Nicotine kan menselijke embryo's beschadigen op celniveau

Nicotine veroorzaakt wijdverspreide nadelige effecten op de ontwikkeling van het menselijk embryo op het niveau van individuele cellen, rapporteren onderzoekers 28 februari in het tijdschrift Stem Cell Reports. “Single cell sequencing” van embryoïde lichamen van menselijke embryonale stamcellen (hESC) onthulde dat 3 weken blootstelling aan nicotine de communicatie tussen cellen verstoort, de overleving van cellen vermindert en de expressie verandert van genen die kritieke functies zoals de contracties van de hartspiercellen.

De auteurs zeggen dat dit stamcelmodel nieuwe inzichten biedt in de effecten van nicotine op individuële organen en cellen bij de ontwikkeling van de foetus en kan worden gebruikt voor het optimaliseren van screening op toxiciteit van geneesmiddelen en omgevingsfactoren.

"Deze resultaten zijn vooral belangrijk omdat ze een wetenschappelijke basis vormen om het publiek, met name jonge vrouwen, te hoeden voor roken als ze zwanger zijn of het overwegen ", zegt senior auteur Joseph C. Wu (@StanfordCVI) van de Stanford University School of Medicine. "Nicotine in producten zoals tabak, e-sigaretten en nicotinegom kunnen een breed bereik hebben en schadelijk zijn op verschillende organen van een zich ontwikkelend embryo tijdens de zwangerschap."

Het roken van de moeder tijdens de zwangerschap is een reeële risicofactor voor aangeboren afwijkingen zoals miskraam, groeivertraging en premature geboorte. Het is nauw verbonden met langetermijn nadelige neurogedragingen, cardiovasculaire, respiratoire, endocriene en metabolische problemen bij de nakomelingen. Nicotine, het belangrijkste chemische bestanddeel van tabak, is primair verantwoordelijk voor het verhoogd risico. Helaas, de introductie en verspreiding van nieuwe tabaksproducten die nicotine bevatten, zoals e-sigaretten, de recente oorzaak van het stoppen van de tendens naar vermindering van tabaksgebruik.

Een groot aantal onderzoeken heeft de negatieve effecten van nicotine opgehelderd bij dieren, voornamelijk bij knaagdieren. Dierstudies hebben aangetoond dat blootstelling aan nicotine tijdens de zwangerschap nadelige effecten heeft op de ontwikkeling van de foetus. Maar als gevolg van de verschillen tussen soorten, blijft het twijfelachtig of dit onderzoek kan worden vertaald naar mensen. Terwijl andere studies de nicotine toxiciteit onderzocht hebben op menselijke cellen door massale RNA sequencing analyse, lieten deze conventionele studies niet toe om de effecten op eencellig niveau te onderzoeken. Resulterend blijven de effecten van nicotine op de menselijke embryonale ontwikkeling en de onderliggende moleculaire mechanismen slecht begrepen.

Om deze beperkingen aan te pakken, gebruikten Wu en zijn medewerkers “single cell RNA sequencing” om de effecten van 21 dagen blootstelling aan nicotine te analyseren op de transcriptomen van een totaal van 12.500 cellen gegenereerd uit hESC afgeleide embryoïde lichamen, welke 3D-aggregaten van verschillende types zijn van pluripotente cellen die aanleiding geven tot het vormen van de hersenen, het hart, de lever, bloedvaten, spieren en andere organen. Ze vonden dat de celoverleving afgenomen was, wat suggereert dat nicotine de ontwikkeling van het embryo kan beïnvloeden vanaf de preimplantatie fase.

Blootstelling aan nicotine verminderde ook de grootte van de embryoïde lichamen, verhoogde het niveau van schadelijke moleculen met name reactieve zuurstof soorten, en resulteerde in de afwijkende vorming en differentiatie van de embryoïde lichamen. Bovendien veranderde de blootstelling aan nicotine de celcyclus in een breed scala van progenitorcellen afgeleid van hESCs en veroorzaakte ontregelde cel tot cel communicatie, een ander schadelijk effect dat nog niet goed is onderzocht.

"Dit is belangrijk omdat we weten dat roken en nicotine het pathologisch risico verhogen op endocriene, reproductieve, respiratoire, cardiovasculaire en neurologische systemen die steunen op ingewikkelde en dynamische interacties tussen meerdere celtypen voor homeostase en werking," zegt Wu.

De onderzoekers vonden ook dat blootstelling aan nicotine leidt tot gewijzigde expressie van genen betrokken bij metaaltoxiciteit en mitochondriale functie, hersenziekten en verstandelijke beperkingen, ontwikkeling van de spieren en ziektes zoals longziekte en Ca2 + -gerelateerde aritmieën die de contractiliteit van hartspiercellen beïnvloeden.

"Een belangrijke implicatie van onze studie is dat we nu een nieuwe methode hebben gevalideerd voor het evalueren van het effect van geneesmiddelen en milieutoxiciteit op de menselijke embryonale ontwikkeling,"zegt Wu. "Maar een belangrijke beperking is dat we niet in staat zijn de fysiologie van het hele lichaam van een zwangere vrouw te recapituleren die differentiatie van hESCs in embryoïde lichamen gebruikt. Bijvoorbeeld, de invloed van lichaamsbeweging, stress, voedsel of hormonale veranderingen is niet vastgelegd in dit model."

In de toekomst zijn de wetenschappers van plan om verder de mechanismen te onderzoeken van nicotine geïnduceerde foetale geboorteafwijkingen. "We hopen dat dit zal leiden tot de ontdekking van nieuwe biomarkers die artsen kunnen helpen bij het voorkomen, diagnosticeren en behandelen van deze ziekten, "zegt Wu." Bovendien zijn wij van plan om gebruik te maken van ons hESC afgeleid embryoïde lichaamsmodel en single cell sequencing technologie om de bredere effecten van andere schadelijke omstandigheden zoals luchtvervuiling op de ontwikkeling van het menselijk embryo te onderzoeken.”

Vertaling: Andre Teirlinck