Ozone increases plasma kynurenine-tryptophan ratio and impacts hippocampal serotonin receptor and neurotrophic factor expression: Role of stress hormones

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dc.contributor.author

Rose, Mercedes

Filiatreault, Alain

Guénette, Josée

Williams, Andrew

Thomson, Errol M.

dc.date.accessioned

2024-03-12T19:34:27Z

dc.date.available

2024-03-12T19:34:27Z

dc.date.issued

2020-04-05

dc.description - en

Health Canada conducts studies to assess potential health impacts of exposure to air pollutants. Health Canada scientists have shown that breathing in air pollutants increases the levels of stress hormones called glucocorticoids in the blood. High glucocorticoid levels have been linked with a number of brain disorders, including declines in cognition, dementia, and depression. In the present study, Health Canada scientists studied how air pollution can affect the hippocampus, a part of the brain that is important in the development of these disorders. They measured changes in the brain and blood of rats who breathed air or the common pollutant ozone, and examined whether these effects were due to glucocorticoids. They found that ozone decreased levels of factors in the brain that are important for the health of neurons, as well as decreasing levels of the serotonin precursor tryptophan in the blood. Some of these effects were linked to glucocorticoids, and some were not. This study shows that air pollutants cause changes in the blood and brain that have been linked with brain disorders, and that the stress response system of the body is involved in some of these effects. The work provides mechanistic support for studies conducted in the Canadian population examining links between exposure to air pollution and effects on the brain.

dc.description.abstract - en

Air pollution is associated with adverse impacts on the brain, including cognitive decline and increased incidence of dementia, depression and anxiety; however, underlying mechanisms remain unclear. We have shown that both ozone and particulate matter activate the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, increasing plasma glucocorticoids and altering mRNA profiles in multiple tissues including the brain. HPA axis dysregulation has been associated with central nervous system impacts, including key effects in the hippocampus; accordingly, we hypothesized that pollutant-dependent increases in glucocorticoid levels impact biological pathways relevant to brain health. Fischer-344 rats were treated with metyrapone (0 or 50 mg/kg), a glucocorticoid synthesis inhibitor, and exposed to ozone (0 or 0.8 ppm) for 4 h (n = 5/group) to investigate the role of glucocorticoids in ozone-dependent effects on tryptophan metabolism and expression of serotonin receptors and neurotrophic factors. Ozone increased plasma levels of the tryptophan metabolite kynurenine (~2-fold) and decreased tryptophan levels (~1.2 fold). Hippocampal expression of serotonin receptors exhibited differential regulation following exposure, and expression of key neurotrophic factors (brain-derived neurotrophic factor, vascular endothelial growth factor A, insulin-like growth factor-1, tyrosine kinase receptor B, b-cell lymphoma 2) was decreased. Some, but not all effects were abrogated by metyrapone treatment, suggesting both glucocorticoid-dependent and -independent regulation. Exposure to exogenous corticosterone (10 mg/kg) followed by clean air reproduced the ozone effects that were blocked with metyrapone, confirming the specificity of effects to glucocorticoids. These results indicate that ozone can modify pathways relevant to brain health and establish a role for the HPA axis in mediating these effects.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

La pollution de l’air est associée à des effets néfastes sur le cerveau, notamment un déclin cognitif et une incidence accrue de démence, de dépression et d’anxiété ; cependant, les mécanismes sous-jacents restent flous. Nous avons montré que l'ozone et les particules activent l'axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HPA), augmentant les glucocorticoïdes plasmatiques et modifiant les profils d'ARNm dans plusieurs tissus, y compris le cerveau. La dérégulation de l'axe HPA a été associée à des impacts sur le système nerveux central, notamment des effets clés sur l'hippocampe ; en conséquence, nous avons émis l’hypothèse que les augmentations des niveaux de glucocorticoïdes dépendantes des polluants ont un impact sur les voies biologiques liées à la santé du cerveau. Des rats Fischer-344 ont été traités avec de la métyrapone (0 ou 50 mg/kg), un inhibiteur de la synthèse des glucocorticoïdes, et exposés à l'ozone (0 ou 0,8 ppm) pendant 4 h (n = 5/groupe) pour étudier le rôle des glucocorticoïdes dans l'ozone. -effets dépendants sur le métabolisme du tryptophane et l'expression des récepteurs de la sérotonine et des facteurs neurotrophiques. L'ozone a augmenté les taux plasmatiques du métabolite du tryptophane, la kynurénine (~ 2 fois) et a diminué les taux de tryptophane (~ 1,2 fois). L'expression hippocampique des récepteurs de la sérotonine a montré une régulation différentielle après l'exposition, et l'expression de facteurs neurotrophiques clés (facteur neurotrophique dérivé du cerveau, facteur de croissance endothélial vasculaire A, facteur de croissance analogue à l'insuline-1, récepteur de la tyrosine kinase B, lymphome à cellules B 2) était diminué. Certains effets, mais pas tous, ont été abrogés par le traitement à la métyrapone, ce qui suggère une régulation à la fois dépendante et indépendante des glucocorticoïdes. L'exposition à la corticostérone exogène (10 mg/kg) suivie d'un air pur reproduit les effets de l'ozone bloqués par la métyrapone, confirmant la spécificité des effets aux glucocorticoïdes. Ces résultats indiquent que l'ozone peut modifier les voies pertinentes pour la santé du cerveau et établir un rôle pour l'axe HPA dans la médiation de ces effets.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada mène des études pour évaluer les effets potentiels sur la santé de l'exposition aux polluants atmosphériques. Les scientifiques de Santé Canada ont démontré que l'inhalation de polluants atmosphériques augmente les niveaux d'hormones de stress appelées glucocorticoïdes dans le sang. Des niveaux élevés de glucocorticoïdes ont été associés à un certain nombre de troubles cérébraux, notamment un déclin de la cognition, la démence et la dépression. Dans la présente étude, les scientifiques de Santé Canada ont étudié comment la pollution atmosphérique peut affecter l'hippocampe, une partie du cerveau importante dans le développement de ces troubles. Ils ont mesuré les changements dans le cerveau et le sang de rats qui respiraient de l'air ou de l'ozone, un polluant courant, et ont examiné si ces effets étaient dus aux glucocorticoïdes. Ils ont découvert que l’ozone diminuait les niveaux de facteurs dans le cerveau qui sont importants pour la santé des neurones, ainsi que les niveaux de tryptophane, précurseur de la sérotonine, dans le sang. Certains de ces effets étaient liés aux glucocorticoïdes, d’autres non. Cette étude montre que les polluants atmosphériques provoquent des modifications dans le sang et le cerveau qui ont été associées à des troubles cérébraux, et que le système de réponse au stress de l'organisme est impliqué dans certains de ces effets. Ces travaux fournissent un soutien mécaniste aux études menées auprès de la population canadienne examinant les liens entre l'exposition à la pollution atmosphérique et les effets sur le cerveau.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109483

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2099

dc.language.iso

en

dc.publisher

Elsevier

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

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Ozone increases plasma kynurenine-tryptophan ratio and impacts hippocampal serotonin receptor and neurotrophic factor expression: Role of stress hormones

dc.type - en

Article

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