Search

Stem cells or undifferentiated cells can cope more easily with external stresses. To evaluate the impact of toxic compounds on stem cell dynamics in vivo, in relation to other biological responses, we use the carcinogenic element cadmium and the regenerating model organism Macrostomum lignano. Through both BrdU and anti-histone H3 immunostainings, cadmium-induced effects were investigated at different stages of the stem cell cycle. A 24-h exposure to 100 and 250 M CdCl2 significantly decreased the number of stem cells (neoblasts) in mitosis, whereas the number of cells in the S phase remained unchanged. After this short-term exposure, the ultrastructure of the neoblasts was minimally affected in contrast to the epidermal tissues. These results were supported by gene expression data: transcripts of cdc2 and pig3 were significantly upregulated during all treatments. Both genes are involved in the cell cycle progression and are transcribed in the gonadal region, where stem cells are highly represented. Based on a substantial increase in gene expression of heat shock proteins (HSP) and their high activity in the gonadal region, we hypothesize that these proteins are key players in the protection of stem cells against external stresses. Apart from the strong HSP induction, other protective processes including cell division, apoptosis and anti-oxidative defence, were also activated. We, therefore, conclude that the protection of stem cells against external stressors may be based on the interplay between stem cell maintenance, i.e. repair and recovery through division, on one hand and apoptosis on the other hand. (c) 2015 Wiley Periodicals, Inc. Environ Toxicol 31: 1217-1228, 2016.

Over the years, anthropogenic factors have led to cadmium (Cd) accumulation in the environment causing various health problems in humans. Although Cd is not a Fenton-like metal, it induces oxidative stress in various animal models via indirect mechanisms. The degree of Cd-induced oxidative stress depends on the dose, duration and frequency of Cd exposure. Also the presence or absence of serum in experimental conditions, type of cells and their antioxidant capacity, as well as the speciation of Cd are important determinants. At the cellular level, the Cd-induced oxidative stress either leads to oxidative damage or activates signal transduction pathways to initiate defence responses. This balance is important on how different organ systems respond to Cd stress and ultimately define the pathological outcome. In this review, we highlight the Cd-induced oxidant/antioxidant status as well as the damage versus signalling scenario in relation to Cd toxicity. Emphasis is addressed to Cd-induced pathologies of major target organs, including a section on cell proliferation and carcinogenesis. Furthermore, attention is paid to Cd-induced oxidative stress in undifferentiated stem cells, which can provide information for future therapies in preventing Cd-induced pathologies. The authors apologize to any researcher whose work is not cited here due to limitations of space and scope. This work was supported by Hasselt University [BOF (Bijzonder onderzoeksfonds) projects; BOF08G01] through PhD grants for Ambily Ravindran Nair and Olivier DeGheselle. Additional funding came from tUL-impulsfinanciering (project toxicology), and Methusalem project (08M03VGRJ).

Cadmium komt voor in mariene sedimenten dewelke de natuurlijke habitat zijn van de platworm Macrostomum lignano. Deze worm werd recent ontdekt als een nieuw modelorganisme binnen het fylum van de Platyhelminthes. Macrostomum lignano vertoont, net als vele andere platwormen, een enorme regeneratiecapaciteit. Deze regeneratiecapaciteit danken zij aan de aanwezigheid van neoblasten. De cellen die het unieke stamcelsysteem van de platworm vormen. Neoblasten zijn namelijk de enige cellen in adulte wormen die in staat zijn tot deling. De neoblast is dus een fundamenteel en essentieel celtype, dat instaat voor regeneratie en celvernieuwing. Omwille van deze reden is het interessant om het effect van cadmium op de neoblasten te onderzoeken. In deze studie werden de effecten van cadmium op de distributie, de migratie en differentiatie van delende neoblasten onderzocht. Dit werd mogelijk gemaakt met behulp van bromodeoxy-uridine (BrdU), een thymidine-analoog dat wordt geïncorporeerd in het DNA gedurende de S-fase van de celcyclus. Voor het nagaan van distributiepatronen en aantal delende neoblasten werden de wormen kortstondig blootgesteld aan BrdU, terwijl voor het nagaan van migratie- en differentiatiepatronen de wormen continu werden blootgesteld aan BrdU. Voor beide experimenten werden er naast een blancogroep, twee groepen blootgesteld aan respectievelijk 2,5 HM CdCl2 en 5 HM CdCl2 (sublethale concentraties). Het distributiepatroon van neoblasten bleek ongewijzigd te zijn onder invloed van cadmium. Voor het kwantificeren van het aantal delende neoblasten, al dan niet blootgesteld aan cadmium, werd er eerst een methode ontwikkeld om ze te kunnen tellen met ImageJ, gebaseerd op de verdeling van de celvolumes. Hierbij werd er een geautomatiseerde methode uitgewerkt die snel uitgevoerd kon worden en waarbij de foutenmarge zo klein mogelijk gehouden werd. Na deze beeldverwerking bleek dat bij een blootstelling aan 2,5 HM CdCl2 het aantal delende neoblasten na 2 dagen toeneemt. Na 4 dagen daalde het aantal delende neoblasten echter terug tot normale waarden en na 6 dagen daalde het aantal delingen nog meer. Hieruit kan men vaststellen dat een blootstelling aan 2,5 HM op korte termijn (2 dagen) het neoblastsysteem gaat reageren doordat het aantal delingen toeneemt. Op lange termijn (6 dagen) lijkt het echter alsof het neoblastsysteem aangetast wordt ten gevolge van cadmium waardoor de mitotische activiteit afneemt. Bij een blootstelling aan 5 HM werden er geen significante wijzigingen in het aantal delende neoblasten terug gevonden. Dit kan erop wijzen dat het effect van cadmium voor 2 dagen of na 6 dagen zal optreden, verder zou het kunnen dat cadmium bij deze concentratie andere pathways gaat aanspreken die geen invloed hebben op het neoblastsysteem. Een laatste hypothese hieromtrent is dat de algen bij 5 HM aangetast worden waardoor de wormen onvoldoende voedsel tot zich hebben kunnen nemen. Hierdoor gaat de stress van uithongering ervoor zorgen dat het aantal delende neoblasten afneemt wat een antagonistisch effect zou kunnen hebben ten opzicht van een eventuele stijging die 5 HM cadmium veroorzaakt. De effecten van 2,5 HM en 5 HM CdCl2 bleken op de migratie en differentiatie een toename in het aantal gemigreerde en gedifferentieerde cellen te veroorzaken na één en drie dagen blootstelling. Een kwantitatieve analyse was hier echter niet mogelijk omdat de continue blootstelling aan BrdUresulteerde in een aankleuring van teveel cellen.