Open Universiteit

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1820/6062
Title: Effect of Hexavalent Chromium on Stem Cells of the Flatworm Schmidtea Mediterranea. Cellular Research and a Comparison With Cadmium.
Other Titles: Invloed van hexavalent chroom op de stamcellen van de platworm Schmidtea mediterranea. Cellulair onderzoek en vergelijking met cadmium.
Authors: Saenen, Francine
Issue Date: 18-Dec-2013
Publisher: Open Universiteit Nederland
Citation: Saenen, Francine. (2013). Invloed van hexavalent chroom op de stamcellen van de platworm Schmidtea mediterranea. Cellulair onderzoek en vergelijking met cadmium [Effect of Hexavalent Chromium on Stem Cells of the Flatworm Schmidtea Mediterranea. Cellular Research and a Comparison With Cadmium]. (Unpublished MSc Master’s Thesis Environmental Sciences), Open Universiteit, Heerlen, NL.
Abstract: ABSTRACT. Hexavalent chromium (Cr(VI) and cadmium (Cd) are both heavy metals and act as environmental contaminants caused by antropogenic, mainly industrial, activities. The non-biodegradable character of metals makes it possible for them to accumulate in living organisms. Nonetheless the elements can also be (partially) excreted. The International Agency for Research on Cancer classified both Cr(VI) and Cd as human carcinogens. But how do these elements cause cancer in the body? Gaining insight into their way of functioning could lead to the discovery of bio-indicators that could be very useful as early warning signals of carcinogenesis. Bioindicators are indicators of changes in biological responses that could be related to the earlier contact with certain substances in the environment. One feature of cancerous cells is uncontrolled proliferation. Exposing cells with the capacity of controlled proliferation to these elements, could be helpful. Stem cells are most suitable for this. The aim of this study is to explore how the carcinogen Cr(VI) affects stem cells of living organisms and what the differences are in comparison with the effects caused by the carcinogen Cd. The flatworm Schmidtea mediterranea is an excellent model organism due to its large and experimentally accessible population of stem cells and the ease to maintain the planaria culture under laboratory conditions. In preparation to more specific research of stem cells at cellular level, organisms are exposed to Cr(VI) and Cd to determine possible bioaccumulation. Additionally, the lethality of the organisms for Cr(VI) is determined in a LC50-test to ascertain the sublethal concentrations and times of exposure necessary to perform the next experiments. Subsequently, changes in stem cell dynamics after exposure to Cr(VI) are tested by means of histone H3 staining. Ultrastructural changes in stem and epidermal cells after Cr(VI)-exposure are examined using electron microscopy. The results of these tests are being compared with those of tests performed earlier with the carcinogen Cd. Exposure to 0, 5 and 10 μmol/L Cr(VI) and Cd during 1, 2 and 3 weeks results in bioaccumulation of both elements (Cr(VI): p-value < 0,05; Cd: p-value < 0,01). In addition, this bioaccumulation is higher with an increase in concentration and time (Cr(VI): p-value < 0,05; Cd: p-value < 0,05). One exception is found when exposing the worms to 10 μmol/L Cr(VI). Here no significant increase per unit of time is observed between 2 and 3 weeks. Overall, bioaccumulation per unit of time for the same concentration seems to be stronger for Cr(VI) than for Cd. For both elements the LC50-test shows 5 and 10 μmol/L to be appropriate sublethal concentrations for exposing the organisms till 3 weeks. Comparing the LC50-values of Cr(VI) and Cd reveals a greater toxicity for Cr(VI) after 1 and 2 weeks, after 3 weeks the toxicity of both elements is comparable. Exposure to 10 and 20 μmol/L Cr(VI) for 2 and 3 weeks causes an increase in the amount of dividing stem cells per mm2 (p-value < 0,05). Exposing worms to 10 μmol/L Cd also increases the amount of dividing stem cells per mm2 after 2 weeks (p-value < 0,05). Nevertheless, on the ultrastructural level no changes are observed in the stem and epidermal cells after exposure to 0, 5 and 10 μmol/L for 1, 2 and 3 weeks neither for Cr(VI) nor for Cd. In general, an increase in stem cell proliferation is observed in Schmidtea mediterranea after exposure to Cr(VI) and Cd. The differences between Cr(VI) and Cd observed in the tests performed in this investigation, can indicate different reactions in Schmidtea mediterranea towards Cr(VI) and Cd. Additional molecular research could provide more clarity in the way both elements behave in the exposed organism, e.g. examination of the induced protein production or changes in gene expression after metal exposure.
Description: SAMENVATTING. Hexavalent chroom (Cr(VI)) en cadmium (Cd) zijn allebei zware metalen die zich in het milieu opstapelen, voornamelijk ten gevolge van menselijke, vooral industriële, activiteiten. Het niet biologisch afbreekbare karakter van een metaal maakt ophoping in levende wezens mogelijk, niettegenstaande het element ook (eventueel gedeeltelijk) uitgescheiden kan worden. Het International Agency for Research on Cancer erkende zowel Cr(VI) als Cd als humaan carcinogeen. Maar op welke manier veroorzaken deze elementen kanker in het lichaam? Meer inzicht in hun werkingsmechanismen zou kunnen leiden tot het aanduiden van biomerkers die in een vroeg stadium kunnen waarschuwen voor mogelijke kankerontwikkeling. Biomerkers zijn indicatoren van veranderingen in biologische reacties die gerelateerd kunnen worden aan het in contact geweest zijn met een bepaalde stof in het milieu. Een kenmerk van een kankercel is ongecontroleerde proliferatie. Het blootstellen van cellen met een gecontroleerde proliferatiecapaciteit aan deze elementen zou hierbij kunnen helpen. Stamcellen voldoen hieraan. Het doel van dit afstudeeronderzoek is bestuderen hoe het carcinogene element Cr(VI) inwerkt op stamcellen van levende organismen en wat het verschil is met de effecten veroorzaakt door Cd. Door hun goed uitgebouwd somatisch stamcelsysteem, de experimentele toegankelijkheid van hun stamcellen en door het gemakkelijk onderhoud van deze dieren onder laboratoriumcondities, zijn de platwormen Schmidtea mediterranea ideale modelorganismen. Als voorbereiding op gerichter onderzoek van de stamcellen op cellulair niveau wordt eerst bestudeerd of het organisme het element opneemt en opstapelt in het lichaam na blootstelling aan Cr(VI) en Cd en wordt met een LC50-test de letaliteit voor Cr(VI) bepaald om de subletale concentraties en blootstellingstijden te bepalen die in de meer specifieke experimenten zullen worden gebruikt. Vervolgens wordt met behulp van een histon H3 kleuring nagegaan of er wijzigingen in stamceldynamiek optreden na blootstelling aan Cr(VI). Elektronenmicroscopisch wordt gekeken of deze blootstelling aan Cr(VI) ultrastructurele veranderingen teweegbrengt in de stam- en epidermiscellen. De resultaten worden vergeleken met deze van Cd uit reeds uitgevoerde experimenten. Zowel na Cr(VI)- als Cd-blootstelling aan 0, 5 en 10 μmol/L gedurende 1, 2 en 3 weken treedt accumulatie van het element op (Cr(VI): p-waarde < 0,05; Cd: p-waarde < 0,01), en deze is hoger met een stijging in concentratie en duur (Cr(VI): p-waarde < 0,05; Cd: p-waarde < 0,05). Enkel bij 10 μmol/L Cr(VI) is de stijging per tijdseenheid niet significant tussen 2 en 3 weken. Algemeen lijkt bij dezelfde concentratie Cr(VI) per tijdseenheid sterker te accumuleren dan Cd. De LC50-test geeft aan dat 5 en 10 μmol/L goede subletale concentraties zijn voor beide elementen voor blootstelling tot 3 weken. Een vergelijking van de LC50-waarden toont dat Cr(VI) voor de worm meer toxisch is na 1 en 2 weken, na 3 weken zijn de waarden van Cr(VI) en Cd vergelijkbaar. Blootstelling aan 10 en 20 μmol/L Cr(VI) geeft een stijging in aantal delende stamcellen per mm2 na 2 en 3 weken (p-waarde < 0,05). Ook bij Cd-blootstelliing aan 10 μmol/L treedt een toename in stamcelproliferatie op na 2 weken (p-waarde < 0,05). Ultrastructureel zijn er echter voor beide elementen geen veranderingen waargenomen na 1, 2 en 3 weken blootstelling aan 0, 5 en 10 μmol/L. Algemeen kan geconcludeerd worden dat er een toename in stamcelproliferatie optreedt in het organisme na blootstelling aan bepaalde concentraties van Cr(VI) en Cd. De verschillen die optreden tussen Cr(VI) en Cd kunnen worden verklaard door de verschillende chemische eigenschappen van de twee elementen. Onderzoek op moleculair niveau, zowel van de genexpressie als de aard van de proteïnen die op een bepaald moment aanwezig zijn in het blootgestelde organisme, zou meer duidelijkheid kunnen verschaffen over de specifieke werkingsmechanismen van beide elementen.
URI: http://hdl.handle.net/1820/6062
Appears in Collections:MSc Environmental Sciences

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
MSc Research Thesis SAENEN Francine 2013.pdf1.69 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.