is known to be regulated by IFNγ. During co-exposure of DC to both LPS and FB1, significant inhibitions of the LPS-induced levels of the pro-inflammatory cytokines interleukin-6 (IL-6) and IL-1β, and their regulatory chemokines CCL3 and CCL5 were observed. FB1 can thus affect immune responses in DC, and therefore, it is rather likely that it also affects other types of cells participating in the immune defence system.

When evaluating the toxicity potential of FB1, it is important to consider the effects on different cell types and cell-cell interactions. The results of this study represent new information, especially about the mechanisms behind FB1-induced oxidative stress, apoptosis and immunotoxicity, as well as the varying sensitivities of different cell types towards FB1.

Hyötykasvien hometartunnat ovat maanviljelijöiden ongelma ympäri maailmaa. Viime aikoina on kiinnitetty paljon huomiota myös kosteusvauriorakennusten homelöydöksiin. Mykotoksiinit ovat homeiden tuottamia yhdisteitä, jotka jo pieninä määrinä ovat ihmisille tai eläimille myrkyllisiä. Fumonisiini B1 (FB1) on Fusarium verticillioides nimisen homelajin tuottama toksiini. Sitä on löydetty enimmäkseen homehtuneesta maissista, mutta myös muista viljoista. Fusarium homeita esiintyy myös rakennuksissa, ja näin ollen kyseisten rakennusten asukkaat tai niissä työskentelevät henkilöt saattavat altistua Fusariumin tuottamille mykotoksiineille, kuten FB1:lle.

FB1 vaikuttaa soluihin estämällä eräiden solun lipiden, sfingolipidien, normaalia aineenvaihduntaa. FB1 aiheuttaa vakavia hermosto- ja keuhkotauteja, ja on maksa- ja munuaistoksinen sekä -karsinogeeninen eläimissä. FB1 on luokiteltu ihmiselle mahdollisesti syöpää aiheuttavaksi yhdisteeksi.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin mekanismeja, joilla FB1 vaikuttaa ihmisestä, hiirestä ja rotasta peräisin oleviin hermo- ja gliasolulinjoihin sekä ihmisen immuunipuolustuksen kannalta tärkeisiin dendriittisoluihin. Hermo- ja gliasoluja altistettiin FB1:lle, jonka jälkeen tutkittiin aiheuttaako tämä ns. oksidatiivista stressiä tai ohjelmoitua solukuolemaa soluissa. Pitkien altistusaikojen jälkeen soluissa voitiin havaita merkkejä oksidatiivisesta stressistä ja osa soluista kuoli. Eri solulinjojen herkkyys FB1:tä vastaan vaihteli kuitenkin selvästi. Ihmisestä peräisin olevien solulinjojen vertailussa ilmeni, että gliasolulinjat (hermotukisoluja) olivat paljon herkempiä FB1:n toksisille vaikutuksille kuin hermosolulinjat. Altistettaessa ihmisen dendriittisoluja FB1:lle yksin tai yhdessä lipopolysakkaridin (LPS; yleinen gram-negatiivisten bakteerien tuottama yhdiste) kanssa nähtiin, että sillä on vaikutusta tärkeiden välittäjäaineiden, sytokiinien ja kemokiinien, esiintymiseen. Immunologisten reaktioiden käynnistyksessä tärkeässä asemassa olevan interferoni-γ:n pitoisuudet soluissa nousivat, kuten myös sen säätelemän kemokiinin pitoisuudet. Toisaalta FB1 vähensi LPS:n nostamia tulehdusta edistävien sytokiinien ja kemokiinien pitoisuuksia.

FB1:tä voidaan pitää neuro- ja immunotoksisena yhdisteenä, mutta kattavan kuvan luominen FB1:n toksisista vaikutuksista esimerkiksi riskinarviointia varten vaatii lisätutkimuksia erityyppisillä soluilla.

Väittelijä on syntynyt Helsingissä, on opiskellut proviisoriksi Helsingin yliopistossa ja työskentelee tutkijana Työterveyslaitoksella.