Placental tissue as a molecular ‘footprint’ of in utero exposure to fine particles: Set up of a birth cohort

Abstract

The ‘Developmental Origins of Health and Disease’ (DOHaD) or Barker hypothesis suggests that small changes in the prenatal and early postnatal environment shape the future probability of the development of age-related diseases. Among the most hazardous early life environmental risk factors are fine particle air pollution and tobacco smoke, a personalized form of air pollution. While the specific mechanisms behind fetal programming are still poorly understood, evidence is mounting that the placenta plays a central role in an adaptive response to environmental perturbations resulting in altered fetal metabolism. During its nine month lifespan, the human placenta captures morphological, functional, genetic, and epigenetic information, representing thus a molecular ‘footprint’ that can reveal the impact of in utero exposures on the fetus. In this dissertation, we investigated the effect of fine particle exposure on the most important organ in fetal development – the placenta. For this purpose, we focused on three important systems: epigenetics, mitochondria, and thyroid hormones, that could provide a biologically plausible link between in utero exposures and disease risks in adulthood. The specific objectives of this doctoral dissertation were: 1. To establish a population-based prospective birth cohort ‘ENVIRONAGE’. 2. To evaluate the variation of gene-specific methylation in placenta tissue. 3. To replicate (molecular) effects of maternal tobacco smoke exposure during pregnancy. 4. To investigate the association between gestational PM exposure and placental mitochondria and to explore the role of thyroid hormones. 5. To investigate whether PM exposure during pregnancy is associated with genotoxic changes in cord blood. A short description of each chapter in this thesis is summarized in Table 1. Findings of this thesis will contribute to the field of epigenetic epidemiology and provide a basis for future studies of early life exposures, epigenetic mechanisms, mitochondria, and the developmental origins of health and disease. In addition, it will promote preventive health care strategies and contribute to a healthier living environment for pregnant mothers and their children.

De hypothese van de foetale oorsprong van ziektes op volwassen leeftijd (DOHaD), of Barker hypothese, stelt dat blootstellingen aan risicofactoren in de prenatale en vroege postnatale omgeving de kans verhogen op de ontwikkeling van ouderdomsgerelateerde ziektes. Luchtverontreiniging en tabaksrook, een gepersonaliseerde vorm van luchtverontreiniging, behoren tot de meest schadelijke omgevingsblootstellingen. De specifieke mechanismen van foetale programmering zijn nog niet goed begrepen maar er wordt een belangrijke rol toegeschreven aan de placenta die zicht aanpast aan omgevingsblootstellingen wat kan leiden tot permanente veranderingen in het foetale metabolisme. De placenta legt alle morfologische, functionele, genetische en epigenetische informatie vast waardoor dit orgaan gezien kan worden als een moleculaire “voetafdruk” waaraan de foetus is blootgesteld tijdens de zwangerschap. In dit proefschrift onderzochten we het effect van luchtverontreiniging door fijn stof op de placenta, het belangrijkste orgaan tijdens de foetale ontwikkeling. Hiervoor hebben we ons gefocust op drie belangrijke systemen: epigenetica, mitochondriën en schildklierhormonen. De specifieke doelstellingen van dit proefschrift waren: 1. Het oprichten van een populatie-gebaseerd prospectief geboortecohort “ENVIRONAGE”. 2. Het evalueren van de gen-specifieke methylatie variatie in de placenta. 3. Het repliceren van de (moleculaire) effecten van blootstelling aan tabaksrook tijdens de zwangerschap. 4. Het onderzoeken van het verband tussen prenatale fijn stof blootstelling en mitochondriale (epi)genetica in de placenta en het exploreren welke rol schildklierhormonen in dit verband spelen. 5. Het onderzoeken of prenatale blootstelling aan fijn stof geassocieerd is met genotoxische veranderingen in navelstrengbloed. Een korte beschrijving van elk hoofdstuk in dit proefschrift is samengevat in Tabel 1. De bevindingen van dit proefschrift zullen bijdragen leveren aan het onderzoeksdomein epigenetische epidemiologie en vormen een basis voor toekomstig onderzoek naar de foetale oorsprong van ziektes. Dit werk zal ook preventieve gezondheidsstrategieën promoten en bijdragen tot een gezondere leefomgeving voor zwangere moeders en hun kinderen.