Thyroid disrupting potency and mechanism of perfluoroundecanoic acid and perfluorotridecanoic acid in GH3 cell line and zebrafish (Danio rerio)

Abstract

과불화화합물은 열과 화학적 반응에 매우 안정적이어서 섬유산업, 제지산업, 음식 포장제 등 다양한 생활용품에 사용되고 있다. 이들은 내분비계 교란을 포함하여 다양한 건강 영향이 보고되고 있어 최근 선진국을 중심으로 규제가 이루어지고 있다. 그 결과, 환경과 인체시료에서 최근 규제대상 과불화화합물의 검출수준은 감소하는 경향을 보이고 있다. 하지만 이들을 제외한 긴 사슬 과불화합물은 긴 잔류성을 지니고 있음에도 불구하고 일부 물질은 대체물질로 사용이 되어 환경과 인체시료에서 꾸준한 검출 수준을 보이고 있으며 심지어는 증가하는 경향을 보인다. 이들은 개체 출생 이전 초기 발달 시기부터 태반을 통해 모체에서 태아로 전달이 되는 특징을 가지며 또한 출생 이후 모유를 통하여 계속적인 노출이 이루어진다. 발달시기의 갑상선호르몬의 적절한 수준 유지는 개체의 정상적인 발달에 필수적인데 규제 대상 물질의 갑상선 교란 영향을 다룬 연구와 비교하여 긴 사슬 과불화화합물의 갑상선 교란성에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 랫드의 뇌하수체 세포주인 GH3와 제브라피쉬 수정란을 이용하여 기존 규제대상 물질인 PFOA와 일부 긴 사슬 과불화화합물인 PFUnDA와 PFTrDA가 갑상선 조절체계에 미치는 영향과 그 기전을 비교, 파악하고자 하였다. GH3 세포주에서는 갑상선호르몬의 생성 조절에 관여하는 유전자의 발현변화를 관찰 하였고, 제브라피쉬 수정란은 각각의 과불화화합물을 120시간 동안 노출하여 갑상선의 성숙, 자극, 호르몬 합성, 호르몬 수용체, 대사에 관여하는 유전자들의 발현 수준을 관찰하였다. 그리고 이 유전자 발현을 반영하는 결과라 할 수 있는 형태학적 변화 관찰을 통하여 세포 수준에서의 교란성과 초기 발달 개체에서 발생하는 갑상선 교란성을 파악하였다. GH3에서 PFUnDA와 PFTrDA는 갑상선호르몬 합성을 촉진하는 반응과 관련된 Tshβ 유전자와 갑상선호르몬의 활성화와 관련된 Dio2 유전자의 발현을 증가시켰다. 하지만 PFUnDA는 제브라피쉬의 수정란/치어의 유전자발현 분석 결과에서 PFOA와 유사하게 갑상선호르몬의 대사와 관련된 ugt1ab 유전자를 유의하게 증가시키는 경향이 나타났다. 그리고 PFOA, PFUnDA와 달리 PFTrDA는 치어의 갑상선호르몬 합성 (tshβ, nis, nkx2.1, tpo, mct8), 제거 (dio1, dio2)와 관련된 유전자를 유의하게 증가시켰다. 제브라피쉬 치어의 형태학적 변화에서 PFOA, PFUnDA, PFTrDA에 노출된 치어들은 모두 안구 크기가 유의하게 감소하였고, 난황낭의 크기가 유의하게 증가하였다. 그리고 모든 노출 군에서 부레가 정상적으로 팽창하지 않은 개체 수가 증가하였다. 이 형태학적 변화들은 모두 갑상선호르몬 감소를 의미하는 대표적인 변화로 본 연구에서 관찰한 형태학적 변화를 통해 갑상선호르몬의 감소를 확인할 수 있었다. 또한 탄소 사슬 수가 증가하면 독성이 비례하게 증가한다는 기존의 과불화화합물 연구결과와 동일하게 본 연구에서도 GH3와 제브라피쉬 치어의 유전자 수준 변화를 통해 PFCAs의 갑상선 교란 정도가 구조 내 탄소 사슬 수와 비례하게 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 긴 사슬 과불화화합물인 PFUnDA와 PFTrDA의 초기 발달단계와 세포 수준에서의 교란성을 확인하였다. 이러한 변화가 이후 성장 단계에서 미칠 수 있는 영향을 확인할 연구가 추후 필요할 것으로 보인다.

Perfuoroalkyl substances (PFASs) have been used in various household goods such as textile, paper, and food packaging products. The use and environmental detection of long-chain PFASs (C>8) have increased. While several PFASs have been known as thyroid disruptor, knowledge gaps are still present about thyroid disrupting effects of long chain PFASs (C>10). In the present study, rat pituitary cell line (GH3) and zebrafish (Danio rerio) embryo/larvae were used to identify the thyroid disrupting effects of two long chain perfluorinated carboxylic acid (PFCAs), i.e., perfluoroundecanoic acid (PFUnDA) and perfluorotridecanoic acid (PFTrDA). For comparison purpose, PFOA was also chosen. In GH3, exposure to PFUnDA and PFTrDA showed upregulation of Tshβ gene, suggesting that these PFCAs stimulate thyroid hormone (TH) synthesis. In zebrafish, following 5 days exposure of fertilized embryos to PFTrDA showed upregulation in the genes that related to TH synthesis (tshβ, nkx2.1, nis, tpo, mct8) and elimination (dio1, dio2). Meanwhile PFOA and PFUnDA exposure upregulated ugt1ab gene related to TH elimination. In the fish, morphological changes, such as eyeball size decrease, increased yolk sac size, or swim bladder deflation did occur for all test chemicals, implying TH reduction in developing zebrafish larvae. According to the results of present study, long chain PFCAs can lead to TH reduction perhaps through different mechanism and their disruption potency may increase with their chain length.