Når komplekse eksponeringer påvirker komplekse systemer: Behov for komplekse metoder i effektovervåkning Anders Goksøyr Institutt for biologi Universitetet i Bergen Miljøgiftkonferansen, KLIF/Oslo, 18.1.2012 1
We re exposed to lots of chemicals but at very low concentrations over time. We need tools to help us understand how complex exposures perturb complex systems. - William Suk Spivey A.(2004) Systems biology: the big picture. Environ Health Perspect. 2
Too Many Chemicals, Too Little Data About 10,000 Chemicals 10000 1000 100 10 1 60 50 40 30 20 10 0 IRIS TRI Pesticides Inerts CCL 1 & 2 HPV MPV «So many chemicals - so little data!» Repro Tox Office of Research and Development Acute Gentox Cancer Dev Tox Kevin Teichman, US EPA, at 2011 International Conference on Environmental Omics, Guangzhou, China Judson et al, EHP (2009) Kevin Teichman, US EPA, at 2011 International Conference on Environmental Omics, Guangzhou, China 3
Too Many Chemicals, Too Little Data About 10,000 Chemicals 10000 1000 100 10 1 60 50 40 30 20 10 0 IRIS TRI Pesticides Inerts CCL 1 & 2 HPV MPV «So many chemicals - so little data!» Repro Tox Office of Research and Development Acute Gentox Cancer Dev Tox Kevin Teichman, US EPA, at 2011 International Conference on Environmental Omics, Guangzhou, China Judson et al, EHP (2009) Kevin Teichman, US EPA, at 2011 International Conference on Environmental Omics, Guangzhou, China 3
Akutt toks. goodbye: Et paradigmeskifte i toksikologien 4
Akutt toks. goodbye: Et paradigmeskifte i toksikologien 100 % døde 75 50 25 LC50 0 log [dose] FRA: TIL: fokus på akutte effekter ved høye doser fokus på stoffenes evne til å påvirke hormonsystem og metabolsk balanse ved lave doser 4
Effekter på det biologiske system Ecosystem Society Population Organ Organism Molecule/cell Time 5
Effekter på det biologiske system Ecosystem Exposure Society Population Organ Organism Molecule/cell Time 5
Veier til giftighet Reseptorer / enzymer / proteiner, etc. Direkte molekylære interaksjoner Signalveiregulering / Genomikk Cellulære prosesser Vev / Organ / Organisme 6
Veier til giftighet Kjemisk forbindelse Reseptorer / enzymer / proteiner, etc. Direkte molekylære interaksjoner Signalveiregulering / Genomikk Cellulære prosesser Vev / Organ / Organisme 6
Veier til giftighet Reseptorer / enzymer / proteiner, etc. Direkte molekylære interaksjoner Signalveiregulering / Genomikk Cellulære prosesser Vev / Organ / Organisme 6
Alt henger sammen Single Cellular Tissue Organism Populations molecule Pathways Networks of interactions 7
Alt henger sammen Single Cellular Tissue Organism Populations molecule Pathways Networks of interactions Complexity Mechanistic 7
Tilpasning og kompensering i en toksisk respons Exposure Uptake- Delivery to Target Tissues Perturba4on Cellular response pathway Biologic inputs Normal Biological Func4on Adap4ve Early cellular changes Responses Cell injury, Inability to regulate Adverse Outcomes (e.g., mortality, Reproduc8ve Impairment) Adapted from Toxicity Testing in the 21 st Century, NRC 8
Tilpasning og kompensering i en toksisk respons Exposure Uptake- Delivery to Target Tissues Perturba4on Cellular response pathway Biologic inputs Normal Biological Func4on Adap4ve Early cellular changes Responses Biomarkører Cell injury, Inability to regulate Adverse Outcomes (e.g., mortality, Reproduc8ve Impairment) Adapted from Toxicity Testing in the 21 st Century, NRC 8
Vitellogenin (VTG) = biomarkør for hormonforstyrrende stoffer Østrogen-reseptor Vitellogenin Oocytt-utvikling/ovotestis Reproduksjonsevne/ Populasjonseffekter Figurer fra Arukwe & Goksøyr Comp Hepatol (2003) 9
Vitellogenin (VTG) = biomarkør for hormonforstyrrende stoffer Hormonhermer Østrogen-reseptor Vitellogenin VTG Oocytt-utvikling/ovotestis Reproduksjonsevne/ Populasjonseffekter Figurer fra Arukwe & Goksøyr Comp Hepatol (2003) 9
10
10
10
10
10
10
10
2011 EROD DNA-skade 11
Biomarkører kan identifiseres vha proteomikk - reflekterer effekter av produsert vann med høy følsomhet Bohne-Kjersem et al., Aq Tox (2010); Meier et al., MER (2010) Photo: J. Skadal and I. Rønnestad 12
Biomarkører kan identifiseres vha proteomikk - reflekterer effekter av produsert vann med høy følsomhet Bohne-Kjersem et al., Aq Tox (2010); Meier et al., MER (2010) Photo: J. Skadal and I. Rønnestad 12
Biomarkører kan identifiseres vha proteomikk - reflekterer effekter av produsert vann med høy følsomhet * * Bohne-Kjersem et al., Aq Tox (2010); Meier et al., MER (2010) Photo: J. Skadal and I. Rønnestad 12
Biomarkører kan identifiseres vha proteomikk - reflekterer effekter av produsert vann med høy følsomhet * * Bohne-Kjersem et al., Aq Tox (2010); Meier et al., MER (2010) Photo: J. Skadal and I. Rønnestad 12
Biomarkører kan identifiseres vha proteomikk - reflekterer effekter av produsert vann med høy følsomhet control low dose PW high dose PW * * medium dose PW E2 Bohne-Kjersem et al., Aq Tox (2010); Meier et al., MER (2010) Photo: J. Skadal and I. Rønnestad 12
Biomarkører kan identifiseres vha proteomikk - reflekterer effekter av produsert vann med høy følsomhet H L control C low dose PW high dose PW M * * medium dose PW E2 Bohne-Kjersem et al., Aq Tox (2010); Meier et al., MER (2010) Photo: J. Skadal and I. Rønnestad 12
Transcriptomics 60000 Annotation statistics Results interpretation No. of Sequences 50000 40000 30000 20000 10000 Bioinformatics 0 Total Blast Blast hits Mapping Annotations Contigs Singlets Biostatistics Microarray analysis G C T A G C T G C T A G C T G C T A G C T G C T A G C T G C T A G C T RNA extraction Exposure study Nettverksmøte, Finse 24.11.2011 4 13
Komplekse responser på flere nivå Initiating event Response perturbation Adverse effect Exposure Targets Receptor, Enzymes Membranes DNA Toxicogenomics Transcriptome Proteome Metabolome Interactome Effects Growth Development Metamorphosis Reproduction Death 14
Komplekse metoder gir svar Rager et al., EHP (2011) 15
Komplekse metoder gir svar Rager et al., EHP (2011) 15
Komplekse metoder gir svar Rager et al., EHP (2011) 15
Komplekse metoder gir svar Rager et al., EHP (2011) 15
Komplekse metoder gir svar Rager et al., EHP (2011) 15
Mekanismekunnskap gir koblinger mellom transkriptomdata og eksponering 16
Mekanismekunnskap gir koblinger mellom transkriptomdata og eksponering 16
Mekanismekunnskap gir koblinger mellom transkriptomdata og eksponering 16
Science (2008) 3R: - reduction - refinement - replacement 17
High Throughput Screening Chemical Exposure 18 Office of Research and Development HTS: High Throughput Screening 18
High Throughput Screening Chemical Exposure Robots 96-, 384-, 1536 Well Plates Cell Population Pathway Target Biology (e.g., Estrogen Receptor) 18 Office of Research and Development HTS: High Throughput Screening 18
High Throughput Screening Chemical Exposure Robots 96-, 384-, 1536 Well Plates Cell Population Pathway Target Biology (e.g., Estrogen Receptor) 18 Office of Research and Development HTS: High Throughput Screening 18
Predicting Toxicity and Disease ToxRefDB ToxCast Human Disease Office of Research and Development 19
Systems toxicology Genomics Transcriptomics Comparison MoA Proteomics Proteinomics Systems toxicology Weight of evidence Metabolomics Interactomics Hazard assessment Environmental monitoring Nettverksmøte, Finse 24.11.2011 5 20
Fortsatte forskningsbehov fenotypisk forankring av genomiske endepunkt eller mønstre til skadelige effekter forbedret genomkunnskap om arter relevant for økologisk risikovurdering bedre kunnskap om hvordan ikke-kjemiske miljøvariable påvirker genomiske responser utvikling av alment tilgjengelige toksikogenomiske databaser standardisering og validering av prøveinnsamling, analyser og datafortolkningsverktøy for bruk i risikovurdering utvikling og kommersialisering av kostnadseffektive løsninger til bruk i lab og feltundersøkelser Ankley et al., SETAC (2008) 21
Fortsatte forskningsbehov fenotypisk forankring av genomiske endepunkt eller mønstre til skadelige effekter forbedret genomkunnskap om arter relevant for økologisk risikovurdering bedre kunnskap om hvordan ikke-kjemiske miljøvariable påvirker genomiske responser utvikling av alment tilgjengelige toksikogenomiske databaser standardisering og validering av prøveinnsamling, analyser og datafortolkningsverktøy for bruk i risikovurdering utvikling og kommersialisering av kostnadseffektive løsninger til bruk i lab og feltundersøkelser løssalg og NOU 2010: 9 Et Norge uten miljøgifter NOU Norges offentlige utredninger 2010: 9 Et Norge uten miljøgifter Hvordan utslipp av miljøgifter som utgjør en trussel mot helse eller miljø kan stanses Ankley et al., SETAC (2008) 21
Hva har vi - Hva gjenstår? 22
Hva har vi - Hva gjenstår? Vi har: Forståelsen for hvordan komplekse systemer reagerer Kunnskap om komplekse metoder 22
Hva har vi - Hva gjenstår? Vi har: Forståelsen for hvordan komplekse systemer reagerer Kunnskap om komplekse metoder Vi mangler: Ferdige løsninger for miljøovervåking Standardisering og validering 22
Hva har vi - Hva gjenstår? Vi har: Forståelsen for hvordan komplekse systemer reagerer Kunnskap om komplekse metoder Vi mangler: Ferdige løsninger for miljøovervåking Standardisering og validering Hvem representerer «den bekymrete pasienten»? Regulatoriske krav driver frem løsningene 22
Takk til For lysbilder: Kevin Teichman, US EPA Nancy Denslow, U Florida, Gainesville, USA Knut-Erik Tollefsen, NIVA/UMB Finansiering: NFR, EU, Total, KLIF Studenter, stipendiater og kolleger ved UiB og andre steder 23