Stress hormones as potential mediators of air pollutant effects on the brain: Rapid induction of glucocorticoid-responsive genes

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dc.contributor.author

Thomson, Errol M.

Filiatreault, Alain

Guénette, Josée

dc.date.accessioned

2024-03-15T21:24:14Z

dc.date.available

2024-03-15T21:24:14Z

dc.date.issued

2019-09-04

dc.description - en

Health Canada is responsible for assessing the health risks associated with exposure to air pollution. Population studies have shown that exposure to air pollution is associated with adverse effects on the brain, including increased incidence of brain-related disorders such as cognitive decline, dementia, depression, and suicide. The brain is exquisitely sensitive to stress hormones, but it is unknown whether stress hormones mediate effects of pollutants on the brain. Health Canada scientists tested whether air pollutants can impact the brain via stress hormones. They found that effects of the pollutant ozone on various brain regions were prevented using a drug that blocked stress hormone production. They also showed that injecting the stress hormone into animals exposed only to air reproduced the effects of ozone. Together, these results confirm that stress hormones can mediate effects of pollutants on the brain. This work provides a potential explanation for how air pollution can adversely impact the brain, substantiating findings in population studies in support of risk assessment initiatives.

dc.description.abstract - en

Air pollution is associated with adverse effects on brain health including cognitive decline, dementia, anxiety, depression, and suicide. While toxicological studies have demonstrated the potential for repeated or chronic pollutant exposure to lead to disease states, characterisation of initial biological responses to exposure is needed to better understand underlying mechanisms. The brain is highly sensitive to glucocorticoids (primarily cortisol in humans, corticosterone in rodents), stress hormones that play important roles in cognition and mental health. We tested whether glucocorticoids could be implicated in central nervous system (CNS) effects of pollutant exposure by examining glucocorticoid-dependent signaling across brain regions after exposure to the common pollutant ozone. Male Fischer-344 rats were exposed for 4 h to air or 0.8 ppm ozone ± metyrapone (50 mg/kg), a drug that blocks corticosterone synthesis (n = 5/group). Key glucocorticoid-responsive genes (serum- and glucocorticoid-inducible kinase, SGK; glucocorticoid-inducible leucine zipper, GILZ), and a gene responsive to both glucocorticoids and oxidative stress (metallothionein (MT)-1), were increased by ozone in all brain regions (olfactory bulb, frontal lobe, cortex, midbrain, hippocampus, cerebellum, brainstem), correlating with plasma corticosterone levels. Metyrapone prevented the increase in SGK and GILZ, and reduced but did not eliminate the effect on MT-1, suggesting glucocorticoid-dependent and –independent regulation. Administering exogenous corticosterone (10 mg/kg) to air-exposed rats reproduced the ozone effects, confirming specificity. The results demonstrate that early pollutant effects include stress hormone-dependent signaling. As both ozone and particulate matter activate the hypothalamic-pituitary-adrenal axis, and elevated glucocorticoids are implicated in brain pathologies, stress hormones could contribute to CNS impacts of air pollutants.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

La pollution de l’air est associée à des effets néfastes sur la santé cérébrale, notamment le déclin cognitif, la démence, l’anxiété, la dépression et le suicide. Bien que des études toxicologiques aient démontré le potentiel d’une exposition répétée ou chronique à des polluants pouvant conduire à des états pathologiques, la caractérisation des réponses biologiques initiales à l’exposition est nécessaire pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents. Le cerveau est très sensible aux glucocorticoïdes (principalement le cortisol chez l'homme, la corticostérone chez les rongeurs), hormones du stress qui jouent un rôle important dans la cognition et la santé mentale. Nous avons testé si les glucocorticoïdes pouvaient être impliqués dans les effets sur le système nerveux central (SNC) de l'exposition à des polluants en examinant la signalisation dépendante des glucocorticoïdes dans les régions du cerveau après une exposition à l'ozone, un polluant commun. Des rats mâles Fischer-344 ont été exposés pendant 4 heures à l'air ou à 0,8 ppm d'ozone ± métyrapone (50 mg/kg), un médicament qui bloque la synthèse de corticostérone (n = 5/groupe). Les gènes clés sensibles aux glucocorticoïdes (kinase inductible par le sérum et les glucocorticoïdes, SGK ; leucine zippée inductible par les glucocorticoïdes, GILZ), ainsi qu'un gène sensible à la fois aux glucocorticoïdes et au stress oxydatif (métallothionéine (MT) -1), ont été augmentés par l'ozone dans tous les cas. régions cérébrales (bulbe olfactif, lobe frontal, cortex, mésencéphale, hippocampe, cervelet, tronc cérébral), en corrélation avec les taux plasmatiques de corticostérone. La métyrapone a empêché l'augmentation de SGK et de GILZ et a réduit mais n'a pas éliminé l'effet sur MT-1, suggérant une régulation dépendante et indépendante des glucocorticoïdes. L'administration de corticostérone exogène (10 mg/kg) à des rats exposés à l'air a reproduit les effets de l'ozone, confirmant la spécificité. Les résultats démontrent que les premiers effets des polluants incluent une signalisation dépendante de l’hormone du stress. Étant donné que l’ozone et les particules activent l’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien et que des taux élevés de glucocorticoïdes sont impliqués dans les pathologies cérébrales, les hormones de stress pourraient contribuer aux impacts des polluants atmosphériques sur le SNC.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de l'évaluation des risques pour la santé associés à l'exposition à la pollution atmosphérique. Des études de population ont montré que l’exposition à la pollution atmosphérique est associée à des effets néfastes sur le cerveau, notamment une incidence accrue de troubles cérébraux tels que le déclin cognitif, la démence, la dépression et le suicide. Le cerveau est extrêmement sensible aux hormones du stress, mais on ne sait pas si les hormones du stress atténuent les effets des polluants sur le cerveau. Les scientifiques de Santé Canada ont testé si les polluants atmosphériques pouvaient avoir un impact sur le cerveau via les hormones du stress. Ils ont découvert que les effets de l'ozone polluant sur diverses régions du cerveau étaient évités grâce à un médicament qui bloquait la production d'hormones de stress. Ils ont également montré que l’injection de l’hormone du stress à des animaux exposés uniquement à l’air reproduisait les effets de l’ozone. Ensemble, ces résultats confirment que les hormones du stress peuvent atténuer les effets des polluants sur le cerveau. Ce travail fournit une explication potentielle de la façon dont la pollution de l'air peut avoir un impact négatif sur le cerveau, confirmant ainsi les résultats d'études de population à l'appui des initiatives d'évaluation des risques.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.108717

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2156

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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Stress hormones as potential mediators of air pollutant effects on the brain: Rapid induction of glucocorticoid-responsive genes

dc.type - en

Article

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