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Acrylamid und Acrolein gehören zu den alpha,beta-ungesättigten Carbonylverbindungen. Sie zeichnen sich wie andere alpha,beta-ungesättigte Carbonylverbindungen durch eine hohe Reaktionsfähigkeit aus. Einerseits können sie leicht mit Proteinen und DNA reagieren, was zytotoxische und genotoxische Wirkungen hervorrufen kann, andererseits können sie aber auch schnell durch Glutathionkonjugation detoxifiziert werden.
Acrylamid ist eine in großem Umfang produzierte Industriechemikalie, die hauptsächlich Anwendung bei der Herstellung von Polyacrylamidprodukten findet. Aus Acrylamid hergestellte Polymere und Copolymere werden in der Kosmetikindustrie, als Bindemittel bei der Papierherstellung, als Flockungsmittel in der Abwasseraufbereitung und in biochemischen Laboratorien verwendet. Nachdem Acrylamid-Hämoglobin-Addukte im Jahre 2002 auch in nicht Acrylamid-exponierten Personen gefunden wurden, vermutete man Lebensmittel als mögliche Expositionsquelle. Anschließende Studien konnten dies bestätigen und zeigten, dass Acrylamid beim Erhitzen von Lebensmitteln vor allem bei hohen Temperaturen im Verlauf der Maillard-Reaktion gebildet werden kann. Die World Health Organisation (WHO) beziffert die weltweite durchschnittliche Exposition mit Acrylamid über Lebensmittel auf 1-4 µg Acrylamid/kg Körpergewicht (KG) und Tag. Acrylamid zeigte in verschiedenen Studien neurotoxische, entwicklungs- und reproduktionstoxische, genotoxische und kanzerogene Wirkungen. Acrylamid wurde im Jahre 1994 von der International Agency for Research on Cancer (IARC) in die Gruppe 2A als Stoff eingestuft, der wahrscheinlich krebserzeugend beim Menschen ist.
Acrylamid wird im Organismus zum genotoxischen Metaboliten Glycidamid gegiftet. Glycidamid bildet DNA-Addukte vor allem mit dem N7 des Guanins. Glycidamid-DNA-Addukte konnten im Tierversuch an Nagern nach Verabreichung hoher Mengen Acrylamid in allen untersuchten Organen gefunden werden. Als Hauptweg der Entgiftung von Acrylamid und Glycidamid gilt die Bindung an Glutathion (GSH) und der Abbau und die Ausscheidung als Mercaptursäure (MA) in Urin. Aufgrund des oxidativen Metabolismus von Acrylamid hängt die biologische Wirkung wesentlich vom Gleichgewicht der giftenden und entgiftenden Metabolismuswege in der Leber ab.
Acrolein wird seit 1940 kommerziell zur Herstellung von Acrylsäure, dem Ausgangsprodukt für Acrylatpolymere industriell produziert. Außerdem kann Acrolein aus Aminosäuren, Fetten oder Kohlenhydraten während des Erhitzens von Lebensmitteln gebildet werden. Während der Zubereitung von kohlenhydratreichen Lebensmitteln kann Acrolein wie auch Acrylamid im Verlauf der Maillard-Reaktion entstehen. Acrolein ist als einfachster alpha,beta-ungesättigter Aldehyd hochreaktiv gegenüber Nukleophilen wie z.B. Thiol- oder Aminogruppen unter Ausbildung von Michael-Addukten. Die hohe Reaktivität und Flüchtigkeit von Acrolein führt dazu, dass derzeit nur wenig zuverlässige Daten zu Acrolein-Gehalten speziell in kohlenhydratreichen Lebensmitteln vorliegen; sofern Daten zu Gehalten vorhanden sind, bewegen sich diese im niedrigen µg/kg-Bereich. Zudem ist bisher ungeklärt, in welchem Ausmaß Acrolein zur humanen Gesamtexposition gegenüber hitzeinduzierten Schadstoffen neben Acrylamid in Lebensmitteln beiträgt. Die derzeitige Datenlage lässt eine eindeutige Risikobewertung nicht zu. Eine stetige Exposition mit Acrolein gilt als sicher. In verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, dass die toxikologischen Effekte von Acrolein im Gegensatz zu Acrylamid insgesamt nicht auf einer erhöhten Tumorinzidenz beruhen. Daher wurde Acrolein von der IARC in Kategorie 3 eingestuft: Es gilt als möglicherweise krebserzeugend beim Menschen, allerdings ist die Datenlage nicht ausreichend, um eine eindeutige Beurteilung vornehmen zu können.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Toxikokinetik und -dynamik der beim Erhitzen von Lebensmitteln entstehenden Kontaminanten Acrylamid und Acrolein in vitro und in vivo zu untersuchen. Im Vordergrund stand die Erfassung dosisabhängiger Genotoxizität von Acrylamid sowie der MA als wichtigste Entgiftungsreaktion im Tierversuch im Bereich der derzeitigen Verbraucherexposition. Die Ergebnisse, insbesondere zur Toxikokinetik, sollten durch in vitro Versuche in primären Rattenhepatozyten untermauert werden. Außerdem sollte vergleichend die bisher kaum mithilfe von Biomarkern untersuchte nahrungsbezogene Exposition des Verbrauchers mit Acrylamid und Acrolein bestimmt werden. Eine Dosis-Wirkungsuntersuchung an Sprague Dawley (SD)-Ratten im Dosisbereich von 0,1 bis 10.000 µg/kg KG lieferte erstmals quantitative Informationen zur DNA-Adduktbildung durch den genotoxischen Acrylamid-Metaboliten Glycidamid bis in niedrigste Expositionsbereiche. In diesem Niedrigdosisbereich (0,1 bis 10 µg/kg KG) liegt die nach Einmaldosierung gemessene N7-GA-Gua-Bildung im unteren Bereich der humanen Hintergrundgewebsspiegel für DNA-Läsionen verschiedenen Ursprungs. Dieser Befund könnte die zukünftige Risikobewertung von Expositionen mit solchen genotoxischen Kanzerogenen auf eine neue und der Messung zugängliche Basis stellen. Mit der in dieser Arbeit eingesetzten extrem empfindlichen instrumentellen Analytik sind erstmals Messungen von genotoxischen Ereignissen bis in den Bereich der Verbraucherexposition möglich geworden. Es bleibt allerdings zu beachten, das Genotoxizität zwar eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für Mutagenität und maligne Transformation ist. Die auf ein genotoxisches Ereignis folgende biologische Antwort, muss jedoch in die Risikobewertung mit einbezogen werden.
In primären Rattenhepatozyten ließ sich bei Inkubation mit Acrylamid zeigen, dass GSH-Addukte deutlich früher bei niedrigeren Acrylamidkonzentrationen nachweisbar sind als Glycidamid und N7-GA-Gua-Addukte. Der direkte Vergleich der Bildung von Glycidamid mit jener der AA-GSH-Addukte ließ schließen, dass die Entgiftung von Acrylamid in primären Rattenhepatozyten bis zu dreifach schneller verläuft als die Giftung. Zusätzlich ließ sich erstmals zeigen, dass primäre Rattenhepatozyten neben der Kopplung von Xenobiotika an GSH, zumindest auch in kleinen Anteilen zur Umwandlung in die entsprechenden MA fähig sind.
Um das von Acrolein ausgehende Gefährdungspotential zu untersuchen, wurde dessen DNA-Adduktbildung in vitro untersucht. Als Biomarker für die Bildung eines Haupt-DNA-Adduktes wurde fünffach 15N-markiertes Hydroxypropanodeoxyguanosin (OH-[15N5]-PdG) synthetisiert und charakterisiert. DNA Inkubationsversuche mit Acrolein zeigten eine konzentrations- und zeitabhängige Bildung der OH-PdG-Addukte. Acrolein reagierte nur wenig langsamer als Glycidamid zu diesen Addukten.
Zur Untersuchung der Toxikokinetik von Acrylamid und Acrolein in vivo nach Aufnahme von hoch belasteten bzw. kommerziell erhältlichen Kartoffelchips wurden die Ergebnisse aus zwei Humanstudien durchgeführt und ausgewertet. Die Ausscheidungskinetiken Acrolein-assoziierter MA im Menschen korrelierten eindeutig mit der Aufnahme von Kartoffelchips. Der Vergleich der im Urin ausgeschiedenen Mengen an Acrolein- bzw. Acrylamid-assoziierten MA ließ auf eine wesentlich höhere nahrungsbezogene Exposition mit Acrolein (4- bis 12-fach) verglichen mit Acrylamid schließen. Analytische Messungen der Acroleingehalte in den Lebensmitteln hatten aber nur eine Kontamination ergeben, die nur einen geringen Anteil der expositionsbedingt im Urin erfassten MA-Mengen erklären kann. Ob Acrolein an der Lebensmittelmatrix in einer Weise gebunden vorliegt, dass es sich der analytischen Erfassung durch die zur Verfügung stehenden Verfahren wie Headspace-GC/MS entzieht und erst nach Aufnahme in den Organismus freigesetzt wird, wird Gegenstand künftiger Untersuchungen. Zusätzlich liefern die Ergebnisse beider Humanstudien starke Hinweise auf eine endogene Bildung von Acrolein, da auch in den Wash-out Phasen ein relativ hoher Anteil an Acrolein-assoziierten MA erfasst wurde. Zukünftige Untersuchungen sollten die endogene Exposition und die Bildungsmechanismen von Acrolein und anderen Alkenalen aus verschiedenen physiologischen Quellen genauer untersuchen, und in Beziehung setzen zur exogenen, ernährungsbezogenen Exposition. Ebenso sollten künftig verstärkt die Auswirkungen kombinierter Exposition durch solche erhitzungsbedingt gebildeten Stoffe untersucht werden.
Acrylamid ist eine Lebensmittelkontaminante, welche durch die sogenannte Maillard-Reaktion im Lebensmittel gebildet wird. Acrylamid entsteht insbesondere bei der Zubereitung kohlenhydratreicher hocherhitzer Lebensmittel, wie z.B. Pommes frites, Chips, Cerealien und ähnlichen Produkten. Die mittlere tägliche Exposition, durch den Verzehr von Lebensmittel liegt bei ca. 0,4–1,9 µg/kg Körpergewicht und Tag. Darüber hinaus entsteht Acrylamid in Folge von Pyrolyseprozessen, weshalb Tabakrauchen einen weiteren Expositionsweg darstellt. Die Menge des dabei entstehenden Acrylamids im Hauptstrom von Zigarettenrauch liegt bei 1,1–2,3 µg/Zigarette. In Studien erwies sich die Substanz als reproduktions- und gentoxisch, sowie kanzerogen beim Nager und zudem als neurotoxisch sowohl im Nager als auch beim Menschen. Bereits 1994 wurde Acrylamid von der International Agency for Research on Cancer (IARC) als wahrscheinlich krebserzeugend für den Menschen (Gruppe 2A) eingestuft. Im Zuge des Fremdstoffmetabolismus wird Acrylamid in der Leber zu Glycidamid umgesetzt. Katalysiert wird die Reaktion durch das Enzym CYP2E1 ist. Als reaktives Epoxid kann Glycidamid an die DNA binden, wodurch das in vorliegender Arbeit behandelte N7-(2-Carbamoyl-2-Hydroxyethyl)-guanin (N7-GA-Gua), gebildet wird. Dieses DNA-Addukt bildet das Hauptaddukt der Reaktion aus GA und DNA-Bausteinen.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine hochsensitive UHPLC-ESIpos-MS/MS-Methode zu entwickeln, um damit anschließend eine mögliche Hintergrundbelastung mit Acrylamid anhand des N7-GA-Gua-Addukts sowohl im Tier als auch im Menschen nachzuweisen und damit eine bessere Datenlage über die Substanz zu erhalten.
Zu Beginn dieser Arbeit wurden Synthesen der für die chromatographische Analytik benötigten Verbindungen durchgeführt. Hierbei konnten erstmals Glycidamid Kristalle erhalten und untersucht werden. In nachfolgenden in-vitro-Experimenten wurden die Zytotoxizität von Acrylamid und dessen Metaboliten mittels Resazurin-Reduktionstest, sowie die Bildung von N7-GA-Gua in primären Rattenhepatozyten (pRH) nach Inkubation mit Acrylamid, untersucht. Im Resazurin Test erwies sich Acrylamid in Konzentrationen bis zu 2500 µM als nicht zytotoxisch und konnte daher zur Inkubation der Zellen mit Konzentrationen bis zu 2000 µM Acrylamid eingesetzt werden. Im anschließend durchgeführten Inkubationsversuch, bei dem die Zellen mit 2–2000 µM Acrylamid über 1, 16 oder 24 h inkubiert wurden, konnten in allen Testkonzentrationen N7-GA-Gua-Addukte bestimmt werden. Dank der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten sensitiven analytischen Methode, konnten N7-GA-Gua-Addukte auch in den Organen (Lunge, Niere und teilweise Leber) vom Nager (C57BL/6jRj- und BKS(D) Leprdb/JOrLR Maus und Wistar-Ratte) bestimmt werden. Geschlechts- oder organabhängige Effekte konnten nicht festgestellt werden. Einzig die Anzahl an N7-GA-Gua lag in den C57BL/6jRj-Mäusen signifikant über denen der Wistar-Ratten. In der durchgeführten Humanstudie konnten im Blut von 48 der 60 Probanden Addukte nachgewiesen werden. Signifikante Einflüsse der Lebensführung, des Alters und der Ernährung der Probanden auf den Hintergrund-Adduktgehalte wurden nicht festgestellt; es ergab sich lediglich eine schwache Korrelation zwischen der Anzahl an N7-GA-Gua und dem Gewicht bzw. dem BMI der Studienteilnehmer.
Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit wichtige Erkenntnisse über die Gehalte an N7-GA-Gua in vitro in primären Rattenhepatozyten, als auch in vivo in Organen von Ratte und Maus, sowie im Blut des Menschen. Die Ergebnisse tragen zur Verbesserung der Datenlage über Acrylamid bei. Insbesondere die Ergebnisse der durchgeführten Humanstudie liefern Einblicke in die Hintergrundbelastung an N7 GA-Gua im Querschnitt der Bevölkerung und können daher auch für die Risikobetrachtung von Acrylamid sowie zur Ableitung weiterer Forschungsarbeiten und Studien von Interesse sein.
Charakterisierung der DNA-schädigenden Wirkung von Acrylamid in Lebensmitteln am Modell der Ratte
(2010)
Die alpha,beta-ungesättigte Carbonylverbindung Acrylamid entsteht beim Erhitzen von kohlenhydratreichen Lebensmitteln aus der Reaktion von Aminosäuren (hauptsächlich Asparagin) und reduzierenden Zuckern als Nebenprodukt der Maillard-Reaktion. In Langzeitstudien an Ratten wurde ein kanzerogenes Potential von Acrylamid nachgewiesen, was zu seiner Klassifizierung als „wahrscheinlich kanzerogen am Menschen“ (Kategorie 2a) durch die International Agency for Research on Cancer führte. Als Auslöser der Kanzerogenität von Acrylamid wird ein genotoxischer Mechanismus vermutet, der auf der Reaktion von Glycidamid mit der DNA unter Ausbildung des Hauptadduktes N7-Glycidamid-Guanin (N7-GA-Guanin) basiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der genotoxischen Wirkung von Acrylamid in vivo anhand des modifizierten Comet Assays sowie der massenspektrometrischen Untersuchung von N7-GA-Guanin-Addukten. Die Problematik wurde in zwei Teilprojekten bearbeitet. Zum einen wurde die Auswirkung verschiedener Lebensmittelmatrices auf die genotoxische Wirkung von Acrylamid in der Ratte im Vergleich zur Acrylamid-Aufnahme über Trinkwasser per Schlundsonde untersucht. Dazu wurden jeweils drei Ratten über maximal neun Tage mit Acrylamid-Dosen von 50 µg/kg KG/d in Trinkwasser oder Brotkruste bzw. 100 µg/kg KG/d in Trinkwasser (Schlundsonde), geschnittenen und rekonstituierten Pommes Frites sowie Lebkuchen behandelt. Zusätzlich wurde jeweils drei Tiere einmalig eine Dosis von 450 µg bzw. 900 µg Acrylamid/kg KG in Trinkwasser mittels Schlundsonde verabreicht, was der maximalen Aufnahmemenge über neun Tage entspricht. Außerdem wurde zwei Tieren einmalig 10 mg Acrylamid/kg KG in Trinkwasser per Schlundsonde gegeben. Die Tötung der Tiere sowie Blut- und Organentnahme erfolgten 24 Stunden nach der letzten Acrylamid-Gabe. Die Untersuchung der Blut- und Leberzellen mittels modifiziertem Comet Assay ließ auf keine signifikante DNA-Schädigung der mit 50 oder 100 µg Acrylamid/kg KG behandelten Tiere schließen. Auch die einmalige Verabreichung von 450 µg bzw. 900 µg Acrylamid/kg KG im Trinkwasser führte zu keiner signifikanten Erhöhung der DNA-Schädigung. Lediglich nach der Gabe von 10 mg Acrylamid/kg KG wurden DNA-Schäden in Blut und Leber detektiert. In den Geweben der für maximal neun Tage mit 50 oder 100 µg Acrylamid/kg KG im Trinkwasser oder Lebensmittel behandelten Ratten wurden keine N7-GA-Guanin-Addukte detektiert und lagen somit unterhalb der Nachweisgrenze von 1 Addukt/10E8 Nukleotide. Nach einmaliger Verabreichung von 450 µg Acrylamid/kg KG wurden in allen Organen der behandelten Tiere N7-GA-Guanin-Addukte detektiert, die allerdings unterhalb der Bestimmungsgrenze von 3 Addukten/10E8 Nukleotide lagen. Die einmalige Gabe von 900 µg und 10 mg Acrylamid/kg KG führte zu quantifizierbaren Addukten in allen untersuchten Organen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die zeit- und dosisabhängige Bildung von N7-GA-Guanin-Addukten in der DNA aus Leber, Niere und Lunge weiblicher Sprague-Dawley Ratten untersucht. Dazu wurden die Ratten zunächst einmalig mit 1 mg oder 10 mg Acrylamid/kg KG per Schlundsonde behandelt und die Gewebeproben nach 8, 16 oder 24 Stunden entnommen und untersucht. Nach Ermittlung des Zeitpunktes der maximalen N7-GA-Guanin-Adduktbildung wurden weitere Ratten einmalig mit 0,1 mg, 0,5 mg, 3 mg oder 6 mg Acrylamid/kg KG behandelt. Neben der N7-GA-Guanin-Adduktbildung wurde die Bildung der Mercaptursäuren von Acrylamid und Glycidamid mittels HPLC-MS/MS untersucht. Die Mercaptursäuren AAMA und GAMA entstehen als Abbauprodukte der Glutathionkonjugate von Acrylamid und Glycidamid und werden über den Urin ausgeschieden. Die dosisabhängige Bildung von N7-GA-Guanin-Addukten wurde 16 Stunden nach Verabreichung von Acrylamiddosen zwischen 0,1 mg und 10 mg/kg KG untersucht. Die N7-GA-Guanin-Addukte konnten erst ab einer Dosis von 1 mg Acrylamid/kg KG in der DNA der Tiere quantifiziert werden. Die Adduktbildung in der 0,1 mg Acrylamid/kg KG-Gruppe lag unterhalb der Nachweisgrenze, während die Addukte in der 0,5 mg Acrylamid/kg KG-Gruppe zwar nachweisbar, aber nicht quantifizierbar waren. Im Bereich von 1 bis 10 mg Acrylamid/kg KG wurde ein dosisabhängiger Anstieg der N7-GA-Guanin-Addukte beobachtet. Die Ergebnisse der gemessenen Mercaptursäuren zeigen insgesamt, dass 53-55 % der Acrylamid-Dosis von 1 und 10 mg/kg KG innerhalb von 24 Stunden als Mercaptursäuren ausgeschieden werden und dadurch eine effektive Entgiftung von Acrylamid gewährleistet ist. Anhand der ausgeschiedenen GAMA-Menge lässt sich rückschließen, dass 14-18 % der verabreichten 1 und 10 mg Acrylamid/kg KG innerhalb von 24 Stunden zu Glycidamid metabolisiert werden. Die Untersuchung der Mercaptursäuren im 16-Stunden-Sammelurin nach Gabe von 0,1 bis 10 mg Acrylamid/kg KG zeigte, dass die absolute Ausscheidung von AAMA und GAMA linear mit der Dosis ansteigt.
Acrylamid (AA) ist ein Kanzerogen, das beim Braten, Backen und Frittieren stärkehaltiger Le-bensmittel im Wesentlichen aus dem Vorläufer Asparagin in Gegenwart reduzierender Zucker in substantiellen Mengen gebildet wird. AA wird im Organismus metabolisch zu Glycidamid (GA) umgewandelt. Für GA wurden DNA-Addukte insbesondere mit dem N7 des Guanins nachgewiesen. Von besonderem Interesse für die Risikobewertung von AA ist Aufklärung des kanzerogenen Wirkmechanismus sowie des genotoxischen Potentials im Vergleich zu anderen bekannten Kanzerogenen. Ziel der Arbeit war es daher, das genotoxische Potential von AA und seinen Metaboliten GA sowie deren genotoxischen Wirkmechanismus zu charakterisieren. AA wurde im Vergleich zu den alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen Acrolein (Ac) und Hexenal (Hex) getestet, GA vergleichend zu aktiven Formen der Kanzerogene Benzo[a]pyren (B[a]P) und N-Nitrosodiethanolamin (NDELA) sowie den N-Nitrosoharnstoffen MNU und HENU und ausgewählten N-Nitroso-oxazolidinonen, einer Gruppe von N-Nitrosaminen, welche möglicherweise endogen im Organismus gebildet und nach Hydrolyse in ihre biologisch aktive Form überführt werden. Humanes Vollblut, isolierte Lymphozyten sowie V79-Säugerzellen wurden als Testsysteme verwendet. Als Endpunkte der Genotoxizität wurde die Induktion und Kinetik der Abnahme von DNA-Strangbrüchen sowie der Einfluss von Glutathion auf die DNA-Strangbruchinduktion im Comet Assay bestimmt. Die Sensitivität und Selektivität des Comet Assays wurde durch zusätzliche Behandlung der DNA mit dem DNA-Reparaturenzym Formamido-pyrimidin-DNA-glykosylase (FPG) gesteigert. FPG erkennt AP Stellen, ring-geöffnete Pyrimidine sowie oxidierte Purine und überführt diese in zusätzliche DNA-Strangbrüche. Das mutagene Potential der Verbindungen nach 5-tägiger Expressionszeit wurde in V79 Zellen mittels hPRT-Genmutations-Assay untersucht. AA erwies sich in allen Testsystemen als nicht genotoxisch. Die im Vergleich getesteten alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen Ac und Hex waren ebenfalls in humanem Vollblut nicht genotoxisch, verursachten jedoch in isolierten Lymphozyten in hohen Konzentrationen(> 3000 µM) DNA-Strangbrüche. GA war in allen Testsystemen genotoxisch. Im Comet Assay ohne FPG zeigten sich DNA-Strangbrüche ab 300 µM (1h). Nach zusätzlicher Behandlung der DNA mit FPG wurden bereits ab 10 µM (4h) DNA-Strangbrüche detektiert. DNA-Schäden waren erst ab einer Inkubationszeit von einer Stunde signifikant und erreichten nach 24h ein Maximum. GA induzierte in V79 Zellen zudem erst in 80-fach höheren Konzentrationen hPRT-Mutationen (800 µM) als DNA-Strangbrüche. Zusätzlich zeigte sich, dass die Mutationsrate erst in Konzentrationen signifikant erhöht war, in denen eine Reduktion der DNA-Schäden nicht mehr effektiv erfolgte. Die Genotoxizität von GA beruht vermutlich auf der präferentiellen Bindung an N7-Guanin. Die entstehenden N7-G-Addukte werden entweder spontan zur AP Stelle depuriniert oder zum Formamido-pyrimidin ring-geöffnet. Beide Arten von Folgeprodukten sind FPG-Substrate und werden vermutlich effizient repariert, sodass es erst bei hohen lokalen Konzentrationen (> 800 µM) zu einer signifikanten Ausprägung von Mutationen kommt. Die im Vergleich zu GA getesteten Kanzerogene (±)-BPDE und alpha-Acetoxy-NDELA waren im Comet Assay bei ähnlichen Konzentrationen genotoxisch (10-30 µM; 1h). Im Gegensatz zu GA induzierten beide allerdings hPRT-Mutationen (3-10 µM) im gleichen Konzentrationsbereich wie DNA-Strangbrüche. Ähnliche genotoxische Eigenschaften zeigten auch die im Vergleich zu GA getesteten N-Nitrosoverbindungen. Die Gruppe der N-Nitroso-oxazolidinone wurde erstmals im Hinblick auf Genotoxizität und Mutagenität geprüft. NOZ-2 induzierte in V79 Zellen bereits nach 15’ ab 3 µM maximal DNA-Strangbrüche. HENU induzierte DNA-Strangbrüche ab 100 µM (15’). In beiden Fällen hatte FPG keinen Einfluss auf die DNA-Strangbruchinduktion. Sowohl NOZ-2 als auch HENU sind hydroxyethylierend. Im Gegensatz dazu, waren das carboxymethylierende oder methylierende NOZ-5 und das methylierende MNU im Comet Assay ohne FPG nur gering aktiv (> 300 resp. 1000 µM; 15’), während nach FPG-Behandlung die Aktivität im Comet Assay (NOZ-5: >10µM; MNU: >100µM; 15’) deutlich gesteigert war. Die Kinetik der Abnahme von DNA-Strangbrüchen ist für die Verbindungen unterschiedlich. Während die NOZ-2-induzierten DNA-Läsionen (30µM) persistieren, wurden die durch NOZ-5 und HENU induzierten DNA-Schäden -vergleichbar mit GA- effektiv innerhalb einer 8-stündigen Nachbehandlungszeit reduziert. Für alle untersuchten N-Nitrosoverbindungen waren hPRT-Mutationen im gleichen Konzentrationsbereich wie DNA-Strangbrüche im Comet Assay mit FPG nachweisbar. Die N-Nitrosoverbindungen sind damit insgesamt deutlich potenter mutagen als GA. NOZ-2 und HENU führen vermutlich vergleichbar mit alpha-Acetoxy-NDELA zu einer Hydroxyethylierung der DNA-Phosphodiester. Die resultierenden Phosphotriester sind instabil und werden voraussichtlich schnell in DNA-Strangbrüche gespalten. Des Weiteren ist die Bildung instabiler N7-G- und promutagener O6-G-2-Hydroxyethyl-Addukte zu erwarten. Das potentiell DNA-carboxymethylierende/methylierende NOZ-5 und das DNA-methylierende MNU alkylieren ver-mutlich die gleichen Positionen in der DNA. Allerdings scheinen die gebildeten Methyl- oder Carboxymethyl-Phosphotriester stabil zu sein und werden nicht spontan in Strangbrüche überführt. Die gebildeten N7-G-Addukte sind FPG-Substrate, was sich am FPG-vermittelten Anstieg der DNA-Strangbruchrate zeigt. Dies steht im Gegensatz zu NOZ-2, bei welchem FPG keinen Einfluss auf die DNA-Strangbruchinduktion hatte. Vermutlich ist dies auf die Hydroxyethylierung der Phosphat-Gruppen durch NOZ-2 zurückzuführen, deren spontane DNA-Strangbruch-Induktion den Nachweis von N7-G-Addukten mittels FPG überlagert. Weiterhin zeigte sich, dass trotz vergleichbar hoher hPRT-Mutagenität, NOZ-5-induzierte DNA-Schäden deutlich geringer persistent als entsprechende NOZ-2-Läsionen sind. Das mutagene Potential von NOZ-5 ist daher vermutlich, neben anderen nicht reparierten DNA-Schäden, auf promutagene O6-G-Addukte zurückzuführen, welche in MGMT-defizienten V79 Zellen nicht repariert werden. Orientierend wurde der Einfluss detoxifizierender Makromoleküle auf die Genotoxizität von GA und alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen durch Vergleich der Aktivitäten in humanem Vollblut und isolierten Lymphozyten sowie durch Co-Inkubation mit Glutathion (GSH) in V79 Zellen untersucht. Während Ac und Hex in isolierten Lymphozyten deutlich potenter DNA-schädigend als in humanem Vollblut sind, ist GA in beiden Systemen vergleichbar genotoxisch. Offensichtlich wird in humanem Vollblut die Aktivität von GA durch detoxifizierende Blutbestandteile nur unwesentlich beeinflusst. Ein entsprechender Effekt zeigt sich auch bei der Co-Inkubation von V79 Zellen. Während GSH die DNA-schädigende Wirkung von Ac und Hex in V79 Zellen deutlich reduzierte, war für GA kein signifikanter Unterschied zur DNA-Strangbruchrate in ausschließlich GA-behandelten Zellen nachzuweisen. Zusammenfassend konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, dass AA selbst nicht genotoxisch bzw. mutagen ist; Ac und Hex in humanem Vollblut ebenfalls nicht genotoxisch sind, allerdings in isolierten Lymphozyten bei hohen Konzentrationen (> 3000 µM) Genotoxizität induzieren; die genotoxische/ mutagene Wirkung von AA durch GA vermittelt wird; GA im Vergleich zu anderen potenten Kanzerogenen Genotoxizität nur sehr langsam induziert (signifikant nach 1h) und eher schwach mutagen ist; GA-induzierte DNA-Läsionen schnell (innerhalb von 8h) repariert werden;die physiologische Umgebung in Humanblut nur geringen Einfluss auf die biologische Aktivität von GA hat; NOZ-2 vergleichbar mit HENU mit und ohne FPG-Behandlung signifikant DNA-Strangbrüche erzeugt. Vermutlich führt die Hydroxylierung am Phosphat-Rückgrad zu spontanen Strangbrüchen, die den FPG-Effekt überlagern; NOZ-5 (vermutlich methylierend oder carboxymethylierend im Comet Assay) im Gegensatz dazu ohne FPG-Behandlung im Comet Assay nur schwach aktiv ist, während nach FPG-Behandlung offenbar die vermutete Bildung von N7-G-Addukten zum Tragen kommt; NOZ’s in V79-Zellen potente Mutagene sind; dies vermutlich in Folge von O6-Guanin-Addukt-Bildung, welche in MGMT-defizienten V79 Zellen nicht repariert werden; durch Kombination unterschiedlicher Protokolle des Comet-Genotoxizitäts- und hPRT-Mutagenitätstests orientierende Aussagen über den Zusammenhang zwischen DNA-Alkylierung, Detoxifizierung, DNA-Reparatur und der Entstehung von Mutationen gemacht werden können.
Bei Acrylamid handelt es sich um ein genotoxisches Kanzerogen, welches beim Erhitzen von Lebensmitteln gebildet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit spezifische Lebensmittelmatrices die Bioverfügbarkeit und den Metabolismus von Acrylamid beeinflussen. Lebkuchen als zuckerhaltiges, fettarmes und trockenes Lebensmittel auf Getreidebasis und Pommes frites (fett- und wasserreich; Kartoffelbasis) die entweder direkt aus der Kartoffel geschnitten (mit intakter Gewebestruktur) oder aus Kartoffelerzeugnissen „rekombiniert“ wurden sowie Brotkruste wurden an männliche Sprague Dawley-Ratten über 1, 3, 5, 7 und 9 Tage verfüttert und mit der Aufnahme von Acrylamid über Trinkwasser (Schlundsondierung)verglichen. Die täglich verabreichte Acrylamid-Dosis lag bei 100 µg/kg KG für Pommes frites und Lebkuchen bzw. 50 µg/kg KG für Brotkruste. Als Langzeit-Expositionsbiomarker wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin (Val) am Hämoglobin (Hb) herangezogen. Das Ausmaß der AAVal-Bildung in den Tieren, denen Acrylamid über Pommes frites verabreicht wurde, entsprach jener nach Gabe einer entsprechenden Dosis Acrylamid in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen), was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Lediglich in den Gruppen, die Acrylamid über Brotkruste erhielten, wurde eine geringfügig verminderte Bildung von AAVal-Hb-Addukten im Vergleich zu den AA-TW-Gruppen beobachtet. Nach Aufnahme von Acrylamid über Pommes frites wurde kein signifikanter Unterschied in der Gesamtausscheidung an Mercaptursäuren im Vergleich zur Gabe in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen) beobachtet, was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Bei den mit Brotkruste gefütterten Tieren wurde eine im Vergleich zu AA-TW-Gruppen geringfügig erniedrigte Ausscheidung an AAMA beobachtet, was im Einklang mit der erniedrigten AA-Val-Bildung steht. Für die Ermittlung der Gesamtbilanz an Acrylamid-Ausscheidung aus dem Organismus wurde auch die Acrylamid- und Glycidamid-Ausscheidung im 24-Stunden-Sammelurin bestimmt. Die ausgeschiedenen Anteile an der verabreichten Tagesdosis leisten einen im Vergleich zu den Mercaptursäuren verhältnismäßig geringen Beitrag zur Gesamtausscheidung einer verabreichten Acrylamid-Dosis. Zur Untersuchung der Resorptionskinetik von Acrylamid bei Verabreichung über Pommes frites im Vergleich zur Aufnahme in Trinkwasser (Schlundsondierung) wurden über einen Zeitraum von 4 Stunden die Acrylamid- und Glycidamid-Gehalte in Rattenserum bestimmt. Insgesamt deutet der zeitliche Verlauf der Acrylamid-Serumkonzentration in der mit Pommes frites gefütterten Gruppe auf eine im Vergleich zur AA-TW-Gruppe verzögerte Freisetzung bzw. verlangsamte Resorption von Acrylamid im Gastrointestinaltrakt hin. Zur Abschätzung der Hintergrundbelastung mit Acrylamid wurden in 8 humanen Blutproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Hämoglobin-Addukten (AAVal, GAVal) sowie in 10 humanen Urinproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Mercaptursäuren (AAMA, GAMA) bestimmt. Bei den Rauchern wurden deutlich höhere AAVal-Gehalte im Vergleich zu Nichtrauchern gemessen, wohingegen die Gehalte an GAVal auf vergleichbarem Niveau lagen. Darüber hinaus wurde bei den Rauchern eine im Vergleich zu Nichtrauchern signifikant höhere Ausscheidung von AAMA und GAMA beobachtet, wobei die entsprechenden GAMA/AAMA-Verhältnisse bei Rauchern erniedrigt waren. Im Rahmen einer humanen Verzehrsstudie „Bedeutung der CYP450 2E1-Aktivität für die Toxikokinetik von Acrylamid beim Menschen“ wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin des Hämoglobin bestimmt. Dabei wurde das Ausmaß der Addukt-Bildung bei 13 Probanden nach Aufnahme von ca. 1 mg Acrylamid über Kartoffel-Chips jeweils bei unbeeinflusster, gehemmter und induzierter CYP450 2E1-Aktivität untersucht. In der Referenzperiode ohne Komedikation wurde bei diesen Probanden ein Anstieg der AAVal-Gehalte um 8 ± 5 pmol/g Hb beobachtet. Ein im Vergleich zur R-Phase signifikant erhöhter AAVal-Anstieg (12 ± 5 pmol/g Hb) zeigte sich in der Testperiode T1, in der CYP450 2E1 durch Disulfiram gehemmt wurde. In der Testperiode T2, in der CYP450 2E1 durch eine Vorbehandlung mit Ethanol induziert wurde, wiesen die AAVal-Gehalte einen mit der R-Phase vergleichbaren Anstieg um 9 ± 5 pmol/g Hb auf. Für GAVal hingegen konnten aufgrund der größeren Messwertschwankungen keine signifikanten Veränderungen in der Testperiode T1 bzw. T2 im Vergleich zur Referenzperiode festgestellt werden. Darüber hinaus wurde bei 3 Probanden der zeitliche Verlauf der AAVal-Bildung in den jeweiligen Testperioden über einen Zeitraum von 24 Stunden untersucht. Die maximale AAVal-Konzentration wurde bei den untersuchten Probanden im Zeitraum von 8-10 Stunden erreicht, wobei anschließend ein Plateau-förmiger Verlauf der Bildungskurven beobachtet wurde.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Adduktbildung von Acrylamid und Glycidamid mit dem N-terminalen Valin des Hämoglobins unter verschiedenen Aspekten untersucht. Die Bestimmung der Biomarker AAVal und GAVal erfolgte unter Anwendung des modifizierten Edman-Abbaus und einer sich anschließenden Analytik mittels LC/MS/MS oder GC/MS. Die zur Quantifizierung von AAVal und GAVal benötigten Pentafluorphenylthiohydantoin-Derivate wurden synthetisiert und charakterisiert. Mit Hilfe der GC/MS-Methodik wurden Hintergrundadduktgehalte gefunden, die bei Nichtrauchern durchschnittlich 37 pmol AAVal/g Hb und 21 pmol GAVal/g Hb betrugen, während Raucher mit durchschnittlich 91 pmol AAVal/g Hb deutlich höhere Werte aufwiesen. Diese Werte liegen im Bereich der üblicherweise gefundenen Hintergrundadduktgehalte für AAVal und GAVal. Ein Raucher wies abweichend davon mit 859 pmol AAVal/g Hb und 211 pmol GAVal/g Hb eine überdurchschnittlich hohe Hintergrundbelastung auf. Es wurde eine Dosimetrie der Adduktbildung von Acrylamid und Glycidamid durch Inkubation von Humanblut durchgeführt. Die LC/MS/MS-Methodik wies dabei keine ausreichende Sensitivität auf. Die Kinetik dieser Reaktion im Konzentrationsbereich der Hintergrundadduktgehalte nach Inkubation mit 0,3, 3 und 10 µM für 1 bzw. 4 Stunden wurde deshalb mittels GC/MS untersucht. Nach vierstündiger Inkubation zeigte der AAVal-Gehalt bei Inkubation mit 0,3 µM Acrylamid einen statistisch signifikanten Anstieg (p<0,01), während der GAVal-Gehalt erst bei Inkubation mit 3 µM Glycidamid statistisch signifikant anwuchs (p<0,01). Im Hinblick auf die unter vergleichbaren Bedingungen mittels Comet Assay detektierten DNA-Strangbrüche ab 10 µM Glycidamid, kann auf Grund des geringen Konzentrationsabstandes ein partieller Schutz der Zellen vor Glycidamid-induzierten DNA-Schäden durch Addukbildung mit dem Hämoglobin angenommen werden. Die um den Faktor 2-4 höher erscheinende Reaktivität von Acrylamid gegenüber dem N-terminalen Valin kann durch weitere Bestandteile im Blut mit nukleophilen Zentren beeinflusst sein. Um die Effektivität der Abspaltung von AAVal und GAVal bei der Derivatisierung zu den PFPTH-Derivaten bei Quantifizierung des Adduktgehaltes berücksichtigen zu sollten Methoden zur Verwendung von Dipeptid-Standardsubstanzen etabliert werden. Auf Grund der Unsicherheiten bei der Charakterisierung wurden diese jedoch nur für orientierende Untersuchungen verwendet. Nach Inkubation des humanen Vollblutes mit 3 und 30 µM [2,3-14C-Acrylamid] für 15 Minuten, 1, 4 oder 6 Stunden zeigte sich eine schnelle Verteilung des Acrylamids über die einzelnen Blutkompartimente und eine schnell erfolgende Reaktion mit nukleophilen Zentren. Die Radioaktivität liegt zu 9-14 % an Plasmaproteine gebunden vor, während auf das Hämoglobin 7 % und auf Erythrozytenfragmente weitere 8 % entfallen. Somit liegen 25-35 % des Acrylamids gebunden vor. Es ist jedoch auf Grund der hohen Konzentration von GSH im Erythrozyten-Zytosol eine insgesamt höhere Bindung des Acrylamids zu erwarten. Im Rahmen einer humanen Acrylamid-Verzehrsstudie wurde die zeitliche Veränderung von AAVal und GAVal bei 3 ausgewählten Probanden nach der in der jeweiligen Studienphase in Form von Kartoffelchips verabreichten Menge von 1 mg untersucht. In der Referenzperiode R zeigte AAVal bei diesen Probanden einen durchschnittlichen Anstieg von 17 %. Eine höhere Zuwachsrate von 39 % zeigte AAVal in der Testperiode T1, in der CYP 2E1 durch Disulfiram gehemmt wurde und somit kein oxidativer Metabolismus zu Glycidamid stattfand. In der Testperiode T2, in der CYP 2E1 durch eine Vorbehandlung mit Ethanol induziert wurde, wies AAVal einen der Referenzphase vergleichbaren Anstieg um 19 % auf. Die höhere statistische Signifikanz des Anstiegs von AAVal in der Testperiode T1 im Vergleich zu den beiden anderen Studienabschnitten konnte mit Hilfe einer geeigneten statistischen Auswertung gezeigt werden. Für GAVal hingegen konnte auf Grund der größeren Messwertschwankungen nur für die gesamte Studiendauer ein Anstieg um 49 % festgestellt werden. Für den Anstieg von GAVal deutet sich ein Zusammenhang mit der individuellen CYP 2E1-Aktivität der drei Probanden, deren Phänotypisierung mittels Chlorzoxazon-Metabolismus bestimmt wurde. Diese Tendenz bestätigt sich jedoch nicht für die Gesamtheit der 16 Probanden. In dieser Arbeit wurde die Effizienz der Adduktbildung von Acrylamid und Glycidamid mit Hämoglobin unter verschiedenen Aspekten aufgezeigt. Ob die protektiven Mechanismen auf zellulärer Ebene ausreichend sind, um elektrophile Xenobiotika wie Acrylamid und Glycidamid bis hin zu einem möglicherweise vorhandenen Schwellenwert biologisch zu inaktivieren, müssen weitere Untersuchungen aufzeigen.