Impacts of Embryonic Exposure to PCBs on Heart Development - PowerPoint PPT Presentation

Impacts ¡of ¡Embryonic ¡Exposure ¡to ¡ PCBs ¡on ¡Heart ¡Development ¡in ¡ Japanese ¡Quail ¡ ¡ Mary ¡Ann ¡O@nger + , ¡Tenley ¡Diaz, ¡Rachel ¡Sclarsky, ¡ Tiffany ¡Carro, ¡Karen ¡M. ¡Dean 1 , ¡Leah ¡D. ¡Baltos ¡ ¡ Department ¡of ¡Animal ¡and ¡Avian ¡Sciences, ¡University ¡ of ¡Maryland, ¡College ¡Park, ¡MD; ¡ 1 University ¡of ¡ Lethbridge, ¡Lethbridge ¡Canada ¡ + Current ¡Address: ¡ ¡University ¡of ¡Houston, ¡Houston, ¡TX ¡

Why ¡are ¡PCBs ¡a ¡Concern? ¡ • EPA ¡: ¡PCBs ¡& ¡Adverse ¡Health ¡Effects ¡ – Mortality ¡at ¡high ¡exposure ¡levels ¡ – Carcinogenicity ¡ – Impaired ¡immune ¡response ¡funcWon ¡ – Impaired ¡reproducWve ¡fitness ¡ – Impaired ¡nervous ¡system ¡funcWon ¡ – Endocrine ¡disrupWon ¡ – Possible ¡cardiovascular ¡impairment ¡ – Prenatal ¡development ¡not ¡well ¡ understood ¡ Photo courtesy of J. ¡ Weiderhorn • PCBs ¡banned ¡from ¡manufacture, ¡ processing, ¡distribuWon ¡in ¡1979 ¡ • 1980: ¡EPA ¡established ¡the ¡ Comprehensive ¡Environmental ¡ Response ¡and ¡Liability ¡Act ¡(CERCLA) ¡

Studies ¡Assessing ¡the ¡Cardiovascular ¡System ¡ • Wildlife ¡studies ¡ (DeWi` ¡ et ¡al ., ¡2006) ¡ – Limited ¡number ¡of ¡studies ¡ ¡ – Large ¡sample ¡sizes ¡needed ¡ – Variability ¡in ¡age ¡ • Laboratory ¡studies ¡ ¡ ¡(Walker ¡& ¡Catron, ¡2000; ¡Henshel ¡& ¡Sparks, ¡2006; ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Photo by Picturesofbirds Kopf ¡& ¡Walker, ¡2009) ¡ – Only ¡studied ¡most ¡biologically ¡toxic ¡ PCB ¡congeners ¡ – Few ¡PCB ¡mixtures ¡studied ¡ – Rarely ¡address ¡ventricular ¡wall ¡ thinning ¡and ¡involved ¡mechanisms ¡ ¡ Photo by Rebecca Craig

Comparing ¡PotenWal ¡Adverse ¡Effects ¡ • Field ¡studies ¡in ¡tree ¡swallows ¡revealed ¡heart ¡impacts ¡from ¡ PCB ¡77 ¡exposure ¡(Carro ¡et ¡al., ¡2009 ¡SETAC ¡PresentaWon) ¡ • Chick ¡embryos ¡showed ¡dose-­‑related ¡heart ¡abnormaliWes, ¡ parWcularly ¡loss ¡of ¡ventricular ¡wall ¡compact ¡layer ¡(Carro ¡et ¡ al., ¡ETC ¡32 ¡(6): ¡1317-­‑24; ¡1325-­‑31) ¡ • Comparison ¡of ¡mixtures ¡(58 ¡congeners=Sandpiper ¡Mix; ¡66 ¡ congeners=Tree ¡Swallow ¡Mix) ¡with ¡PCB ¡77, ¡PCB ¡126, ¡ estradiol ¡and ¡vehicles ¡in ¡laboratory ¡model ¡(Japanese ¡quail) ¡ under ¡controlled ¡condiWons ¡to ¡reveal ¡adverse ¡effects ¡ • ¡study ¡specific ¡impacts, ¡in ¡this ¡study—effects ¡on ¡cardiac ¡ development ¡

Heart ¡Effects ¡of ¡PCB ¡Mix: ¡ ¡ Tiffany ¡Carro’s ¡Studies ¡ Incidence of Cardiomyopathies Increased in PCB Treatments Compared to Controls 100 75 50 25 0 Treatments ( µ g/g egg wt) From Carro et al., 2013

Ventricular Wall Compact Layer was Absent in Chicken Embryos Exposed to the PCB Mix 100 90 † 80 70 †: Tukey’s post-hoc (compared to controls) p<0.05 Treatment ( µ g/g egg wt) From Carro et al., 2013

Percent Survival Decreased Across PCB Treatments at HH16 and HH20 in Chicken Embryos 100 Control 0.08 µ g/g egg wt 90 † 0.50 µ g/g egg wt 80 ‡ Same % Survival as Hatchlings 70 ‡ 60 50 HH10 HH16 HH20 Embryonic Stage of Development †: Tukey’s post-hoc p<0.05 ‡: Tukey’s post-hoc p<0.05 From Carro et al., 2013

Early ¡Effects ¡of ¡PCB ¡Mix ¡on ¡Chick ¡Embryos ¡ Incidence of Cardiomyopathies Increased in PCB Treatments Untreated 95 0.08 µ g/g egg wt 85 0.50 µ g/g egg wt 75 ‡ Low # of 65 † surviving embryos 55 45 HH10 HH16 HH20 †: Tukey’s post-hoc p<0.05 Embryonic Stage of Development ‡: Tukey’s post-hoc p<0.05 From Carro et al., 2013

PCBs ¡Decreased ¡ProliferaWon ¡ ¡ Rates of Proliferating Cardiomyocytes Decreased Across PCB Treatments 25 Control 0.08 µ g/g egg wt 20 0.50 µ g/g egg wt 15 ‡ 10 ‡ † 5 0 HH10 HH16 HH20 †: Tukey’s post-hoc p<0.05 ‡: Tukey’s post-hoc p<0.05 Embryonic Stage of Development From Carro et al., 2013

Most ¡Common ¡Abnormality ¡IdenWfied ¡was ¡Non-­‑ CompacWon ¡of ¡the ¡Ventricular ¡Wall ¡ thickness Overall wall Compact Layer Trabeculated Layer Non-compaction causes: -cardiac arrhythmia -systemic embolism Brief description of ventricular wall formation -myocardial infarction

Exp ¡2: ¡Results ¡ VMHC Whole-mount Immunohistochemistry at HH20 shows Cardiomyopathies in Embryos Exposed to the PCB mix (0.08 or 0.50 µg/ g egg wt SD) Contro 0.08 0.50 l Overexposed for Projector

VMHC and pHH3 Immunohistochemistry of Heart Sections at HH20 shows Cardiomyopathies (0.08 µg/g egg wt SD) and Reduced Proliferation Rates (both [PCB mix] SD) in Embryos Exposed to the PCB mix VMH pHH3 DAPI MERGE D C Control VMH pHH3 DAPI MERGE D C 0.08 VMH pHH3 DAPI MERGE D C 0.50

PCB mixtures: • Based on profile of PCBs measured in spotted sandpiper or tree swallow eggs collected at the Upper Hudson River, NY in 2004 • 58 ¡or ¡66 ¡different ¡congeners ¡in ¡injecWon ¡mixture ¡: ¡49 ¡of ¡highest ¡ ranked ¡congeners ¡on ¡a ¡mass ¡basis; ¡represented ¡95% ¡of ¡the ¡total ¡ PCB ¡content ¡in ¡the ¡sandpiper ¡eggs ¡on ¡a ¡mass ¡basis; ¡see ¡ ¡ ¡ h`p://www.fws.gov/contaminants/restoraWonplans/HudsonRiver/docs/ Trustee_USGS_Avian_Egg_InjecWon_Studies_Dosing_SoluWons_final.pdf ¡ h`p://www.fws.gov/contaminants/restoraWonplans/HudsonRiver/docs/ 58CongenerReportREVISED.pdf ¡ ¡ ¡ ¡ • Contains ¡9 ¡dioxin-­‑like ¡PCBs ¡of ¡toxicological ¡importance ¡ ¡ • All ¡congeners ¡in ¡mixture ¡at ¡relaWve ¡proporWon ¡to ¡levels ¡in ¡ sandpiper ¡egg ¡sample ¡ • Excluded ¡non ¡dioxin-­‑like ¡congeners ¡that ¡cumulaWvely ¡ consWtuted ¡<5% ¡of ¡the ¡mass ¡

Experimental ¡Design ¡ ¡ n=30/treatment ¡group * TRES: tree swallow; **SPSA: spotted sandpiper

Mortality ¡During ¡Development ¡

Lethality ¡Dose-­‑Response ¡Curves ¡from ¡ ¡ Japanese ¡Quail ¡Study ¡

100 (a) Mortality (%) 80 60 40 Lethality curves: 20 0 Probit Analysis 0.1 1 10 100 1,000 PCB 77 (ng/g) provide comparisons 100 (b) Mortality (%) 80 of embryonic effects 60 of the PCBs, either 40 20 separately or as 0 0.1 1 10 100 1,000 10,000 mixes. PCB 126 (ng/g) 100 (c) Mortality (%) 80 60 40 20 0 10 100 1,000 10,000 100,000 Spotted Sandpiper PCB Mixture (ng/g) 100 (d) Mortality (%) 80 60 40 20 0 10 100 1,000 10,000 100,000 Tree Swallow PCB Mixture (ng/g)

% ¡of ¡Birds ¡Having ¡Mul2ple ¡Abnormali2es ¡ 1.2 ¡ 1 ¡ 0.8 ¡ % 0.6 ¡ 0.4 ¡ 0.2 ¡ 0 ¡ Control ¡ spsa ¡3750 ¡ tres ¡3750 ¡ pcb77 ¡25 ¡ spsa ¡15000 ¡ pcb126 ¡25.6 ¡ tres ¡15000 ¡ pcb77 ¡400 ¡ pcb126 ¡400 ¡

% ¡Individuals ¡with ¡Mul2ple ¡Abnormali2es ¡ 1.2 ¡ 1 ¡ tres ¡3750, ¡1 ¡ pcb126 ¡400, ¡1 ¡ pcb77 ¡25, ¡0.8 ¡ spsa ¡3750, ¡0.8 ¡ 0.8 ¡ spsa ¡15000, ¡0.75 ¡ % ¡Abnormal ¡Hearts ¡ 0.6 ¡ pcb126 ¡25.6, ¡0.4 ¡ 0.4 ¡ tres ¡15000, ¡0.4 ¡ Control, ¡0.266666667 ¡ 0.2 ¡ pcb77 ¡400, ¡0.2 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡ 9 ¡ 10 ¡ TEQs ¡ ¡

Comparison of TEQ Expected versus Observed with Treatments 1.2 ¡ 1 ¡ 0.8 ¡ 0.6 ¡ observed ¡% ¡issues ¡ expected ¡% ¡issues ¡ 0.4 ¡ 0.2 ¡ 0 ¡ 0.419 ¡ 1.033 ¡ 1.25 ¡ 1.934 ¡ 2.56 ¡ 4.767 ¡ 20 ¡ 40 ¡ spsa ¡3750 ¡ tres ¡3750 ¡ pcb77 ¡25 ¡ spsa ¡15000 ¡ pcb126 ¡25.6 ¡ tres ¡15000 ¡ pcb77 ¡400 ¡ pcb126 ¡400 ¡