Nitrative stress, oxidative stress and plasma endothelin levels after inhalation of particulate matter and ozone

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dc.contributor.author

Kumarathasan, Prem

Blais, Erica

Saravanamuthu, Anushuyadevi

Bielecki, Agnieszka

Mukherjee, Ballari

Bjarnason, Stephen

Guénette, Josée

Goegan, Patrick

Vincent, Renaud

dc.date.accessioned

2024-05-03T15:36:57Z

dc.date.available

2024-05-03T15:36:57Z

dc.date.issued

2015-09-17

dc.description - en

Health Canada is responsible for assessing the health impacts of air pollution as part of the Clean Air Regulatory Agenda. While exposure to increased levels of air pollution is known to affect heart and lung health, there is little current understanding of how exposure to air pollution causes these adverse health outcomes and what types of effects are caused by exposure to single pollutants vs. mixtures of air pollutants. In this study, Health Canada scientists aimed to characterize changes in markers of free radical reactions and cardiovascular health in rats after inhalation of urban particulate matter, ozone, or a combination of particles plus ozone. The results indicated that there were pollutant-specific changes in oxidative stress and nitrative stress pathways induced by these exposures. The induction of oxidative and nitrative stress, in turn, can cause changes in the levels of circulatory molecules known as endothelins, which are proteins that constrict blood vessels to raise blood pressure. These changes could modulate a number of disease processes, if compensatory mechanisms are not viable. Health Canada will use the results of this study to fill gaps in knowledge in the assessment of health risks related to air pollutant exposures.

dc.description.abstract - en

Background: While exposure to ambient air contaminants is clearly associated with adverse health outcomes, disentangling mechanisms of pollutant interactions remains a challenge. Objectives: We aimed at characterizing free radical pathways and the endothelinergic system in rats after inhalation of urban particulate matter, ozone, and a combination of particles plus ozone to gain insight into pollutant-specific toxicity mechanisms and any effect modification due to air pollutant mixtures. Methods: Fischer 344 rats were exposed for 4 h to a 3 × 3 concentration matrix of ozone (0, 0.4, 0.8 ppm) and EHC-93 particles (0, 5, 50 mg/m(3)). Bronchoalveolar lavage fluid (BALF), BAL cells, blood and plasma were analysed for biomarkers of effects immediately and 24 h post-exposure. Results: Inhalation of ozone increased (p < 0.05) lipid oxidation products in BAL cells immediately post-exposure, and increased (p < 0.05) total protein, neutrophils and mature macrophages in the BALF 24 h post-exposure. Ozone increased (p < 0.05) the formation of reactive oxygen species (ROS), assessed by m-, p-, o-tyrosines in BALF (Ozone main effects, p < 0.05), while formation of reactive nitrogen species (RNS), indicated by 3-nitrotyrosine, correlated with dose of urban particles (EHC-93 main effects or EHC-93 × Ozone interactions, p < 0.05). Carboxyhemoglobin levels in blood exhibited particle exposure-related increase (p < 0.05) 24 h post recovery. Plasma 3-nitrotyrosine and o-tyrosine were increased (p < 0.05) after inhalation of particles; the effect on 3-nitrotyrosine was abrogated after exposure to ozone plus particles (EHC-93 × Ozone, p < 0.05). Big endothelin-1 (BET-1) and ET-1 were increased in plasma after inhalation of particles or ozone alone, but the effects appeared to be attenuated by co-exposure to contaminants (EHC-93 × Ozone, p < 0.05). Plasma ET levels were positively correlated (p < 0.05) with BALF m- and o-tyrosine levels. Conclusions: Pollutant-specific changes can be amplified or abrogated following multi-pollutant exposures. Oxidative and nitrative stress in the lung compartment may contribute to secondary extra-pulmonary ROS/RNS formation. Nitrative stress and endothelinergic imbalance emerge as potential key pathways of air pollutant health effects, notably of ambient particulate matter.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Contexte : Bien que l'exposition aux contaminants de l'air ambiant soit clairement associée à des effets néfastes sur la santé, démêler les mécanismes d'interactions des polluants reste un défi. Objectifs : Nous visions à caractériser les voies des radicaux libres et le système endothélinergique chez les rats après inhalation de particules urbaines, d'ozone et d'une combinaison de particules et d'ozone afin de mieux comprendre les mécanismes de toxicité spécifiques aux polluants et toute modification des effets due aux mélanges de polluants atmosphériques. Méthodes : Des rats Fischer 344 ont été exposés pendant 4 h à une matrice de concentration 3 × 3 d’ozone (0, 0,4, 0,8 ppm) et de particules EHC-93 (0, 5, 50 mg/m(3)). Le liquide de lavage broncho-alvéolaire (BALF), les cellules BAL, le sang et le plasma ont été analysés pour rechercher des biomarqueurs d'effets immédiatement et 24 h après l'exposition. Résultats : L'inhalation d'ozone a augmenté (p < 0,05) les produits d'oxydation des lipides dans les cellules BAL immédiatement après l'exposition et a augmenté (p < 0,05) les protéines totales, les neutrophiles et les macrophages matures dans le BALF 24 h après l'exposition. L'ozone a augmenté (p < 0,05) la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ROS), évaluées par les m-, p-, o-tyrosines dans BALF (effets principaux de l'ozone, p < 0,05), tandis que la formation d'espèces réactives de l'azote (RNS), indiqué par la 3-nitrotyrosine, corrélé à la dose de particules urbaines (effets principaux EHC-93 ou interactions EHC-93 × Ozone, p < 0,05). Les taux de carboxyhémoglobine dans le sang présentaient une augmentation liée à l'exposition aux particules (p < 0,05) 24 h après la récupération. La 3-nitrotyrosine et l'o-tyrosine plasmatiques ont augmenté (p < 0,05) après l'inhalation de particules ; l'effet sur la 3-nitrotyrosine a été abrogé après exposition à l'ozone plus aux particules (EHC-93 × Ozone, p < 0,05). La grosse endothéline-1 (BET-1) et l'ET-1 ont augmenté dans le plasma après l'inhalation de particules ou d'ozone seul, mais les effets semblent être atténués par la co-exposition à des contaminants (EHC-93 × Ozone, p < 0,05). Les taux plasmatiques d'ET étaient positivement corrélés (p < 0,05) avec les taux de BALF m- et o-tyrosine. Conclusions : Les changements spécifiques aux polluants peuvent être amplifiés ou abrogés suite à des expositions à plusieurs polluants. Le stress oxydatif et nitratif dans le compartiment pulmonaire peut contribuer à la formation secondaire de ROS/RNS extra-pulmonaires. Le stress nitratif et le déséquilibre endothélinergique apparaissent comme des voies potentielles clés des effets des polluants atmosphériques sur la santé, notamment des particules ambiantes.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de l'évaluation des impacts sur la santé de la pollution atmosphérique dans le cadre du Programme de réglementation de la qualité de l'air. Bien que l’on sache que l’exposition à des niveaux accrus de pollution atmosphérique affecte la santé cardiaque et pulmonaire, on comprend actuellement peu de choses sur la manière dont l’exposition à la pollution atmosphérique provoque ces effets néfastes sur la santé et sur les types d’effets provoqués par l’exposition à des polluants uniques par rapport à des mélanges d’air. polluants. Dans cette étude, les scientifiques de Santé Canada visaient à caractériser les changements dans les marqueurs des réactions radicalaires et de la santé cardiovasculaire chez les rats après inhalation de particules urbaines, d'ozone ou d'une combinaison de particules et d'ozone. Les résultats ont indiqué qu’il y avait des changements spécifiques aux polluants dans les voies du stress oxydatif et du stress nitratif induits par ces expositions. L’induction du stress oxydatif et nitratif peut, à son tour, provoquer des modifications des niveaux de molécules circulatoires appelées endothélines, qui sont des protéines qui resserrent les vaisseaux sanguins pour augmenter la tension artérielle. Ces changements pourraient moduler un certain nombre de processus pathologiques si les mécanismes compensatoires ne sont pas viables. Santé Canada utilisera les résultats de cette étude pour combler les lacunes dans les connaissances en matière d'évaluation des risques pour la santé liés à l'exposition aux polluants atmosphériques.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1186/s12989-015-0103-7

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2395

dc.language.iso

en

dc.publisher

BMC

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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Nitrative stress, oxidative stress and plasma endothelin levels after inhalation of particulate matter and ozone

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Article

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