Analisi bioinformatiche e molecolari di cardiomiociti derivati da cellule embrionali staminali esposte a triossido di arsenico

Every day, humans are exposed to many harmful substances that can affect human health. Among them, the endocrine disrupting chemicals (EDCs) are of main concern. EDCs are a heterogenous group of compounds, widely distributed in the environment as waste products of human activities. Arsenic trioxide (As2O3, ATO) is a widespread EDC detected in the environment and it can be inhaled or ingested, causing detrimental effects on human health. Also, ATO can reach the foetus, passing the placenta barrier. One of the main documented targets of ATO is the cardiac system. The exposure to Arsenic during adult life has been deeply characterized, whereas little is known about ATO toxicity upon exposure in early life stages. In my thesis work, mouse embryonic stem cells-derived cardiomyocytes, mimicking perinatal cardiomyocytes, were exposed to 0.1, 0.5 and 1.0 µM of ATO for 72h. The effects of this exposure were evaluated using both bioinformatic and molecular approaches. ATO-exposed cardiac cells displayed both organised and disorganized sarcomeres, which were then analysed using an algorithm to evaluate the sarcomere texture quality, as well as cardiomyocytes morphological parameters. When exposed to ATO, cardiac cells showed a more contracted sarcomere. In addition to this, the morphological analysis of single cardiac cells demonstrated that the area of cardiomyocytes exposed to 1.0 µM ATO is higher, when compared to CTR cells. The analysis of the expression a selected panel of genes related to cardiac function, evaluated by qRT-PCR, reveals that, in 1.0 µM ATO-treated samples, myh6, nppA and acta2 were overexpressed compared to CTR, whereas mhy7 transcripts were lower. To conclude, combining immunofluorescence techniques to bioinformatics and statistical tools, we were able to demonstrate that ATO affects the texture of the sarcomere and the morphology of the cardiomyocytes.

Ogni giorno gli esseri umani sono esposti a molte sostanze nocive che possono influire sulla salute umana. Tra queste, le sostanze chimiche che perturbano il sistema endocrino (distruttori endocrini, DE) destano maggiore preoccupazione. I DE sono un gruppo eterogeneo di composti, ampiamente distribuiti nell'ambiente come prodotti di scarto delle attività umane. Il triossido di Arsenico (As2O3, ATO) è un DE molto diffuso nell'ambiente e può essere inalato o ingerito, con conseguenti effetti dannosi sulla salute umana. Inoltre, l'ATO può raggiungere il feto, superando la barriera della placenta. Uno dei principali targets documentati dell'ATO è il sistema cardiaco. L'esposizione all'Arsenico durante la vita adulta è stata profondamente caratterizzata, mentre sono state raccolte poche informazioni sulla tossicità dell'ATO in caso di esposizione nelle fasi iniziali della vita. Nel mio lavoro di tesi, i cardiomiociti derivati da cellule staminali embrionali di topo, che mimano i cardiomiociti perinatali, sono stati esposti a 0,1, 0,5 e 1,0 µM di ATO per 72 ore. Gli effetti di questa esposizione sono stati valutati utilizzando sia approcci bioinformatici e molecolari. Le cellule cardiache esposte ad ATO hanno mostrato sarcomeri organizzati e disorganizzati, i quali sono stati analizzati utilizzando un algoritmo che valuta la qualità della struttura del sarcomero e i parametri morfologici dei cardiomiociti. A seguito del trattamento con ATO, i cardiomiociti hanno mostrato un sarcomero più contratto. Inoltre, l'analisi morfologica delle singole cellule cardiache ha dimostrato che l'area dei cardiomiociti esposti a 1,0 µM ATO è maggiore rispetto alle cellule del controllo (CTR). L'analisi dell'espressione di un pannello selezionato di geni legati alla funzione cardiaca, valutata tramite qRT-PCR, rivela che, in campioni trattati con 1,0 µM ATO, myh6, nppA e acta2 sono maggiormente espressi rispetto al CTR, mentre i trascritti mhy7 sono meno rappresentati rispetto al CTR. In conclusione, combinando tecniche di immunofluorescenza con strumenti bioinformatici e statistici, siamo stati in grado di dimostrare che l'ATO influenza la struttura del sarcomero e la morfologia dei cardiomiociti.