Acetylcholinesterase als biomarker in de milieu- en arbeidsgeneeskunde: New Insights and Future Perspectives

Abstract

Acetylcholinesterase (AChE) is een sleutelenzym in het zenuwstelsel. Het beëindigt zenuwimpulsen door de hydrolyse van de neurotransmitter acetylcholine te katalyseren. Als specifiek moleculair doelwit van organofosfaat- en carbamaatpesticiden is de activiteit van acetylcholinesterase en de remming daarvan al vroeg erkend als een menselijke biologische marker van pesticidenvergiftiging. De meting van AChE-remming is de laatste twee decennia steeds meer gebruikt als biomarker van het effect op het zenuwstelsel na blootstelling aan organofosfaat- en carbamaatpesticiden in de bedrijfs- en milieugeneeskunde. Het succes van deze biomarker is te danken aan het feit dat hij voldoet aan een aantal kenmerken die nodig zijn voor een succesvolle toepassing van een biologische respons als biomarker in de humane biomonitoring: de respons is gemakkelijk te meten, hij vertoont een dosisafhankelijk gedrag ten opzichte van de blootstelling aan een verontreinigende stof, hij is gevoelig en hij vertoont een verband met schadelijke effecten op de gezondheid. Het doel van dit werk is een overzicht te geven van de recente bevindingen over acetylcholinesterase en deze te bespreken, met inbegrip van de gevoeligheid voor andere verontreinigende stoffen en de expressie van verschillende splice-varianten. Deze inzichten openen nieuwe perspectieven voor het toekomstig gebruik van deze biomarker in de monitoring van de menselijke gezondheid in het milieu en op het werk.

1. Inleiding

Biologische markers (biomarkers) werden vroeger gedefinieerd als “cellulaire, biochemische of moleculaire veranderingen die meetbaar zijn in biologische media zoals menselijke weefsels, cellen of vloeistoffen” . Meer recentelijk omvat de definitie biologische kenmerken die objectief kunnen worden gemeten en geëvalueerd als indicator van normale biologische processen, pathogene processen, of farmacologische reacties op een therapeutische interventie.

Biomarkers zijn nuttige hulpmiddelen in een verscheidenheid van gebieden, waaronder geneeskunde, milieuhygiëne, toxicologie, ontwikkelingsbiologie, en fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. De laatste twee decennia is de belangstelling voor biomarkers in de arbeids- en milieugeneeskunde toegenomen, zoals blijkt uit figuur 1, waarin de trend van het aantal in de laatste 20 jaar op deze gebieden gepubliceerde artikelen is weergegeven. De belangstelling voor biomarkers in de arbeids- en milieugeneeskunde loopt parallel met de ontwikkeling van humane biomonitoring, die wordt omschreven als de herhaalde, gecontroleerde meting van chemische of biomarkers in vloeistoffen, weefsels of andere toegankelijke monsters van proefpersonen die momenteel zijn blootgesteld of in het verleden zijn blootgesteld of zullen worden blootgesteld aan chemische, fysische of biologische risicofactoren op de werkplek en/of in het milieu in het algemeen. Humane biomonitoring is een waardevol instrument voor het schatten van de blootstelling van geselecteerde populaties en wordt momenteel gebruikt in surveillanceprogramma’s over de hele wereld.

Figuur 1

Aantal papers gepubliceerd in de afgelopen 20 jaar. Het onderzoek werd uitgevoerd op Scopus door gebruik te maken van twee onderzoeksquery’s, respectievelijk: (1) “biomarker*” en “bedrijfsgeneeskunde”, (2) “biomarker*” en “milieugeneeskunde” (Scopus, april 2013).

Biomarkers die worden gebruikt bij de monitoring van de menselijke gezondheid in het milieu en op het werk, kunnen worden onderscheiden in drie klassen: biomarker van blootstelling, effect, en vatbaarheid . Biomarkers van blootstelling omvatten meting van de oorspronkelijke verbinding, metabolieten en geven de dosis van blootstelling weer. Biomarkers van effect zijn meetbare biochemische, fysiologische en gedragsveranderingen binnen een organisme die kunnen worden geassocieerd met een vastgestelde of mogelijke gezondheidsstoornis of ziekte. Biomarkers van gevoeligheid duiden op een inherent of verworven vermogen van een organisme om op een specifieke blootstelling te reageren.

In de laatste twee decennia is een verscheidenheid van biomarkers gebruikt om werknemerspopulaties te bestuderen, en deze studies hebben op verschillende niveaus bijgedragen tot de verbetering van de gezondheid op het werk. Op basis van dit succes is er een blijvende behoefte om biomarkers te ontwikkelen en toe te passen als nuttige hulpmiddelen voor het in real time opsporen van blootstelling aan gevaarlijke stoffen op de werkplek en in het milieu in het algemeen.

Een van de eerste gekarakteriseerde biomarkers bij blootstelling van de mens aan het milieu is de remming van het enzym acetylcholinesterase (AChE) als biomarker van het effect op het zenuwstelsel na complexe blootstelling aan organische fosforverbindingen.

Het huidige werk heeft tot doel de recente bevindingen over deze biomarker te evalueren en te bespreken in relatie tot het huidige en toekomstige gebruik in de milieu- en beroepsgezondheidsmonitoring van de mens.

2. AChE: algemene kenmerken

AChE behoort tot de familie van cholinesterasen (ChE’s), dit zijn gespecialiseerde carboxyl-ester hydrolasen die esters van choline afbreken. De cholinesterase-klasse omvat AChE, dat de neurotransmitter acetylcholine hydrolyseert, en pseudocholinesterase of butyrylcholinesterase (BChE), dat butyrylcholine als substraat gebruikt. AChE wordt voornamelijk aangetroffen bij neuromusculaire verbindingen en cholinerge synapsen in het centrale zenuwstelsel. Hier hydrolyseert AChE acetylcholine in choline en acetaat na activering van acetylcholinereceptoren op het postsynaptische membraan. AChE-activiteit dient om synaptische transmissie te beëindigen, waardoor continue zenuwontladingen aan zenuwuiteinden worden voorkomen. Daarom is het essentieel voor de normale werking van het centrale en perifere zenuwstelsel. AChE wordt ook aangetroffen op de membranen van de rode bloedcellen, waar het het Yt-bloedgroepantigeen vormt, ook bekend als Cartwright. Het helpt bij het bepalen van iemands bloedgroep, maar de fysiologische functie op het membraan van erytrocyten is tot op heden onbekend. BChE wordt aangetroffen in plasma en de fysiologische functie ervan in het bloed is nog onbekend.

Het AChE-molecuul bestaat uit twee verschillende eiwitdomeinen: een groot katalytisch domein van ongeveer 500 residuen en een klein C-terminaal peptide van minder dan 50 residuen. AChE is een product van één enkel gen dat in verschillende weefsels tot expressie komt in verschillende splicingvormen. Alternatieve splicing in de 3′ terminus van AChE pre-mRNA produceert drie varianten: de primaire, “synaptische” AChE-S (ook bekend als “tailed,” AChE-T) , de stress-geïnduceerde, oplosbare (readthrough) AChE-R variant, en de erythrocytische AChE-E . Deze isovormen hebben een vergelijkbaar katalytisch domein, maar verschillen in hun C-terminale domein, dat hun moleculaire vorm en lokalisatie beïnvloedt en specifieke kenmerken verleent. “Synaptisch” AChE-S is het belangrijkste multimere enzym in de hersenen en de spieren. Het is typisch tetramerisch en membraangebonden in de synaps. Het oplosbare, monomere “readthrough” AChE-R wordt geïnduceerd onder chemische en fysische stress; het erytrocytische AChE-E is een glycofosfatidylinositol- (GPI-) gebonden dimeer dat gericht is op het plasmamembraan van erytrocyten en lymfocyten. AChE-S en AChE-R zijn ook beschreven in perifere bloedcellen.

De actieve plaats van AChE omvat twee subsites: de anionische en de esteratische subsite. De anionische subsite is de bindingsplaats voor het positieve quaternaire amine van acetylcholine. De esteratische subsite is de plaats waar acetylcholine wordt gehydrolyseerd tot acetaat en choline. De hydrolyse van de carboxylester leidt tot de vorming van een acyl-enzym en vrije choline. Vervolgens ondergaat het acyl-enzym een nucleofiele aanval door een watermolecuul, waarbij azijnzuur vrijkomt en het vrije enzym wordt geregenereerd.

3. Organische fosfor- en carbamaatverbindingen als specifieke remmers van AChE

Organische fosfor- en carbamaatpesticiden staan bekend als specifieke remmers van de katalytische activiteit van aceylcholinesterase. Zij zijn de meest gebruikte pesticiden geworden sinds organochloorpesticiden uit het gebruik zijn genomen. Organische fosfor- en carbamaatverbindingen binden zich met variabele affiniteit aan de esteratische site door respectievelijk fosforylering of decarbamylering, en inactiveren het enzym. Organische fosforverbindingen worden beschouwd als functioneel onomkeerbare remmers van AChE, aangezien de tijd die nodig is om het enzym van de remming te bevrijden groter kan zijn dan de tijd die nodig is voor de synthese van nieuw AChE. Carbamaten daarentegen hebben een vrij snelle decarbamyleringsstap, zodat een aanzienlijk herstel van het enzym in een eindige tijd kan optreden. De hydrolysesnelheid van het gefosforyleerde of gecarbameerde tussenenzym is niet de enige factor die bijdraagt tot de toxiciteit van deze pesticiden. De affiniteit van de serine-hydroxylgroep in de actieve zone (esteratische zone) voor de remmer is een ander belangrijk aspect dat in aanmerking moet worden genomen. Sommige verbindingen hebben een direct effect op het enzym, terwijl andere, zoals parathion of chloorpyrifos, die weinig vermogen hebben om AChE direct te remmen, metabolisch worden geactiveerd door cytochromen P450 om krachtige AChE-remmers te vormen die “zuurstofanaloga” of “oxonen” worden genoemd. Hoewel bekend is dat deze oxonen AChE remmen door fosforylering van Ser-203, zijn de details van de interacties tussen deze oxonen en het enzym onduidelijk. Recente resultaten suggereren dat de interacties van chloorpyrifos oxon met AChE complex zijn en mogelijk de binding van dit oxon aan een secundaire plaats op het enzym inhouden.

Organofosfaat en carbamaat bestrijdingsmiddelen worden op grote schaal gebruikt voor plaagbestrijding op gewassen in de landbouw en op vee en voor residentieel gebruik, met inbegrip van insectenbestrijding in huis en tuin gebruik. In veel landbouwproducten zijn toegestane (en soms ontoelaatbare) gehalten residuen van organo-fosforpesticiden aangetroffen; daarom is geringe blootstelling aan organo-fosforpesticiden via de voeding waarschijnlijk. Beroepsmatige blootstelling vindt plaats in alle stadia van de formulering, vervaardiging en productie van bestrijdingsmiddelen en impliceert blootstelling aan complexe mengsels van verschillende soorten van deze verbindingen. In het algemeen is de blootstelling aan organische fosforpesticiden op het werk kleiner dan de blootstelling in het milieu; speciale bevolkingsgroepen, zoals kinderen die op de boerderij werken, kunnen echter een hogere blootstelling krijgen. Grote hoeveelheden van deze verbindingen komen in het milieu vrij en veel ervan hebben ook een effect op niet-doelorganismen, hetgeen een potentieel gevaar voor de menselijke gezondheid en het milieu vormt. De residuen van organofosfaten en carbamaten die afkomstig zijn van landbouwpraktijken, kunnen vanwege hun oplosbaarheid in water via de bodem in het oppervlaktewater infiltreren. Als gevolg van hun ruime verspreiding zijn residuen aangetroffen in levensmiddelen, grond- en drinkwater, natuurlijke oppervlaktewateren en mariene organismen. Alle mensen worden dus onvermijdelijk blootgesteld aan deze verbindingen en/of hun afbraakproducten door milieuverontreiniging of beroepsmatig gebruik in lucht, water en voedsel. Deze verontreinigende stoffen kunnen niet gemakkelijk door chemische analyse worden opgespoord wegens hun betrekkelijk korte levensduur in het milieu; anderzijds kunnen hun produkten van milieu-afbraak zeer schadelijk zijn, omdat zij anticholinesterase-activiteit behouden.

Zoals onlangs uiteengezet door Black en Read wekt de remming van AChE door organische fosforverbindingen ook een zekere belangstelling in verband met het probleem van de blootstelling aan chemische strijdmiddelen, zoals organische fosforzenuwagentia . Dit zijn de giftigste chemische strijdmiddelen waarvan bekend is dat zij zijn geproduceerd, opgeslagen en bewapend. De ontwikkeling, de produktie, de aanleg van voorraden en het gebruik ervan zijn krachtens het Verdrag inzake Chemische Wapens verboden en zijn, evenals de precursoren ervan, onderworpen aan strenge controles en verificatieprocedures . Het eerste bevestigde gebruik van organo-fosfor zenuwagentia in oorlogsvoering was door Irak in het conflict met Iran (Verenigde Naties, 1984) en door Irak tegen de Koerdische bevolking. Meer recentelijk is er een verhoogd risico dat sommige terroristische groeperingen zenuwagentia gebruiken

4. AChE-remming als biomarker van het effect in de arbeids- en milieugeneeskunde

Als moleculair doelwit van organofosfor- en carbamaatverbindingen werd AChE-meting in het bloed al vroeg erkend als een menselijke biologische marker van het effect van deze moleculen en het werd een diagnostisch hulpmiddel in de biomedische sector. Zoals waargenomen in figuur 2 is in de laatste twee decennia een groeiende belangstelling waargenomen voor AChE als biomarker in de arbeids- en milieugeneeskunde, zoals blijkt uit het groeiende aantal papers op deze gebieden.

Figuur 2

Aantal papers gepubliceerd in de laatste 20 jaar. Het onderzoek werd uitgevoerd op Scopus door gebruik te maken van twee onderzoeksquery’s, respectievelijk: (1) “AChE” en “bedrijfsgeneeskunde”, (2) “AChE” en “Milieugeneeskunde” (Scopus, april 2013).

Heden ten dage is het meten van ChE-niveaus in het bloed de conventionele methode om de mate van beroepsmatige blootstelling aan organofosfaatpesticiden te beoordelen in blootgestelde omgevingen (bijv. omgevingen die betrokken zijn bij de productie en het gebruik van pesticiden) tijdens het periodieke wettelijke medische toezicht in verschillende landen . In Zweden zijn bijvoorbeeld interventieniveaus vastgesteld: als de AChE-remming (berekend ten opzichte van het individuele niveau vóór blootstelling – baseline) 25% bedraagt, moet een tweede meting worden uitgevoerd. Als de daling van de AChE-activiteit wordt bevestigd, moet de blootstelling gedurende 14 dagen worden vermeden.

Bloedcholinesterasemeting is ook nuttig als primaire biomarker in de spoedeisende geneeskunde bij vergiftiging en accidentele blootstelling aan organofosfaten of carbamaten. In de bedrijfs- en milieugeneeskunde zijn AChE in erytrocyten en BChE in plasma of serum de twee belangrijkste typen ChE die in het bloed worden gemeten. De potentiële remming van AChE en BChE varieert sterk tussen de verschillende organische fosforverbindingen. Sommige organofosfaatpesticiden remmen BChE sterker dan AChE. De remming van BChE is sterk gecorreleerd met de intensiteit en de duur van een hogere blootstelling aan een grote groep organofosfaat- en carbamaatpesticiden . De remming van BChE weerspiegelt echter niet de biologische effecten van organofosfaten in het zenuwstelsel. Anderzijds is AChE-remming gevoeliger dan BChE in het geval van chronische blootstelling aan organofosfaat. In feite vertoont AChE-remming door organofosfaat een lagere herstelsnelheid dan BChE en dit veroorzaakt een cumulatief remmend effect op de AChE-activiteit. In tegenstelling tot BChE weerspiegelt de remming van AChE in erytrocyten de biologische effecten van organofosfaat in het zenuwstelsel. Daarom wordt over het algemeen de voorkeur gegeven aan rode bloedcelmetingen van AChE boven plasmametingen van ChE-activiteit, omdat gegevens over rode bloedcellen een betere weergave kunnen geven van de remming van het neurale AChE.

Het succes van het gebruik van AChE-remming als biomarker van het effect van blootstelling aan organofosfaten komt voort uit het feit dat het voldoet aan een aantal kenmerken die nodig zijn voor een succesvolle toepassing van een biologische respons als biomarker bij biomonitoring: de respons is gemakkelijk te meten, vertoont een dosisafhankelijk gedrag bij blootstelling aan de verontreinigende stof, is gevoelig, en vertoont een verband met schadelijke effecten op de gezondheid.

De meest gebruikte methode om de AChE-activiteit in bloed te meten is de Ellman-methode, gebaseerd op de fotometrische bepaling van het chromogene product dat ontstaat bij de reactie tussen acetylthiocholine (het substraat van het enzym) en 5, 5-dithiobis-2-nitrobenzoëzuur (DTNB, Ellman’s reagens). Deze methode is gemakkelijk te gebruiken, maakt gebruik van betrekkelijk goedkope apparatuur en de resultaten zijn nauwkeurig en kwantitatief. Onlangs is de meting van AChE-remming in menselijk speeksel als biomarker van het effect van organofosforpesticiden onderzocht. In de laatste jaren is het gebruik van speeksel als diagnostische vloeistof voor de ontwikkeling van biomarkers snel toegenomen. Het gebruik van speeksel voor de detectie van biomarkers biedt vele voordelen: speekselafname is niet-invasief in vergelijking met flebotomie, het is aanvaardbaarder voor de patiënten, en er is geen risico van prikaccidenten. Deze kenmerken maken het gebruik van speeksel geschikt voor medische bewaking en biologische monitoring. AChE in menselijk speeksel is afkomstig van speekselkliercellen, terwijl BChE afkomstig kan zijn van micro-organismen in de mondholte. Sayer et al. toonden aan dat de AChE katalytische activiteit in speeksel tot 6 uur stabiel is bij kamertemperatuur. Bij een groep fabrieksarbeiders die blootgesteld waren aan pesticiden, bleek de cholinesterase activiteit in speeksel lager te zijn dan bij gezonde controles. Henn et al. suggereerden dat speeksel een nuttige indicator kan zijn voor potentiële neurotoxische effecten van blootstelling aan organofosfor- en carbamaatpesticiden, maar wezen op de noodzaak van verder onderzoek naar de factoren die van invloed zijn op de grote variabiliteit in de metingen in vergelijking met bloed AChE-metingen. In een studie van Ng et al. werd het gebruik van AChE in speeksel als biomarker voor organische fosfaatverbindingen in twijfel getrokken wegens de lage AChE-niveaus in speeksel in vergelijking met erytrocyten en de zwakke correlatie tussen de twee metingen. Daarom is het gebruik van AChE-meting als biomarker van effect in plaats van bloedmeting nog steeds onderwerp van discussie.

Het gebruik van een biomarker bij biomonitoring vereist kennis van de relaties tussen chemische blootstelling, biomarkerresponsen en schadelijke effecten. Deze aspecten zijn goed vastgesteld in het geval van AChE. Verschillende studies hebben een significant verband aangetoond tussen blootstelling aan organische fosforverbindingen en remming van AChE in blootgestelde werknemerspopulaties. Wat het verband tussen remming van AChE en negatieve gezondheidseffecten betreft, is bekend dat een remming van AChE tussen 50% en 60% een dosis-respons patroon opwekt van relatief milde symptomen zoals zwakte, hoofdpijn, duizeligheid, misselijkheid en speekselen met een herstelperiode van 1-3 dagen (figuur 3). Een remming van AChE tussen 60 en 90% veroorzaakt matige symptomen zoals zweten, braken, diarree, beven, gestoord lopen, pijn op de borst en cyanose van de slijmvliezen, die binnen enkele weken verdwijnen. Bij remming van 90-100% treedt de dood op door ademhalings- of hartfalen .

5. Gevoeligheid van AChE voor andere verontreinigende stoffen

In de afgelopen jaren is bij mensen en andere dieren in toenemende mate melding gemaakt van remming van AChE door verschillende andere chemische stoffen dan organofosfaat- en carbamaatpesticiden, waaronder zware metalen, andere pesticiden, polycyclische aromatische koolwaterstoffen, detergenten en componenten van complexe mengsels van verontreinigende stoffen .

Het vermogen van sommige metaalionen, zoals Hg2+, Cd2+, Cu2+, en Pb2+, om de activiteit van AChE in vitro en/of in vivo omstandigheden te onderdrukken is aangetoond in verschillende studies bij mens en dier . Ademuyiwa et al. bestudeerden het mogelijke effect van lood op de AChE-activiteit van erytrocyten tijdens beroepsmatige blootstelling aan dit metaal en suggereerden dat de AChE-activiteit van erytrocyten zou kunnen worden gebruikt als biomarker van loodgeïnduceerde neurotoxiciteit bij beroepsmatig blootgestelde personen.

AChE-activiteit kan ook worden beïnvloed door andere pesticiden uit verschillende chemische families, zoals pyrethroïden , triazinen , en Paraquat . Hernández et al. suggereerden het nut van AChE als biomarker van blootstelling bij het toezicht op werknemers die langdurig zijn blootgesteld aan andere pesticiden dan organofosfaten en carbamaten.

Er zijn ook verschillende bevindingen die wijzen op het anticholinesterase effect van polycyclische aromatische koolwaterstoffen, die veel voorkomende milieuverontreinigingen zijn in oppervlaktewateren, sedimenten, bodem en stedelijke lucht. Deze verbindingen worden gevormd bij de onvolledige verbranding van fossiele brandstoffen, hout, en verbranding van huisvuil, afkomstig van verbrandingsmotoren. Kang en Fang toonden aan dat verscheidene polycyclische aromatische koolwaterstoffen AChE rechtstreeks in vitro remmen. De omvang van de remming verschilt tussen de geteste verbindingen en kan verband houden met het aantal aromatische ringen in de molecule. Interessant is dat polycyclische aromatische koolwaterstoffen in staat zijn om AChE activiteit te remmen op een additieve manier samen met organofosfaat, en niet-competitieve remmers van AChE zijn.

Recentelijk, als gevolg van de groeiende belangstelling voor nanomaterialen in verschillende toepassingen (b.v. elektronica, biogeneeskunde, katalyse, en materiaalkunde) , onderzochten Wang et al. de potentiële effecten van nanodeeltjes op AChE activiteit in vitro. Verschillende soorten nanodeeltjes, waaronder metalen, oxiden en koolstofnanobuizen (SiO2, TiO2, Al2O3, Al, Cu, met koolstof bekleed koper, meerwandige koolstofnanobuizen, en enkelwandige koolstofnanobuizen), vertoonden een hoge affiniteit voor AChE. Cu, Cu-C, meerwandige koolstofnanobuizen, en enkelwandige koolstofnanobuizen MWCNT, SWCNT vertoonden een dosis-respons remming van AChE activiteit met IC50 waarden van respectievelijk 4, 17, 156, en 96 mgL-1. De remming door nanodeeltjes werd voornamelijk veroorzaakt door adsorptie of interactie met het enzym.

Al deze bevindingen over de gevoeligheid van AChE voor verschillende klassen van verontreinigende stoffen anders dan organofosfaat en carbamaat verbindingen moeten in aanmerking worden genomen voor de juiste toepassing van deze biomarker in de milieu- en arbeidsgeneeskunde. In de meeste gevallen worden namelijk gemengde blootstellingen waargenomen. Er zij op gewezen dat niet alleen verschillende verbindingen significante niveaus kunnen bereiken wat het anticholinesterase-effect betreft, maar dat bovendien combinaties van verschillende chemische klassen een additief of synergistisch remmend effect kunnen hebben op de AChE-activiteit. Dit wijst erop dat de toepasbaarheid van AChE bij de biomonitoring en risico-evaluatie in gebieden die door verschillende klassen verontreinigende stoffen zijn verontreinigd, opnieuw moet worden bezien. In deze gevallen zou deze biomarker van nut kunnen zijn voor een integratieve meting van het totale neurotoxische risico dat wordt veroorzaakt door de totale hoeveelheid biologisch beschikbare verontreinigende stoffen die in het milieu aanwezig zijn.

6. Niet-katalytische functies van AChE en gevoeligheid voor organofosfaten

Onderzoek in de afgelopen twintig jaar wijst op extra functies van AChE naast zijn katalytische activiteit en zijn rol bij het beëindigen van neurotransmissie op cholinerge synapsen. Van verschillende isovormen van AChE is aangetoond dat zij celproliferatie, -differentiatie en -reacties op diverse stressfactoren beïnvloeden. AChE blijkt een belangrijke rol te spelen bij axonale uitgroei, synaptogenese, celadhesie, neuronale migratie, hemopoietische stressreacties, en apoptose. Deze functies zijn grotendeels onafhankelijk van het enzymatisch vermogen om acetylcholine te hydrolyseren. De mechanismen die ten grondslag liggen aan deze belangrijke niet-katalytische functies moeten nog worden onderzocht; maar ze lijken alternatief gesplicte AChE varianten in verschillende weefsels te betrekken.

Het is bekend dat meerdere stress stimuli gepaard gaan met een verhoogde verhouding tussen AChE-R en AChE-S in hersenen en bloedcellen .

In de hersenen is AChE-S de belangrijkste isovorm onder fysiologische condities, maar de normaal zeldzame AChE-R variant kan optreden na blootstelling aan fysieke stress of anticholinesterase drugs . In het algemeen houden onder normale omstandigheden de splicingfactoren SC35 en ASF/SF2 elkaar in evenwicht en reguleren zij de splicing van AChE, waarbij het niveau van de AChE-S vorm wordt verhoogd en het niveau van de AChE-R vorm wordt verlaagd. Tijdens stress, induceert de opgehoogde SC35 een onbalans van de dynamische verhouding van AChE-S/R varianten door het verschuiven van de splicing van AChE-S vorm naar de AChE-R vorm door interactie met een specifieke exonische splicing enhancer .

De twee AChE splice varianten, R en S, hebben verschillende functies in ontwikkeling en herstel in de hersenen: de AChE-R isovorm, die bij voorkeur wordt geïnduceerd door verwonding, lijkt herstel te bevorderen en te beschermen tegen neurodegeneratie, terwijl overexpressie van de meer overvloedige synaptische isovorm, AChE-S, de gevoeligheid voor neurotoxiciteit verhoogt.

Recentelijk suggereerden Jameson et al. dat de niet-enzymatische functies van AChE splice varianten een doelwit zijn voor de ontwikkelingsneurotoxiciteit van organofosfaten. Zoals in diermodellen is aangetoond, kunnen organofosfaatverbindingen neurotoxiciteit voor de ontwikkeling veroorzaken bij doses die geen tekenen van systemische intoxicatie veroorzaken en zelfs bij blootstellingen die onder de drempel voor remming van AChE liggen. Bij mensen zijn verbanden waargenomen tussen blootstelling aan organofosfaten tijdens de zwangerschap en stoornissen in de groei van de foetus en de neurocognitieve ontwikkeling bij kinderen. Deze bevindingen hebben in sommige landen geleid tot een beperking van het huishoudelijk gebruik van sommige insecticiden op basis van organo-fosfaten. De mechanismen en gevolgen van door organofosfaten veroorzaakte ontwikkelingsneurotoxiciteit blijven echter een belangrijk milieuprobleem.

Organofosfaten staan erom bekend dat zij de totale expressie van AChE verhogen en de relatieve expressie van AChE-R en AChE-S in de volwassen hersenen van zoogdieren veranderen. Anderzijds wordt tijdens de ontwikkelingsperiode bij blootstelling aan organofosfaten een AChE-patroon veroorzaakt dat wordt geassocieerd met progressieve neurotoxiciteit die wordt gekenmerkt door coproductie van zowel AChE-R als AChE-S bij blootstellingsconcentraties beneden de drempel voor remming van de AChE-katalytische activiteit. Zoals opgemerkt door Jameson et al. , AChE varianten kunnen deelnemen aan en voorspellend zijn voor de relatieve ontwikkelingsneurotoxiciteit van organofosfaten, met inbegrip van cognitieve stoornissen op lange termijn .

Er is onlangs vastgesteld dat blootstelling aan organofosfaten geassocieerd is met een verhoogd risico op de ziekte van Alzheimer bij werknemers die aan deze verbindingen zijn blootgesteld, en bovendien met een verhoogd risico op de ziekte van Alzheimer bij kinderen . Op basis van de studie van Darreh-Shori et al. die de rol van de twee AChE varianten bij de ziekte van Alzheimer hebben onderzocht, is het mogelijk om de hypothese te stellen dat de verschillende AChE isovormen betrokken zijn bij de organofosfaat associatie met de ziekte van Alzheimer bij blootgestelde personen.

Intrigerend is dat al deze resultaten wijzen op de noodzaak van het analyseren van AChE gen splice varianten die belangrijk kunnen zijn in de mechanismen of uitkomsten van organofosfaat-geïnduceerde ontwikkelingsneurotoxiciteit en niet alleen de totale activiteit van het eiwitproduct. Bovendien openen zij nieuwe perspectieven voor het potentiële gebruik van AChE-genexpressie bij biomonitoring en risicobeoordeling. De studie van AChE genvarianten, van hun functies en van de door verontreinigende stoffen veroorzaakte veranderingen in hun expressiepatroon zou kunnen bijdragen tot (1) het opsporen van blootstelling aan concentraties van verontreinigende stoffen die geen tekenen van systemische intoxicatie en AChE remming bij volwassenen veroorzaken, maar die wel in staat zijn om langetermijneffecten op ontwikkelingsstadia te induceren; (2) het definiëren van nieuwe drempelblootstellingsniveaus die het organisme beschermen tegen schadelijke effecten in alle levensfasen; (3) het karakteriseren van nieuwe biomarkers van gevoeligheid.

7. Conclusies

AChE is een van de eerste gevalideerde biomarkers in de milieu- en bedrijfsgeneeskunde en het gebruik ervan is de afgelopen twee decennia toegenomen. Recente bevindingen wijzen echter op nieuwe mogelijkheden van AChE in de humane biomonitoring. De gevoeligheid van de AChE-activiteit voor andere klassen van chemische stoffen, met inbegrip van opkomende verontreinigende stoffen zoals nanomaterialen, suggereert het nut van deze biomarker voor het verstrekken van een integratieve meting van het totale neurotoxische risico als gevolg van de totale belasting van biobeschikbare verontreinigende stoffen in gebieden die zijn verontreinigd door verschillende klassen van verontreinigende stoffen. Bovendien draagt de studie van de expressie van AChE splice varianten, hun rol in de neurotoxiciteit van organofosfaat, bij aan de ontwikkeling van AChE genexpressie als een nieuwe biomarker van gevoeligheid om het begrip van milieu- en beroepsgezondheid te verbeteren.