Dibenzofuran exposure: cellular and mitochondrial damage

Abstract

In the modern world, one of the main issues that mankind tries to control and improve, concerning its well-being, is health. In the last decades, several progresses have been achieved in order to improve health and also to increase overall lifespan. However, modern lifestyle also brought changes that continuously threaten health. In an “industrial” world, environmental pollution increased largely, and its effects are reflected deeply in disease development rates and incidence percentages. Human exposure to pollutants can occur via various pathways, including inhalation of contaminated air and dust, ingestion of contaminated water and food, dermal exposure to chemical or contaminated products, or fetal exposure during pregnancy. Dibenzofuran (DBF) is a “dioxin-like” chemical that is known to be toxic. This pollutant has been identified in tobacco smoke and listed as a pollutant of concern due to its persistence in the environment and potential for bioaccumulation; its exposure has been reported to cause reproductive injury, endocrine disruption and respiratory damage. Nevertheless and although the lung is a primary site of exposure for many inhaled chemical contaminants, studies about pollutants-induced toxic effects in lung function are scarce. In this work we tested the toxic effects of DBF in vitro in isolated mitochondria, organelles that play a central role in cell life and death. Mitochondria were isolated from lung, primary target organ of exposure to pollutants through inhalation, and from the liver, the main organ responsible for accumulating and metabolize xenobiotics. In the lung mitochondria, DBF caused a decrease in the mitochondrial phosphorylative efficiency and interfered with the mitochondria permeability transition (MPT) induction. Liver mitochondrial function was also impaired by DBF, which caused increased phosphorylative lag phase, reduced mitochondrial state 3 respiration, as well as disturbance of the calcium loading capacity and MPT. Moreover, we identified an interaction of DBF with the adenine nucleotide translocase (ANT), a mitochondrial component that is involved in both the phosphorylative system and in MPT induction. Exposure of lung epithelial cells A549 to the pollutant caused a reduction in cell proliferation, associated with a decreased mitochondrial activity (lower MTT reduction and reduced oxygen consumption rate) and impairment of ATP production. DBF exposure triggered autophagy in A549 cells probably as a cytoprotective mechanism. In summary, our results indicate that mitochondria are probably a target in DBF-induced toxicity. A decrease in the mitochondrial phosphorylative efficiency elicited by Dibenzofuran, with subsequent decrease in ATP content, are damaging results from exposure to Dibenzofuran; also inhibition of lung cell proliferation and mitochondrial activity, as well as autophagy triggering seem to be critical events in DBF-induced function impairment. Yet, further studies focused on understanding the upstream molecular mechanisms, by which metabolic pathways are deregulated, may ultimately help to develop therapeutic strategies and to prevent diseases related to pollutants exposure.

No mundo moderno de hoje, um dos principais aspectos que o Homem tenta controlar e melhorar, no que respeita ao seu bem-estar, é a sua saúde. Nas últimas décadas, vários progressos foram feitos de forma a conseguir melhorar a saúde e também aumentar a esperança media de vida. No entanto, o estilo de vida moderno trouxe também algumas mudanças que constantemente ameaçam a saúde. Numa sociedade dita “industrial”, a poluição ambiental aumentou grandemente; em consequência disso os seus efeitos refletem-se largamente nas taxas de desenvolvimento de doenças e percentagens de incidência. A exposição humana a poluentes ambientais pode ocorrer por diversas vias, nomeadamente inalação de ar contaminado e de poeiras, ingestão de comida e água contaminadas, exposição por contacto dérmico com químicos ou produtos contaminados, ou ainda exposição fetal durante a gravidez. O Dibenzofurano (DBF) é um composto químico semelhante a dioxinas, conhecido por ser tóxico. Este poluente foi identificado no fumo de tabaco e listado como um poluente preocupante devido às suas características de persistência no ambiente e potencial para bioacumulação. Foi já reportado que a exposição a DBF prejudica a reprodução, causa disrupção endócrina e dano respiratório. Contudo, e apesar de o pulmão ser um órgão primário de exposição a vários contaminantes químicos inalados, são ainda escassos os estudos sobre os efeitos tóxicos induzidos por poluentes na função pulmonar. Neste trabalho foram testados os efeitos tóxicos do DBF in vitro, utilizando mitocôndrias isoladas, desempenhando estes organelos um papel central na vida e morte celular. As mitocôndrias foram isoladas a partir de pulmão, órgão alvo da exposição a poluentes por inalação, e a partir de fígado, o principal órgão responsável por acumular e metabolizar compostos xenobióticos. Nas mitocôndrias de pulmão, a exposição a DBF causou uma redução na eficiência da fosforilação mitocondrial e interferiu com a indução de permeabilidade transitória mitocondrial (MPT). A função mitocondrial no fígado também foi inibida pela exposição a DBF, que causou um aumento da lag phase fosforilativa, redução do estado 3 da respiração mitocondrial, bem como um distúrbio na capacidade de retenção de cálcio pelas mitocôndrias e na indução de MPT. Além destes efeitos, foi identificada uma interação do DBF com o translocator de nucleótidos de adenina (ANT), um componente mitocondrial que está envolvido tanto no sistema fosforilativo como na indução de MPT. A exposição de células epiteliais pulmonares (células A549) ao poluente causou uma redução da proliferação celular, associada a um decréscimo na atividade mitocondrial (diminuição na redução de MTT e na taxa de consumo de oxigénio) e a uma diminuição da produção de ATP. A exposição a DBF despoletou nas células A549 mecanismos de autofagia, provavelmente como um mecanismo de proteção celular em resposta ao dano causado. Em síntese, os resultados indicam que a mitocôndria é provavelmente um alvo envolvido na toxicidade causada pela exposição a DBF. Um decréscimo da eficiência fosforilativa mitocondrial causado pelo DBF, com consequente decréscimo na quantidade de ATP, são efeitos danosos da exposição a este poluente. Também a inibição da proliferação de células pulmonares e da atividade mitocondrial, assim como a indução de autofagia, parecem ser fenómenos causados pela exposição a DBF e consequente dano. Porém, estudos adicionais focados na compreensão dos mecanismos moleculares que levam à desregulação de vias metabólicas são necessários, podendo contribuir para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas e para a prevenção de doenças relacionadas com a exposição a poluentes.