The Northern Norway Mother-and-Child Contaminant Cohort Study (MISA): Population Characteristics, Dietary Intake and Predictors of Organochlorine Contaminants in Meconium and Maternal Serum, and of Essential and Toxic Elements in Mothers’ Whole Blood

Abstract

Persistent Organic Pollutants (POPs) and toxic elements are released into the environment and are carried to the Arctic area via the atmosphere, oceanic currents and rivers. They have the ability to accumulate in nature and bioconcentrate in the human food chain. The primary exposure route for these contaminants is through diet, and thus circulating levels in pregnant women can give an indication of the potential risk to the developing fetus. Within countries and internationally, guidelines for safe daily intakes and for concentrations in serum or whole blood have been established to avoid health effects of POPs and toxic inorganic elements. In this context, the rationale for the MISA study was to assess exposure to a suite of environmental pollutants by women during pregnancy and to six weeks postpartum, as well of the unborn/ newborn children. Through a detailed questionnaire information was obtained on food intake (past and present), lifetime residency, education, income and other sociodemographic data, obstetrical history and pregnancy outcome. The specific aim of the thesis was to explore the links between maternal diet and selected personal and obstetrical characteristics with concentrations of PCBs (and hydroxylated metabolites) and organochlorine (OC) pesticides in maternal serum and in newborn first stool, as well as with a selection of essential and toxic metals in maternal whole blood. Of the 515 enrolled women, 391 completed the study protocol that included a self-administrated food frequency questionnaire (FFQ) and donation of biological samples for analyses. The FFQ information was converted into daily intake of energy, micro- and macro-nutrients. Findings were compared to a drop-out group (n = 113) and, when possible, to all delivering women from Northern Norway registered in the Medical Birth Registry of Norway (MBRN) for 2004-2006. Women who completed the study protocol were on average two years older and smoked less compared to all delivering women from Northern Norway and the drop-out group, while other characteristics were comparable between all groups including parity, gestational age, birth weight and selected obstetrical parameters and complications. Dietary intake was less than recommended by the Nordic Nutritional Recommendations (NNR), but nutrient density in terms of intake of micronutrients per mega joule (MJ) complied well. Only minor differences in dietary intake occurred between the study cohort and the drop-out group. The entire MISA cohort (n = 498) was characterized for sources and predictors of POPs using principal component analysis (PCA), while for the elements alone it involved 279 participants, and for all the POPs and elements data combined n = 498. The PCA for the combined group revealed three prominent axes (i.e., new variables) with robust loadings of: (i) all POPs; (ii) arsenic (As), mercury (Hg) and selenium (Se); and (iii) cadmium (Cd) and lead (Pb). In the multivariable linear regression models, the major predictors identified were as follows: age, parity and consumption of fish and local traditional foods for new variable (i); marine fish for (ii); and cigarette smoking, consumption of grains & cereals, and local foods based on hunting for variable (iii). The PCA analysis of the POPs alone separated the contaminants in two new distinct groups, namely PCBs plus p,p′-DDE and the other OC pesticides measured. This grouping was interpreted to reflect different longitudinal trends and the relative contributions (respectively major/minor) to the sum of all POPs. Meconium proved to be useful for measuring fetal exposure to pesticides, PCBs and hydroxylated PCBs. Multivariable linear regression analyses confirmed that maternal serum was the most consistent predictor of meconium concentrations, with gestational age and time of meconium sampling improving the models. Although lipid determinations in meconium is analytically challenging, when comparing lipid-adjusted OC concentrations in meconium and in maternal serum the correlation between them was enhanced, as well as the fractional change in concentrations in meconium per unit change in maternal serum. Our measurement of hydroxylated PCBs in meconium constitutes novel information, and lipid-adjusted OC concentrations in meconium are viewed as a sensitive and informative fetal exposure index. It is evident that maternal serum concentrations of pesticides, PCBs and hydroxylated PCBs were generally low compared to results from other countries, but comparable to findings from Norway. It is concluded that they are not of clinical importance, and thus were of no special concern to the study participants. Similarly, the observed concentrations of essential elements in maternal whole blood may be considered normal in the clinical chemistry context and those for the toxic elements are judged to be relatively low and of no clinical concern. Nevertheless, the MISA study provides an opportunity to follow-up the development of the children, and it is recommended to include measurement of the body burdens of the most prominent POPs, toxic and essential elements examined in the current study, as well as any new environmental toxins.

Tungt løselige organiske miljøgifter og giftige metaller slippes ut i miljøet hvorpå de fraktes til Arktiske strøk via luft, havstrømmer og elver. De har evne til å akkumulere i naturen og oppkonsentreres derfor i næringskjeden. Av denne grunn ansees kosten som den viktigste eksponeringsveien. Miljøgiftsnivåer målt i blodprøver hos gravide kvinner kan således gi en indikasjon på den mulige risikoen for fosterets utvikling. Både lokalt og internasjonalt finnes retningslinjer for tolerabelt daglig inntak av både giftige organiske og uorganiske forbindelser, samt nivåer av disse i blodet som kan gi negative helseeffekter. Dette er bakgrunnen og begrunnelsen for forskningsprosjektet Miljøgifter i svangerskap og i ammeperioden (MISA-studien), der vi har vurdert eksponering for en rekke miljøgifter hos kvinner under graviditeten og etter fødselen, samt hos deres nyfødte barn. Gjennom et detaljert spørreskjema ble kvinnene bedt om å oppgi matinntak (tidligere og nåværende), bosted siden fødsel, utdanning, inntekt og andre sosiodemografiske data, obstetrisk historie og svangerskapsutfall. I tillegg donerte både mor og det nyfødte barnet biologiske prøver til analyser. Hovedformålet med avhandlingen var å undersøke sammenhengen mellom mors kosthold og utvalgte svangerskapsutfall, med vekt på konsentrasjoner av forskjellige persistente organiske miljøgifter (POPer) som PCB (polyklorerte bifenyler), hydroksylerte PCB-metabolitter og pesticider i mors serum og i den første avføring fra nyfødte (mekonium), samt et utvalg av essensielle og giftige elementer i mors fullblod. Av de 515 kvinnene som deltok i prosjektet fullførte 391 studieprotokollen som innebar at de alle hadde besvart spørreskjema, inkludert kostholdskartlegging, samt avlevert biologisk materiale for kjemiske analyser. Kostholdet ble vurdert ut fra daglig inntak av næringsstoffer, hvor både mikro- og makro-næringsstoffer ble beregnet. Resultatene for de 391 kvinnene som fullførte, ble sammenlignet med gruppen som ikke fullførte studie protokollen (drop-out; n =113). En sammenligning ble også gjort med alle fødende kvinner fra Nord-Norge registrert i Medisinsk fødselsregister (MFR) i perioden 2004-06. MISA-kvinner som fullførte studien var i gjennomsnitt to år eldre og røkte mindre i forhold til både drop-out gruppen og fødende kvinner fra Nord-Norge. Mens obstetriske utfall, som for eksempel paritet, svangerskapslengde, fødselsvekt og ulike fødselskomplikasjoner, var sammenlignbare for alle tre grupper. Kostinntaket var mindre enn anbefalt av Nordiske kostanbefalinger (NNR), men næringsstoffinntak per mega joule (MJ) (nutrient density) passet godt til gjeldende anbefalinger. Kun små forskjeller i kostholdet mellom kvinnene som fullførte studien og drop-out gruppen ble observert. Hele MISA kohorten, i alt 498 kvinner, ble analysert for kilder og prediktorer til ved hjelp av Principal Component Analysis (PCA). Analysen for essensielle og giftige elementer involverte 279 deltakere, og for alle POPer og elementer kombinert n = 266 deltakere. PCA analysen for den kombinerte gruppen avdekket tre prominente akser (dvs. nye variabler) med robuste utfall for: (i) alle POPer; (ii) arsen (As), kvikksølv (Hg) og selen (Se); og (iii) kadmium (Cd) og bly (Pb). De multivariable lineære regresjonsmodellene viste følgende tydelige prediktorer: alder, paritet og inntak av fisk og lokale tradisjonelle matvarer for (i); marin fisk for (ii); røyking, inntak av kornprodukter og lokal tradisjonell mat basert på jakt for (iii). PCA analysen som kun inkluderte POPer delte forurensningsstoffene i to nye separate grupper, nemlig PCB og p, p'-DDE i én og de andre pesticidene i den andre gruppen. Denne grupperingen ble tolket til å gjenspeile ulike langsgående trender og det relative bidraget (henholdsvis større/mindre) til summen av alle miljøgifter. Mekonium viste seg å være anvendelig for å måle fosterets eksponering for pesticider, PCB og hydroksylerte PCBer. Multivariabel lineær regresjonsanalyse bekreftet at mors serum var den klareste prediktoren for konsentrasjoner i mekonium, men når svangerskapslengde og tidspunkt for prøvetaking av mekonium ble inkludert i modellen, ble den klarere. Lipid-bestemmelse av mekonium er analytisk utfordrende. Ved å sammenligne lipid-justerte konsentrasjoner i mekonium og i mors serum, ble korrelasjonen mellom dem klarere, likeså endringen av mekoniumskonsentrasjonen per enhet relatert til endring i mors serum. Målinger av hydroksylerte PCBer i mekonium er ikke utført tidligere, og lipidjusterte konsentrasjoner i mekonium blir sett på som en god og informativ eksponeringsindikator for fosteret. Studien konkluderer med at mors serumkonsentrasjon av pesticider (sprøytemidler), PCB og hydroksylerte PCBer generelt var lave sammenlignet med resultater fra andre land, men tilsvarende funn fra andre norske studier. Det konkluderes med at lave konsentrasjoner er uten klinisk betydning og gir dermed ikke særskilt bekymring for deltagerne i studien. Likeledes kan de observerte konsentrasjonene av essensielle elementer (sporstoffer) i mors fullblod ansees normale i klinisk sammenheng. De giftige metallene vurderes å være forholdsvis lave og har ingen klinisk betydning for den enkelte deltaker i studien. Derimot er det nødvendig å følge opp nivåer av giftige metaller og eventuelle nye giftstoffer i forhold til barnas utvikling. MISA-studien gir muligheter for slik oppfølging.