Role of placental transporters in fetal exposure to toxic environmental chemicals

Abstract Exposure to contaminants via diet, air, drinking water and lifestyle is unavoidable and suspected to harm human health. Contaminant exposure has been connected to cancer, infertility, metabolic changes and fetotoxicity after in utero exposure. The placenta was previously thought to protect the fetus from harmful agents, while more recent studies have shown, that practically all pharmaceutical drugs and environmental contaminants cross the placenta. In addition to passive transfer, there are active transport systems for the transport of physiological and waste products across the cell membranes. Such membrane transporters include the ATP-binding Cassette (ABC) and the Solute Carrier Transporter (SLC) protein families. They are expressed in barrier tissues such as kidneys, intestine, blood-brain barrier and placenta. Some of them are known to transport xenobiotics and in some cases act as a protective mechanism. In this study, the kinetics of the environmental contaminants perfluoro octane sulfonic acid (PFOS) and perfluoro octanoic acid (PFOA), and the food-borne carcinogen 2-Amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine (PhIP) were studied in a human placental ex vivo perfusion model. The effects of heavy metals MeHgCl, CdCl2 and PbCl2 on transporter protein expression and their function were also studied. PFOS, PFOA and PhIP passed through the placenta in placental perfusion, the transfer rate of PhIP being faster than that of PFOS and PFOA. The concentrations of none of these compounds were equilibrated during the perfusion, and the transporter proteins ABCG2 and OAT4 were found to decrease the transfer rate in placental perfusion system. The effect was clearest in the placental kinetics of PhIP. When the activity of ABCG2 was inhibited, the concentration in the fetal circulation increased to the same level as in the maternal circulation during the perfusion. In addition, a high concentration of CdCl2 was confirmed to decrease the function of the ABCG2 transporter in the uptake assay with BeWo choriocarcinoma cells, similar to the ABCG2 inhibitor Fumitremorgin C, possibly leading to increased transport of substrates through the placenta. In conclusion, the placenta can be a target tissue for toxicity and both the expression levels and function of the transporters may be affected. Toxic agents may interfere with the fetoprotective function of the placental transporter proteins, leading to altered transport of physiological and environmental substrates. This may lead to increased exposure to other contaminants.Tiivistelmä Ihmiset altistuvat väistämättä ympäristön haitallisille aineille ravinnon, hengitysilman ja elintapojen kautta. Ympäristön kemikaalien on huomattu olevan yhteydessä mm. syöpään, hedelmättömyyteen ja metabolisiin muutoksiin, mutta ne voivat aiheuttaa myös sikiön epämuodostumia raskaudenaikaisen altistumisen seurauksena. Istukan luultiin pitkään suojaavan sikiötä vierasaineilta, mutta nykyisin tiedetään monien lääkkeiden ja vierasaineiden kykenevän kulkeutumaan sen läpi. Ihmisen solukalvoilla on kuljetusproteiineja, jotka välittävät niin fysiologisten aineiden, kuin aineenvaihdunnan tuloksena syntyvien aineiden kuljetusta solukalvojen yli. Tällaisia kalvoproteiineja ovat mm. ATP Binding Cassette (ABC)- ja Solute Carrer Transporter (SLC) proteiiniperheet. Näitä proteiineja ilmentyy ihmisellä niin munuaisissa, suolistossa, aivoissa, kuin istukassakin. Joidenkin näistä proteiineista on osoitettu kuljettavan myös vierasaineita toimien joissakin tapauksessa toksisilta aineilta suojaavana tekijänä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin ympäristöperäisten aineiden, perfluoro-oktaani sulfonihapon (PFOS) ja perfluoro-oktaanihapon (PFOA), sekä ruoan karsinogeenin 2-Amino-1-methyyli-6-fenylimidatso[4,5-b]pyridiinin (PhIP) kinetiikkaa ihmisen istukassa ex vivo. Soluviljelymalleissa tutkittiin lisäksi MeHgCl, CdCl2 ja PbCl2 vaikutusta kuljetusproteiinien ilmentymiseen sekä toimintaan. PFOS, PFOA ja PhIP kulkeutuivat istukan läpi, ja näistä PhIP:n istukan läpäisevyys oli nopeinta. Äidin ja sikiön nestekierroista mitatut pitoisuudet eivät täysin tasoittuneet ja istukan kuljetusproteiineilla todettiinkin olevan sikiön altistumista vähentävä rooli. Selkeimmin tämä näkyi PhIP:n kinetiikassa. Kun istukkaperfuusiossa käytettiin istukan kuljetusproteiini ABCG2:n estäjää, PhIP:n pitoisuudet sikiön- ja äidinpuoleisissa nestekierroissa pitoisuudet tasoittuivat. Lisäksi CdCl2:n todettiin suurena pitoisuutena estävän ABCG2 kuljetusproteiinin toimintaa BeWo istukkasyöpäsoluissa ja CdCl2 voisi siis tämän työn perusteella lisätä istukan läpäisevyyttä myös muille toksisille aineille. Ympäristöperäiset aineet voivat sikiötoksisuuden lisäksi vaikuttaa myös suoraan istukkaan. Kuljetusproteiinien pitoisuudet voivat joko nousta tai laskea altistuksen seurauksena. Istukan kuljetusproteiinien sikiötä suojaava vaikutus voi myös häiriintyä altistuttaessa samaan aikaan useille ympäristön toksisille aineille