Neurobehavioral effects of early life exposure to Rare Earth Elements in the larval zebrafish (Danio rerio)

Abstract

Sjeldne jordartsstoffer (REE) er unike grunnstoffer som finnes naturlig i mineralform, og som etter menneskelig bruk har blitt funnet i jord, elver, estuarier, avløpsvann og til og med drikkevann. Det finnes økende mistanke om at REE’er kan ha negativ påvirkningsevne på organismer, noe vitenskapen gjenstår å bevise. Spesielt hva angår nevrologiske og adferds-effekter på akvatiske organismer ved de konsentrasjonene som er funnet i naturen. Med dette til grunn har vi brukt sebrafisklarver, en ypperlig modellorganisme for forskning på utvikling, til å undersøke utviklingseffekter utløst av eksponering for miljørelevante konsentrasjoner av de sjeldne jordartsstoffene neodym (Nd), ytterbium (Yb) og gadolinium (Gd). Sistnevnte testes både som gadoliniumklorid og som et chelatert stoff (GBCA) som er vanlig å injisere i menneskepasienter ved magnetresonansundersøkelser (MR). Dette ble utført ved å måle dødelighet, analysere adferd, måle hjernestørrelse og hjerneaktivitet. Hjerneaktivitet ble målt ved hjelp av å skanne hele larvehjerner med immunohistokjemisk-merkede, fosforylerte ekstracellulære signal-regulerte kinaser ½ (pERK) i 6 dager gamle sebrafisklarver etter jordartsstoff-eksponering. Resultatene våre viste null effekt på dødelighet etter 5 dagers eksponering for de sjeldne jordartsstoffene ved konsentrasjoner 0.5-5000 µg/L. Adferd ble målt som svømmedistanse for Gd og GBCA, og ingen effekter ble funnet med unntak av en dose-respons trend for Gd. Ingen av stoffene påførte larvene tydelige effekter i hjernemorfologi. Hjerneaktivitet ble påvirket av de sjeldne jordartsstoffene: Nd-eksponering (5000 µg/L) førte til en svært liten aktivering av nerveceller i midthjernen, mens Yb-eksponering (5000 µg/L) førte til en omfattende aktivering i hele hjernen. Hjernene som ble eksponert for Gd (300-3000 µg/L) produserte en klar inhibisjon av nerveceller i hele hjernen. Denne inhibisjonen ble bredere og sterkere ved høyere konsentrasjon av Gd. GBCA-eksponerte hjerner erfarte en svak og tilfeldig aktivering i enkelte hjerneregioner. Sammenfattet antyder våre funn at konsentrasjonene av Nd, Yb, og Gd som finnes i miljøet i dag ikke er akutt giftige, men kan potensielt frembringe effekter på nervesystemet i utviklende sebrafisklarver. Funnene impliserer også at GBCA er relativt ufarlig ved disse konsentrasjonene. I tillegg viser vi robustheten til teknikken vi har brukt, pERK-kartlegging, og oppfordrer forskere til å utnytte den samme metoden i fremtidig REE-forskning.

Rare earth elements (REEs) are elements with unique properties that have in recent years become contaminants of concern. REEs have been discovered in soil, rivers, estuaries, drinking water and waste-water effluents, possibly affecting aquatic organisms on their way. As a response to this, research on possible adverse effects of REE exposure has increased, but still a lot is unknown about possible neurobehavioral effects on aquatic vertebrates from REE exposure at environmental doses. Therefore, we have used larval zebrafish (Danio rerio), an excellent model organism for developmental research, to investigate developmental effects from exposure to environmentally relevant concentrations of the light REE neodymium (Nd), the heavy REE ytterbium (Yb), and the medium REE gadolinium (Gd) as a soluble salt and as a chelated molecule. This was done by performing mortality counting and behavioral assays, as well as measuring brain size and activity by whole larval brain imaging and detection of phosphorylated extracellular signal-regulated kinase 1/2 (pERK) in 6 dpf zebrafish larvae. Our results showed no lethal toxicity from Nd, Yb, Gd or Gd-based contrast agent (GBCA) exposure for 5 days at 0,5-5000 µg/L. 3-3000 µg/L Gd or GBCA did not produce changes in behavior, although we did see a trend for a dose-dependent relationship with Gd concentration and locomotor activity. No apparent changes in brain morphology were found from either of the chemicals. Nd exposure (5000 µg/L) induced a slight activation of neurons in the mesencephalon, but a broad and extensive brain activation was found for Yb-exposed (5000 µg/L) larvae. Gd (300-3000 µg/L) produced inhibition in neurons globally in the larval brain, with a positive dose-response relationship between inhibition and concentration. GBCA (300-3000 µg/L) produced very low and sparce activation in the brain. In summation, our findings suggest that the early life exposure to Nd, Yb and Gd at concentrations corresponding to levels in the environment are not acutely toxic but can induce developmental effects on the nervous system in zebrafish larvae. They also imply that GBCA is safe at these concentrations. Our results also show the accuracy and robustness of the pERK mapping technique and encourage researchers to apply this technique in future studies.