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Polychlorierte Biphenyle (PCBs) gehören zu den persistenten organischen Kontaminanten (eng. Persistent Organic Pollutants, POPs). Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften wurden die PCBs vielseitig in der Industrie eingesetzt. Jedoch reicherten sich die persistenten Stoffe in der Umwelt an und gelangten so in die Nahrungskette. Daher ist die Hauptexpositionsquelle für den Menschen die Nahrung, insbesondere fetthaltige Nahrung wie Fisch- und Fleischprodukte. Die 209 PCB-Kongenere können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die dioxin-artigen PCBs (DL-PCBs) bilden eine kleine Gruppe von 12 PCBs, die strukturelle und toxikologische Gemeinsamkeiten mit Dioxinen, wie z.B. dem 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin haben. Die nicht dioxin-artigen PCBs (NDL-PCBs) stellen den Rest der 209 Kongenere dar. Sie sind toxikologisch noch wenig charakterisiert, obwohl sie 90% der PCBs repräsentieren, die als Kontaminanten in Lebensmitteln vorkommen. Das Ziel der Arbeit war es die Effekte von ausgewählte NDL-PCBs auf fremdstoffmetabolisierender Leberenzyme, wie die Cytochrome P450 Monooxygenasen (CYP) und die UDP-Glucuronocyltransferasen (UGT), zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hochreine NDL-PCBs verwendet, die geringe dioxin-artige Verunreinigungen aufwiesen. In einer subakuten Studie wurden adulte Sprague-Dawley Ratten mit in Maiskeimöl gelöstem NDL-PCB 52 oder NDL-PCB 180 wiederholt per Schlundsonde behandelt. Die Gesamtdosen betrugen 0 bis 3000 mg/kg KG bei NDL-PCB 52 und 0 bis 1700 mg/kg KG bei NDL-PCB 180. Die Behandlungsdauer betrug 28 Tage. Auf Gen- und Proteinebene wurde keine Induktion von CYP1A1, CYP1A2 und CYP1B1 in der Leber festgestellt. Die CYP2B1-Expression hingegen wurde von beiden PCBs auf Gen- und Proteinebene induziert, wobei NDL-PCB 180 potenter schien. CYP3A1, UGT1A1 und UGT 1A6 wurde nur durch NDL-PCB 180 auf Gen- und Proteinebene induziert. Außerdem induzierten beide Kongenere die katalytische CYP2B1-Aktivität (PROD-Aktivität), wobei wiederum NDL-PCB 180 eine höhere Induktion verursachte. Es konnte auch nur für dieses PCB ein EC50-Wert der PROD-Aktivität von 34,5 ± 4,2 mg/kg KG für männliche und 120 ± 46,7 mg/kg KG für weibliche Tiere ermittelt werden. Die katalytische CYP1-Aktivität (EROD-Aktivität) wurde auch durch beide PCBs induziert, wobei bei NDL-PCB 52 nur bei den Männchen die Aktivität anstieg. In einer perinatal Studie wurden trächtige Spraque-Dawley Ratten mit NDL-PCBs 52 und 180 behandelt. Die Gesamtdosen betrugen 0 bis 3000 mg/kg KG bei NDL-PCB 52 bei NDL-PCB 180 0 bis 1000 mg/kg KG. Die Jungtiere wurden jeweils 7, 35 und 84 Tage nach der Geburt (PND) getötet. NDL-PCB 52 induzierte in keiner Gruppe die EROD-Aktivität. Die PROD-Aktivität wurde nur in der PND7-Gruppe in beiden Geschlechtern induziert. NDL-PCB 180 induzierte die EROD-Aktivität bei der PND7-Gruppe nur in der höchsten Gesamtdosis. Die PROD-Aktivität wurde jedoch konzentrations- und zeitabhängig induziert. In einer Maus-Studie wurden sechs NDL-PCBs (28, 52, 101, 138, 153, 180) und das DL-PCB 126 gestestet. Mit niedrigen Dosen (20 mg/kg KG bei NDL-PCBs, 200 µg/kg KG bei DL-PCB) sollten kurzfristige (1 Tag), mittelfristige (5 Tage) und subakute (28 Tage) Effekte auf Leberenzyme bestimmt werden. Das relative Lebergewicht wurde durch die Behandlung mit NDL-PCB 28 und DL-PCB 126 nach 5 und 28 Tagen erhöht und durch NDL-PCB 153 nach 28 Tagen. Die CYP1A1-Genexpression wurde nur durch DL-PCB 126 induziert. Die CYP2B10-Genexpression wurde in jeder Behandlungsgruppe durch die NDL-PCBs erhöht, mit der Ausnahme von NDL-PCB 28 und DL-PCB 126. Die PROD-Aktivität wurde nach 28 Tagen durch alle PCBs erhöht, nach 5 Tagen verursachte nur NDL-PCB 28 keine Induktion. Bei der 1 Tag-Studie wurde die Aktivität nur durch hochchlorierte PCBs 126, 153 und 180 induziert. Die EROD-Aktivität wurde durch DL-PCB 126 sehr hoch induziert. Erst nach 28 Tagen verursachten die andere PCBs ein Erhöhung der Aktivität. Bei in vitro-Versuchen mit transfizierten humanen Hepatomzellen (HepG2) wurden 20 PCBs getestet. Nach einer 48 stündigen Inkubationszeit vermochte nur DL-PCB 126 das transient transfizierte XRE (Xenobiotic Responsive Element) zu induizieren. Außerdem wurden auch die humanen PBREM/CAR (Phenobarbital Responsive Enhancer Module/Constitutive Androstane Receptor) und XREM (Xenobiotic Responsive Enhancer Module) transient resp. stabil transfiziert. Es zeigte sich, dass die Induktion vom Chlorierungsgrad abhing. Die fünf- und siebenfach chlorierten PCBs induzierten beide, wogegen vier und sechsfach chlorierte eher PBREM/CAR induzierten. Es konnte gezeigt werden, dass die große Gruppe der NDL-PCBs bezüglich ihrer Wirkung keine homogene Gruppe bilden. Bei den Tierversuchen scheinen die hochchlorierten PCBs Mixtyp-Induktoren zu sein, wogegen die niedrigchlorierten eher CYP2B induzierten oder kein Effekt bewirkten. In vitro bestätigte sich, dass der Chlorierungsgrad bei der Induktion der Gene eine wichtige Rolle spielt.
Der Kernrezeptor PXR spielt eine bedeutende Rolle im Fremdstoffmetabolismus als auch im Stoffwechsel endogener Substrate. Er reguliert die Expression zahlreicher Proteine des Fremdstoffwechsels. Deshalb hat die Aktivierung oder Hemmung des PXR einen großen Einfluss auf den Stoffwechselstatus dieser Proteine. Zum derzeitigen Stand der Forschung nimmt der PXR eine Schlüsselfunktion bei der Regulation der CYP3A-Enzyme ein. Es besteht deshalb Interesse Substanzen, die in Verdacht stehen PXR abhängig CYP3A zu induzieren, zu untersuchen. In dieser Arbeit wurden bromierte Flammschutzmittel und der Arzneimittelkandidat EMD untersucht. Aus den Vorversuchen wurde ersichtlich, dass die Rattenhepatomzelllinie H4IIE und die humane Hepatomzelllinie HepG2 geeignete in vitro Systeme zur Untersuchung der PXR-abhängigen CYP3A-Aktivierung darstellen. Untersuchungen zum Genexpressionsverhalten zahlreicher Gene des Fremdstoffmetabolismus mittels TLDA-Karten zeigten, dass die beiden Zelllinien viele dieser Gene exprimieren, die nach Inkubation mit den Prototypinduktoren Rifampicin und Dexamethason spezies-spezifisch reguliert wurden. Die beiden Zelllinien wurden schließlich mit einem Reportergenvektor, der die PXR responsiven Elemente des CYP3A4-Gens enthält, stabil transfiziert. An den stabil transfizierten HepG2-XREM3- und H4IIE-XREM3-Zellen wurden bekannte CYP-Induktoren sowie der Arzneimittelkandidat EMD und die Flammschutzmittel HBCD and der pentaBDE Mix getestet. Die Flammschutzmittel HBCD und der pentaBDE-Mix, werden in Textilwaren, Kunststoffen, Möbeln, Teppichen, Elektrogeräten und Baumaterialen eingesetzt. Falls sie tatsächlich den PXR spezies-spezifisch aktivieren sollten, könnten sie eine Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen. Deshalb wurde in dieser Arbeit die CYP3A-mRNA-Expression, die Protein- sowie die Reportergenaktivität überprüft. Als gemeinsamer Aktivator des hPXR und rPXR stellte sich Clotrimazol, aber auch das Flammschutzmittel HBCD heraus, während pentaBDE ein besserer Ligand des hPXR ist. Omeprazol und Phenobarbital induzierten die rPXR-vermittelte CYP3A-Induktion in H4IIE-XREM3-Zellen nicht; in den humanen HepG2-XREM3-Zellen konnte jedoch eine moderate Reportergenaktivität gemessen werden. Weiteres Interesse besteht an dem Arzneimittelkandidaten EMD zur Behandlung des metabolischen Syndroms und Typ II-Diabetes. In vivo (Affen, Ratten) und in vitro (Hepatozyten) wurden bereits spezies-spezifische Effekte auf die CYP3A-Induktion durch EMD beobachtet. Deshalb wurde in dieser Arbeit der über aktivierten PXR vermittelte Mechanismus an Zelllinien überprüft. Dabei stellte sich heraus, dass EMD ein hPXR-Aktivator und CYP3A-Induktor in HepG2-Zellen, jedoch kein Aktivator von rPXR in H4IIE-Zellen ist. Um schwerwiegende Nebenwirkungen und unvorhersehbare Arzneimittelwechselwirkungen durch die Aufnahme von Fremdstoffen zu verhindern, ist es bei der Neuentwicklung von Wirkstoffen aller Art notwendig, die Stoffe auf eine mögliche Induktion der Fremdstoff-metabolisierenden Enzyme zu untersuchen. Deshalb war das Ziel dieser Arbeit die Etablierung von zell-basierten in vitro Assays zur Ermittlung der spezies-spezifischen PXR-abhängigen Induktion von CYP3A durch Chemikalien und Arzneimittelkandidaten, um mögliche Arzneimittel- und Fremdstoffwechselwirkungen und damit verbundene Sicherheitsrisiken vorhersagen zu können. Das etablierte PXR- Screeningsystem repräsentiert zwei in vitro Modelle, die erlauben spezies-spezifische Wirkungen auf die CYP3A-Induktion von Chemikalien, Umweltkontaminanten, Lebensmittelinhaltsstoffe und Arzneimittel schnell, einfach und kostengünstig abschätzen zu können. Eine frühe Erkennung der PXR-Aktivierung und CYP-Induktion von Arzneimitteln in der Entwicklung kann einen Weiterentwicklungsstopp dieser zur Folge haben. Dies hilft zusätzliche Tierversuche und Kosten einzusparen. Dem 3R-Prinzip (Reduce, Refine, Replace) vom Reduzieren der Anzahl der Tierversuche, der Verbesserung der existierenden Experimente und dem Ersetzen von Tierversuchen durch alternative Methoden (Russel & Burch, 1959) wird durch die stabil transfizierten Zelllinien in zweierlei Hinsicht Rechnung getragen: unnötige Tierversuche können vermieden reduction und die Aussagekraft von durchgeführten Tierstudien (z.B. vom Gesetzgeber geforderte Studien zur Arzneimittelentwicklung) verbessert werden (dies trägt auch zu einem refinement bei). Damit stellen die HepG2-XREM3- und H4IIE-XREM3-Zellen eine wichtige innovative Verbesserung bei der Entwicklung von Arzneistoffen sowie bei der regulatorischen Testung von Chemikalien dar.