Efeitos de contaminantes ambientais com estrutura análogas a uracila no metabolismo lipídico pró-esteatótico em co-cultura celular e no modelo de cultivo 3D de baixo custo

Abstract

A crescente prevalência da doença hepática gordurosa não alcoólica (NAFLD) constitui um desafio global de saúde, caracterizando-se pelo acúmulo excessivo de gordura no fígado, frequentemente associado à exposição a substâncias tóxicas como pesticidas. No entanto, faltam estudos sobre como esses contaminantes ambientais afetam os processos metabólicos e a sinalização celular responsáveis pelo desenvolvimento dessa condição. Pesticidas, como terbacil e bromacil, com estrutura análoga à uracila, têm o potencial de modular o metabolismo lipídico hepático e induzir efeitos pró-esteatóticos. Portanto, entender detalhes mecanísticos da atuação de pesticidas em células hepáticas pode ser considerado um elemento de grande importância na toxicologia preditiva, visando aplicações biotecnológicas. Diante disso, este estudo desenvolveu e validou um modelo 3D de co-cultura celular de baixo custo para investigar os impactos desses compostos na NAFLD, correlacionando-os a mecanismos epigenéticos e à biossíntese de pirimidinas. As análises bioquímicas e moleculares demonstraram que a exposição a terbacil e bromacil alterou significativamente a viabilidade celular, reduziu o potencial de membrana mitocondrial e aumentou os níveis de GSH e espécies reativas de oxigênio (ROS). Além disso, foi observado acúmulo lipídico, evidenciado pelo aumento dos níveis intracelulares de triglicerídeos, glicose e colesterol, mesmo em concentrações consideradas seguras, como 500 nM de terbacil, comumente detectadas em águas de rios de países desenvolvidos. O modelo 3D foi mais responsivo que o 2D, permitindo melhor representação das condições in vivo e maior capacidade de detectar alterações em vias de sinalização adversa (AOP). A exposição aos pesticidas promoveu mudanças no perfil epigenético, com o bromacil induzindo hipometilação global do DNA de até 36% e o terbacil promovendo hipermetilação de até 21% em concentrações específicas. Além disso, foram observadas alterações moderadas na metilação do RNA e modificações significativas na acetilação das histonas H3 e H4, bem como na metilação da histona H3K4, sugerindo impacto na expressão gênica. Esses achados reforçam o papel crucial da epigenética no desenvolvimento de disfunções hepáticas associadas à exposição a pesticidas. O modelo 3D demonstrou ser uma ferramenta eficiente e economicamente acessível para estudos toxicológicos, com potencial para substituir parcialmente modelos animais e contribuir para a validação de novos biomarcadores moleculares para diagnóstico precoce e monitoramento de exposição a contaminantes ambientais.

The increasing prevalence of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) poses a global health challenge, characterized by excessive fat accumulation in the liver, often associated with exposure to toxic substances such as pesticides. However, studies on how these environmental contaminants affect metabolic processes and cellular signaling involved in the development of this condition remain limited. Pesticides such as terbacil and bromacil, which have a uracil-analogous structure, have the potential to modulate hepatic lipid metabolism and induce pro-steatotic effects. Therefore, understanding the mechanistic details of pesticide action in hepatic cells is crucial for predictive toxicology, with potential biotechnological applications. In this context, this study developed and validated a low-cost 3D co-culture cellular model to investigate the effects of these compounds on NAFLD, correlating them with epigenetic mechanisms and pyrimidine biosynthesis. Biochemical and molecular analyses demonstrated that exposure to terbacil and bromacil significantly altered cell viability, reduced mitochondrial membrane potential, and increased levels of glutathione (GSH) and reactive oxygen species (ROS). Additionally, lipid accumulation was observed, evidenced by increased intracellular levels of triglycerides, glucose, and cholesterol, even at concentrations considered safe, such as 500 nM of terbacil, commonly detected in river waters in developed countries. The 3D model proved to be more responsive than the 2D model, allowing better representation of in vivo conditions and a greater capacity to detect alterations in adverse outcome pathways (AOP). Pesticide exposure induced changes in the epigenetic profile, with bromacil promoting global DNA hypomethylation of up to 36% and terbacil inducing hypermethylation of up to 21% at specific concentrations. Moreover, moderate changes in RNA methylation and significant modifications in histone acetylation (H3 and H4) and histone H3K4 methylation were observed, suggesting an impact on gene expression. These findings highlight the crucial role of epigenetics in the development of hepatic dysfunctions associated with pesticide exposure. The 3D model proved to be an efficient and cost-effective tool for toxicological studies, with the potential to partially replace animal models and contribute to the validation of novel molecular biomarkers for early diagnosis and monitoring of environmental contaminant exposure.