The effects of pharmaceuticals and environmental toxicants on testicular development and function: in vitro and ex vivo study

Abstract

Disorders of male reproductive health are becoming increasingly prevalent due to unknown reasons. Pharmaceutical agents and environmental chemicals can cause adverse effects on the reproductive system, but reproductive toxicity often remains unnoticed. Although the testing of chemicals and pharmaceuticals is increasing and regulated by EU legislation, data on reproductive toxicity is still very limited. Investigating the mechanisms underlying the increased rates of male reproductive health disorders is crucial when trying to stop this growing trend. Furthermore, the methods used in toxicology require continuous development, and a shift towards in vitro/ex vivo methods is highly desirable. My doctoral research focuses on analyzing the testicular toxicity of commonly used anticancer drugs (imatinib and dasatinib) and a ubiquitous environmental contaminant, perfluorooctanoic acid (PFOA), in rodent models, utilizing in vitro and ex vivo toxicological methods. Rodents, particularly mice and rats, are the most commonly used animal models in male reproductive toxicity research due to e.g. their similarities to human spermatogenesis and its regulation. Male gonads are vulnerable to external harmful factors, especially during embryonic development, but they remain vulnerable also later in life. Consequently, we analyzed the effects of PFOA both on fetal and adult rat testes in the first part of my doctoral studies. The main results were that PFOA exposure ex vivo inhibits fetal rat steroidogenesis and induces germ cell apoptosis in adult rat testes. Therefore, exposure to PFOA poses a risk to male fertility, particularly through pregnant females carrying male embryos. The growing population of cancer survivors at fertile age represents a significant challenge for clinicians and researchers. It is essential to recognize the risks associated with both cancer and its treatments on fertility, and to identify the least harmful yet most effective treatment options. In the second part of my doctoral studies, we analyzed the effects of imatinib and dasatinib on male rodent germ cells and germline stem cells. We showed that imatinib exposure, both in vitro and ex vivo, adversely affects the proliferation and survival of male rodent germ cells. The plausible mechanism of imatinib action in spermatogenic cells involves the inhibition of c-KIT/SCF signaling and reduced expression of c-KIT. However, dasatinib did not show to cause adverse effects at clinically relevant doses ex vivo, but inhibited male germline stem cell colony growth in vitro.

Miesten lisääntymisterveyden häiriöt ovat useiden tutkimusten mukaan lisääntyneet ympäri maailmaa. Tiedetään, että lääkeaineet ja ympäristökemikaalit voivat olla haitallisia lisääntymisterveydelle, mutta tiedot niiden lisääntymistoksisuudesta voivat silti olla puutteellisia, vaikka lääkeaineiden ja kemikaalien testaaminen on EU-lainsäädännöllä säädeltyä. Lisääntymistoksikologinen tutkimus on tärkeää miesten lisääntymisterveysongelmien taustasyiden selvittämisessä. Lisäksi lisääntymistoksikologiset menetelmät vaativat jatkuvaa kehittelyä ja in vitro/ex vivo -menetelmien suosiminen tutkimuksissa on toivottavaa. Väitöskirjatyössäni selvitin moderneina syöpälääkkeinä käytettyjen tyrosiinikinaasi-inhibiittoreiden (imatinibi ja dasatinibi) sekä ympäristölle haitallisen yhdisteen, perfluoro-oktaanihapon (PFOA), kivestoksisia vaikutuksia jyrsijöillä solu- ja kudosviljelymalleja käyttäen. Jyrsijät ovat yleisin eläinmalli ihmisen lisääntymistoksisuuden tutkimuksessa mm., koska siittiöiden tuotanto ja sen säätely on samankaltaista. Miehen sukupuolirauhaset ovat alttiita ulkoisten tekijöiden haittavaikutuksille läpi eliniän, mutta etenkin sikiöiässä. Tämän vuoksi analysoimme PFOA:n vaikutuksia sikiöaikaiseen ja aikuiseen rotan kivekseen väitöskirjatyöni ensimmäisessä osatyössä. PFOA-altistus ex vivo vaikutti haitallisesti sikiöaikaisen rotan kiveksen hormonituotantoon sekä aikuisen rotan kivessoluihin. Tulokset osoittavat PFOA altistuksen olevan riski miesten hedelmällisyydelle etenkin poika-alkiota odottavien naisten kautta. Syövästä selviäminen on yhä todennäköisempää modernien syöpähoitojen ansiosta, joten syöpälääkkeiden vaikutus potilaiden hedelmällisyyteen halutaan välttää. Imatinibi ja dasatinibi parantavat syöpiä tehokkaasti eikä niiden ilmoiteta aiheuttavan totaalista hedelmättömyyttä kuten esim. alkyloivat sytostaatit ovat tehneet tuhotessaan kiveksen itusolujen kantasoluja. Toisessa väitöskirjani osatyössä analysoimme imatinibin ja dasatinibin lisääntymistoksisia vaikutuksia jyrsijäperäisiin kivessoluihin ja siittiöntuotannosta vastaaviin kantasoluihin. Imatinibi, mutta ei dasatinibi, lisäsi urosrotan itusolujen apoptoosia kliinisesti relevanteilla annoksilla. Sekä imatinibi että dasatinibi häiritsevät uroshiiren itusolujen kantasoluryhmittymien kasvua in vitro. Osoitimme, että imatinibin apoptoosia aiheuttava vaikutus erilaistuvissa itusoluissa johtuu c-KIT/SCF-signaloinnin inhibitiosta sekä vähentyneestä c-KIT:n ilmentymisestä.