Sink- og arsen-indusert kjemokinfrigjøring og cytotoksisitet i humane bronkiale epitelceller

Abstract

Svevestøv eller partikulært materiale (PM) er assosiert med helseskader og utvikling og forverring av lungesykdommer som kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS), astma og lungekreft. I dette studiet har vi undersøkt eksponering for sink og arsen i en human epitelial cellelinje. Disse metallene har blitt vist å indusere helseskader hos mennesker både i form av komponenter i PM, og som metaller alene. Bronkiale epitelceller, BEAS-2B, ble eksponert for sink (Zn2+), arsenitt og arsenat. Cytotoksisitets-data etter farging med propidium iodid (PI) og Hoechst 33342 og analyse ved hjelp av fluorescensmikroskopi, viste at arsenitt induserte nekrose og apoptose ved lavere konsentrasjoner enn sink og arsenat. Videre induserte eksponering for arsenitt en opphopning av celler i mitose analysert ved fluorescensmikroskopi og flowcytometri. Dette indikerer en rolle for arsenitt i mitotisk arrest. Eksponering for arsenat ga også opphopning av celler i mitose, men ved høyere konsentrasjoner enn arsenitt. Sink, arsenitt og arsenat induserte en økning i CXCL8-frigjøring ved lavere konsentrasjoner enn induksjon av celledød. Både sink og arsenitt så ut til å aktivere mitogen-aktiverte protein kinaser (MAPK) fordi nivåene av fosforylerte ekstracellulær signal-regulert kinase (ERK) og p38 økte ved eksponering for metallene. Videre ga hemming av p38 en reduksjon av den metallinduserte CXCL8-frigjøringen til basale nivåer, mens hemming av ERK ga bare en delvis reduksjon. Dette indikerer en viktig rolle for MAPK i produksjon av CXCL8. Transkripsjonsfaktoren nukleær faktor kappa B (NF-κB) ble aktivert av begge metaller. Både sink og arsenitt induserte oksidativt stress målt ved økte nivåer av H2O2 (DCFD-HA), og O2 - (DHE), samt induksjon av heme oxygenase-1 (HO-1). Dette ble målt ved tilsvarende konsentrasjoner som ga maksimal CXCL8-frigjøring. Forbehandling med antioksidanten N-acetyl-L-cystein (NAC) reduserte CXCL8-frigjøringen indusert av sink og arsenitt. Dessuten ble også opphopningen av celler i mitose observert for arsenitt redusert. Difenylen iodonium (DPI), en NAD(P)H oxidase inhibitor, reduserte ikke CXCL8-frigjøringen, men reduserte opphopning av celler i mitose. En mulig additiv effekt ble observert ved kombinert eksponering av sink og arsenitt på CXCL8-frigjøring og cytotoksisitet. Kort oppsummert induserte eksponering for både sink og arsenitt inflammatoriske responser inkludert oksidativt stress, cytotoksisitet og CXCL8-frigjøring i bronkiale epiteliale lungeceller. Dette indikerer en mulig rolle for metallene i negative helseeffekter indusert av PM. Dannelse av frie oksidative radikaler, aktivering av MAPK og NF-κB er trolig involvert i inflammasjonsresponsene.

In the present study we have examined and compared effects of zinc- and arsenic compounds on epithelial lung cells. Both metals are present in particulate matter (PM) and have been demonstrated to exert adverse health effects on humans as components in PM and also as single elements. Human bronchial epithelial cells (BEAS-2B) were exposed to Zn2+, arsenite and arsenate. Experiments on cytotoxicity, determined by propidium iodide (PI) and Hoechst 33342 staining and fluorescence microscopy analysis, revealed that arsenite induced necrosis and apoptosis at lower concentrations than Zn2+ and arsenate. Furthermore, arsenite exposure induced an increase of cells in mitosis as demonstrated by fluorescence microscopy and flow cytometry, possibly indicating roles of arsenite in mitotic arrest. This was also observed for arsenate, but at higher concentrations. Zn2+, arsenite and arsenate induced an increase in CXCL8 release at lower concentrations than induction of cell death. Both Zn2+ and arsenite seemed to activate the mitogen-activated protein kinases (MAPKs), as the levels of phosphorylated extracellular signal–regulated kinase (ERK) and p38 were increased after the metal exposure. Furthermore, inhibition of p38 reduced the metal-induced CXCL8 release to basal level and inhibition of ERK partially reduced the CXCL8 release. These findings indicate roles of MAPKs in the release of CXCL8. Moreover, the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-κB) was activated by both metals. Zn2+ and arsenite both induced oxidative stress, as determined by measures of levels of H2O2 (DCFD-HA), O2 - (DHE) and induction of the stress-induced protein heme oxygenase-1 (HO-1) at concentrations that induced the maximum CXCL8 release. Pretreatment with the antioxidant N-acetyl cysteine (NAC) decreased the CXCL8 release induced by Zn2+ and arsenite and the number of cells in mitosis induced by arsenite. The NAD(P)H oxidase inhibitor diphenylene iodonium (DPI) did not reduce CXCL8 release, but decreased the number of cells in mitosis. Our data could also suggest an additive effect of the combined exposure of Zn2+ and arsenite on CXCL 8 release and cytotoxicity. In conclusion, both Zn2+ and arsenite induced inflammatory responses including oxidative stress, cytotoxicity and CXCL8 responses in epithelial lung cells, supporting a possible role of the metals in PM-induced adverse health effects. Formation of reactive oxygen species (ROS) and activation of MAPKs and NF-κB seemed to be involved.