Genexpressieprofielen als biomerker in humane biomonitoring: studie van tijdsgebonden variatie in genexpressie en relaties met blootstelling en effecten van milieuvervuiling

Achtergrond & doelstelling

Blootstelling van mens en milieu aan vervuilende stoffen kan leiden tot ernstige gezondheidseffecten zoals astma, allergie, kanker en sterfte. De relatie tussen milieu en gezondheid is echter zeer complex en het leggen van verbanden tussen milieudruk en gezondheidseffecten is niet eenvoudig. Van de meeste stoffen is de impact op milieu en gezondheid niet goed gekend. Bovendien treden gezondheidseffecten vaak pas jaren na blootstelling op (vb. astma, kanker). In het kader van een preventief milieu- en gezondheidsbeleid is er bijgevolg een sterke behoefte aan de ontwikkeling van nieuwe biomerkers van blootstelling en/of effect van milieuvervuilende stoffen, die reeds in een vroegtijdig stadium een indicatie geven van mogelijke gezondheidseffecten. Effectgerichte metingen in het kader van humane biomonitoring bieden hiervoor een goed kader. Dit onderzoek kadert dan ook in de groeiende vraag naar de ontwikkeling van nieuwe biomerkers van blootstelling of effect van milieuvervuilende stoffen.

Het effect van milieublootstelling op mens en dier doorloopt verschillende organisatorische niveaus gaande van moleculaire en biochemische veranderingen tot effecten op orgaanniveau en de uiting van ziektesymptomen. In een preventief milieu- en gezondheidsbeleid is de screening van zogenaamde ‘early warning’ merkers een essentieel onderdeel. De respons van een cel op de blootstelling aan een milieuvervuilende stof is gedeeltelijk toe te wijzen aan veranderingen in de expressie van genen. Het monitoren van genexpressieprofielen wordt bijgevolg aanzien als een veelbelovende aanpak binnen een humaan biomonitoringprogramma. Hierbij dienen wel de nodige bemerkingen te worden gemaakt. Zo is er nog een sterke nood aan validatiestudies en is de bruikbaarheid van genexpressieprofielen in een beleidscontext nog in volle ontwikkeling.

De studie van enkele of alle genen van een cel of weefsel op het niveau van DNA (genotype), mRNA (transcriptoom), metabolieten (metabonoom), of eiwitten (proteoom) wordt vaak toxicogenomica genoemd. Deze vroege, moleculaire veranderingen kunnen gebruikt worden om de reactie van een cel of weefsel na blootstelling aan milieuvervuilende stoffen te karakteriseren en mechanismen van toxiciteit te ontrafelen. Er wordt immers verondersteld dat de meeste schadelijke effecten een gevolg zijn van veranderingen op moleculair en biochemisch niveau. Ondanks het potentieel van grootschalige metingen van proteïne- (proteomics) en metabolietgehaltes (metabonomics), zijn deze technieken nog in volle ontwikkeling. Proteoom- en metabonoommetingen zijn momenteel dan ook niet aangewezen voor toepassingen in milieubeleidscontext. Meting van de expressie (mRNA) van enkele of alle genen van een organisme zijn echter wel al voldoende op punt gezet. Toepassingen van genexpressieanalyses in humane biomonitoring worden momenteel onderzocht in het kader van Europese (o.a. NewGeneris) en Amerikaanse projecten.

Om de mogelijke bruikbaarheid van genexpressiemetingen als gevoelige indicatie van blootstelling of effect van toxische stoffen te testen, is het erg belangrijk dat genexpressiedata gecombineerd worden met gegevens over blootstelling aan en/of effect van vervuilende stoffen. Deze relatie is tot op heden nog steeds slecht gekarakteriseerd en dient verder onderzocht te worden. Zo is het belangrijk een onderscheid te kunnen maken tussen compensatorische en adaptieve responsen enerzijds en genexpressiereacties die een aanduiding zijn van schadelijke, toxische effecten anderzijds. In dit kader is analyse van de expressie van het volledige genoom aan de hand van ‘full genome’ arrays een goede methode. Zo kunnen niet enkel verschillen in expressie van specifiek geselecteerde genen na blootstelling aan chemische stoffen onderzocht worden, maar kan tevens bestudeerd worden welke functionele pathways meer of minder tot expressie komen (gen ontologie analyses). Op deze manier kan informatie over het toxische werkingsmechanisme van de bestudeerde chemische stoffen verkregen worden. Door een uitgebreide statistische analyse van deze complexe datasets (blootstelling, genexpressie van het hele genoom, effectmerkers) kunnen genexpressiestudies dan ook een belangrijke bijdrage leveren aan de ontwikkeling van nieuwe biomerkers van effect van milieuvervuilende stoffen.

Om verbanden tussen milieudruk en gezondheidseffecten te kunnen leggen is het tevens belangrijk de tijdsvariatie in de expressie van genen na blootstelling aan chemische stoffen te karakteriseren. Uit proefdieronderzoek is herhaaldelijk gebleken dat het expressiegehalte van een aantal genen erg varieert in functie van de duur van blootstelling aan chemische stoffen, terwijl andere genen een meer constante expressie vertonen. De meeste experimenten bestuderen echter enkel korttermijn-variatie (uren, dagen, soms weken). Ook de genexpressieresultaten uit de biomonitoringcampagne van het eerste generatie steunpunt Milieu en Gezondheid (2001-2006) bleken sterk afhankelijk te zijn van de datum van staalname. Hierbij dient wel opgemerkt te worden dat deze variatie niet in dezelfde personen werd bestudeerd, maar werd afgeleid door per gebied het gemiddelde expressiegehalte van elk gen op verschillende staalnametijdstippen (2-4 dagen) te vergelijken. Hiervoor werden per staalnamedag weliswaar mensen uit dezelfde gemeente bemonsterd, maar op de verschillende staalnamedagen werden andere gemeentes geselecteerd, waardoor naast tijdsvariatie tevens variatie tussen personen en tussen gemeentes (uit hetzelfde aandachtsgebied) kon optreden.

De doelstellingen van deze studie zijn onderzoek naar (1) de tijdsvariatie van genexpressieprofielen en (2) de relatie tussen genexpressieprofielen en biomerkers van blootstelling en effect van milieuvervuilende stoffen.

Deze studie is geen puur fundamenteel onderzoek, maar beoogt een bijdrage te leveren tot de identificatie van gevoelige merkers van schadelijke effecten die in een vroegtijdig stadium reeds een indicatie geven van gezondheidseffecten.

De beleidsbruikbaarheid van genexpressieprofielen in het kader van een humaan biomonitoringmeetnet zal besproken worden aan de hand van de verkregen resultaten en een studie van literatuurgegevens.

Uiteindelijk moeten de bevindingen en observaties uit deze opdracht leiden tot het formuleren van beleidsaanbevelingen ten aanzien van het milieubeleid en/of andere beleidsentiteiten. De mogelijkheden, beperkingen en kennishiaten van genexpressieonderzoek voor milieubeleid moeten besproken worden.

Resultaten

In het kader van een preventief milieu- en gezondheidsbeleid is er een sterke behoefte aan de ontwikkeling van nieuwe biomerkers van blootstelling en/of effect van milieuvervuilende stoffen, die reeds in een vroegtijdig stadium een indicatie geven van mogelijke gezondheidseffecten. Het meten van genexpressie in perifeer bloed met behulp van microarray is een aantrekkelijk concept. De onderliggende hypothese is dat circulerend bloed de fysiologische respons weerspiegelt van een organisme en dat deze bloedcellen, en meer specifiek lymfocyten, hun transcriptoom (genexpressieprofiel) aanpassen in functie van de gezondheidstoestand van de gastheer. Het monitoren van genexpressieprofielen wordt bijgevolg aanzien als een veelbelovende aanpak voor de identificatie van gevoelige biomerkers binnen een humaan biomonitoringprogramma. Deze studie beoogt een bijdrage te leveren tot de identificatie van gevoelige merkers van schadelijke effecten die in een vroegtijdig stadium reeds een indicatie geven van gezondheidseffecten. In een eerste werkpakket (WP1) werd een literatuurstudie gemaakt van de mogelijkheden en moeilijkheden bij het gebruik van genexpressie als biomerker in de humane milieu-biomonitoring, en de mogelijke voordelen ten opzichte van traditionele biomerkers. Een belangrijke vereiste om genexpressie te gebruiken in biomonitoring is dat de normale transcriptionele variabiliteit gedocumenteerd is. Hierbij is het belangrijk om de variatie te karakteriseren op populatieniveau, maar ook tijdsgebonden variatie op individueel niveau. Enkel indien dergelijke achtergrondwaarden bekend zijn, kan bij genexpressieprofielen bekomen na blootstelling aan polluenten nagegaan worden of er een significante verhoging of verlaging is van genexpressie. In deze studie werd de stabiliteit van genexpressie in bloed in functie van tijd werd onderzocht op basis van gegevens van een studiepopulatie van gezonde volwassenen. Korte en lange termijn variabiliteit in genexpressie werd beschreven en geanalyseerd in werkpakket 2. De nadruk werd gelegd op seizoensinvloed en invloed van geslacht. In een derde onderzoeksluik (WP3) werd de impact van polluentblootstelling op genexpressie onderzocht. De beleidsbruikbaarheid van genexpressieprofielen in het kader van een humaan biomonitoringmeetnet wordt besproken in WP4.

De studie gaf aan dat in een milieu gezondheidscontext het meten van genexpressie veelbelovend is maar nog niet zo ver ontwikkeld als voor klinische toepassingen. De technologie blijkt robuust te zijn maar er is een voortdurende evolutie op he vlak van dataverwerking en interpretatie. De korte termijn en seizoensvariabiliteit van individuele genen werd gedocumenteerd in een onderzoek bij gezonde jonge volwassenen. Blootstellings- effectrelaties werden geobserveerd waarbij de respons vaak geslachtsspecifiek bleek. De technologie is inzetbaar in een biomonitoringscontext als “ early warning signaal “ voor complexe blootstelling, maar de interpretatie van de betekenis voor de gezondheid vraagt verdere opvolging.

Rapport

Download het eindrapport voor de studie "Genexpressieprofielen als biomerker in humane biomonitoring" (pdf, 181 bladzijden, 5,9MB)