Interplay of bacterial endotoxins and transition metals in the inflammatory capacity of airborne particulate matter

Promovendus/a: Serena Moretti

Promotor(en): Sarah Lebeer

Endotoxinen of lipopolysachariden (LPS) maken deel uit van het buitenmembraan van gramnegatieve bacteriën en veroorzaken een sterke immuunrespons in mens. Als een component van fijnstof (particulate matter; PM), worden endotoxinen in verband gebracht met belangrijke negatieve gezondheidsgevolgen van PM. Deze doctoraatsstudie heeft tot doel het onderzoeken van de relatieve bijdrage van endotoxinen – geassocieerd met andere PM componenten – tot de immuunrespons, veroorzaakt door PM in een stedelijke omgeving (Antwerpen).

In eerste instantie werkten we mogelijke verbeteringen uit voor de bestaande collectie- en detectiemethoden van endotoxinen uit de omgevingslucht. Ons richtend op een meer microbiële aanpak, gebruikten we het Coriolis µ toestel voor luchtstaalname in plaats van luchtfilters. Er werden endotoxineconcentraties in Antwerpen gemeten (geometrisch gemiddelde van 4,49 EU m-3) die ongeveer 10 keer hoger waren dan die van filterstalen van de omgevingslucht in andere steden (bij benadering 0,44 EU m-3 in PM10). Deze endotoxineconcentraties werden gekwantificeerd met de recombinant Factor C (rFC) test, die recenter en duurzamer is dan de klassieke gouden standaard, de limulus amebocyte lysaat (LAL) test. De resultaten van de rFC test worden tevens minder beïnvloed door andere componenten uit PM. Ondanks deze voordelen was de correlatie tussen de rFC metingen van de endotoxineconcentratie in onze luchtstalen en de inductie van de ontstekingsmerkers (IL-1β, IL-8, TNFα) in de humane U937 macrofaagcellijn beperkt. Daarom werd een andere biologische test toegepast, gebaseerd op humane herkenning van endotoxinen via het aangeboren immuunsysteem door Toll-like receptor 4 (TLR4). Stalen genomen op plaatsen gekarakteriseerd door de aanwezigheid van stedelijk verkeer, verhoogden de activatie van TLR4 significant, vergeleken met de stalen van de industriële en groene plaatsen. Desondanks werden op alle plaatsen gelijkaardige hoeveelheden endotoxineconcentraties gemeten met de rFC test. Dus, vervolgens, onderzochten we hoe transitiemetalen de TLR4 test en de immuunrespons op PM konden beïnvloeden. De typische en abundante component van verkeersgerelateerde luchtvervuiling, ijzer, activeerde TLR4, in tegenstelling tot nikkel en kobalt waarbij in eerdere studies wel een activatie van TLR4 werd geobserveerd. Omdat PM en luchtvervuiling complexe mengsels zijn, werd de HEK hTLR4 cellijn blootgesteld aan zuivere endotoxinen (LPS) in combinatie met Fe2+. Hierbij werd een stijging tot 64% van biologische activiteit van de cellijn geobserveerd, terwijl Fe2+ zonder LPS geen respons veroorzaakte. In dit doctoraatsonderzoek toonden we dus aan dat, hoewel endotoxinen vaak worden gekwantificeerd voor de bepaling van de luchtkwaliteit, endotoxinetoxiciteit significant beïnvloed wordt door de compositie van de geassocieerde partikels. We stelden vast dat in het bijzonder ijzer, een van de meest abundante transitiemetalen in stedelijk PM, de endotoxineactiviteit beïnvloedt.