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Microcystine (MCs) und Nodularine (NODs) sind zyklische Hepatotoxine, die wegen ihrer strukturellen Modifikationen eine hohe Diversität aufweisen. Da Cyanobakterien, die diese Toxine produzieren, an vielen Standorten wachsen können, stellt eine Vergiftung durch MCs und NODs weltweit ein ernstes gesundheitliches Problem für Mensch und Tier dar.
Die Überwachung von Gewässern erfolgt bislang auf die rechtlich relevanten MCs MC-LR, MC-RR und MC-YR mit Hilfe einer HPLC-UV-Vis-Messmethode gemäß der Norm ISO 20179. Dabei werden aber die ebenfalls vorkommenden MCs, NOD und die entsprechenden Desmethyl-Varianten, über deren Struktur-Wirkungsbeziehung wenig bekannt ist, nicht voneinander getrennt und gemeinsam miterfasst.
Durch diese Arbeit sollte die Auswirkung einer Hemmung von Proteinphosphatasen (PP1 und PP2A), über welche MCs und NODs in vivo und in vitro auf Hepatozyten Einfluss nehmen, in primären Ratten- und Humanhepatozyten untersucht werden. Außerdem sollte der Zusammenhang zwischen chemischer Struktur und toxikologischer Relevanz von MCs und NODs und ihrer Desmethyl-Varianten aufgeklärt werden.
Sowohl in primären Ratten- als auch in Humanhepatozyten konnte bestätigt werden, dass nicht nur die rechtlich relevanten MCs MC-LR, MC-RR und MC-YR für eine Überwachung von Lebensmitteln und Gewässern entscheidend sind, sondern alle getesteten MCs und NODs und deren desmethylierten Kongenere ein hohes zytotoxisches Potential aufweisen. Dabei kann aber keine direkte Abhängigkeit einer PP-Inhibierung und Zytotoxizität gesetzt werden. Vielmehr spielt die Toxikokinetik wie die Aufnahme der Toxine über spezifische Transporter (OATP) in die Leber und die Entgiftung über den Glutathion-Detoxifizierungsweg eine wichtige Rolle. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die zytotoxische Wirkung auf primäre humane Hepatozyten um ein Vielfaches geringer war als auf primäre Rattenhepatozyten, weshalb von einer Speziesabhängigkeit gesprochen werden kann.
Weiterhin wird durch diese Arbeit belegt, dass die MC- und NOD-vermittelte PP-Hemmung zeit- und konzentrationsabhängig sowohl Apoptosen auslöst und als auch in der Lage ist Apoptosemarker wie Bax und Bcl-xL zu beeinflussen und die MAPK-Signalkette aktiviert, was mit Zellproliferation in Verbindung steht. Dabei wies NOD eine stärkere Wirkung auf als MC-LR. Der ebenfalls untersuchte Akt-Signalweg zeigte interessanterweise keine Veränderung in der Kaskade, was auf eine mögliche Gegenregulation zurückgeführt werden kann.
Die in vitro Daten weisen darauf hin, dass die Exposition mit hohen Konzentrationen an MCs und NODs in vivo akut starke Leberschäden bis hin zum Tod verursachen. Geringere Konzentrationen dagegen bei einer Langzeitexposition mit kontaminiertem Wasser, Nahrungsergänzungsmitteln und Lebensmitteln MAPK-vermittelt tumorpromovierend und kanzerogen wirken können.
2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) wurde im Jahr 1997 von der International Agency for Research on Cancer als Gruppe 1 Kanzerogen eingestuft, obwohl die molekularen Mechanismen der kanzerogenen Wirkung von TCDD bislang nicht vollständig geklärt werden konnten. TCDD zeigte im Tierversuch ein erhöhtes hepatokarzinogenes Potential an Ratten, und im Initiations-Promotions-Modell in der Rattenleber konnte TCDD eine starke tumorpromovierende Wirkung zugeschrieben werden. Eine Reihe von Studien zeigten sowohl in vivo als auch in vitro in unterschiedlichen Zellsystemen eine Hemmung des durch verschiedene Stimuli induzierten programmierten Zelltodes, der Apoptose durch TCDD. Diese antiapoptotische Wirkung wird als ein möglicher Mechanismus für die Tumorpromotion von TCDD diskutiert. In der vorliegenden Arbeit sollte der Mechanimus der Apoptose-Hemmung durch TCDD in Leberzellsystemen der Ratte und des Menschen untersucht werden. Außerdem sollte die Frage geklärt werden, ob die anti-apoptotische Wirkung dieses Fremdstoffes über den Arylhydrokarbon-Rezeptor (AhR) vermittelt wird. Die Aufklärung der bislang noch unbekannten molekularen Mechanismen der TCDDvermittelten Kanzerogenese könnte die Risikobewertung einer TCDD-Exposition des Menschen auf eine erheblich solidere Basis stellen als bisher. Es konnte sowohl in primären Rattenhepatozyten als auch in der humanen Hepatomzelllinie Huh-7 bestätigt werden, dass TCDD die durch UVC-Licht induzierte Apoptose hemmt. Dies wurde auf Ebene der DNS-Fragmentierung und an Hand morphologischer Veränderungen des Zellkerns gezeigt. In den Primärhepatozyten war der anti-apoptotische Effekt von TCDD abhängig von einer Aktivierung des AhR. Die Apoptose durch die beiden Proteinbiosynthese-Inhibitoren Ochratoxin A und Cycloheximid wurde im Gegensatz zur UVC-Licht-induzierten Apoptose nicht durch TCDD gehemmt. Dies lässt den Schluss zu, dass eventuell die Neusynthese eines durch den AhR induzierten Proteins für die Hemmung der Apoptose in diesen Zellen nötig ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass entgegen früherer Studien, eine Hemmung der Aktivität des Tumorsuppressors p53 vermutlich nicht für die Apoptosehemmung durch TCDD verantwortlich ist. TCDD-bedingte Änderungen in der Expression von an der Apoptose beteiligten Genen ließen die Vermutung zu, dass diese Substanz zu einer Aktivierung des anti226 apoptotischen Transkriptionsfaktors NF-κB führt. Dies würde letztendlich zu einer Hemmung der Caspase-abhängigen Apoptosewege führen. Es konnte dennoch keine Wirkung des Fremdstoffes auf die Charakteristiken der durch UVC-Licht induzierten Caspasen-abhängigen Apoptose beobachtet werden. Weder wurden die proteolytische Aktivierung, noch die katalytische Aktivität von Caspasen oder die Spaltung von Caspasensubstraten durch TCDD moduliert. Daher wurde angenommen, dass TCDD im Signalweg der Apoptose zwischen der Caspasenaktivität und der apoptotischen DNS-Fragmentierung wirken müsste. Auf Grund dieser Hypothese wurde der Einfluss der Testsubstanz auf die Charakteristiken apoptotischer Nukleasen untersucht. Weder konnte eine verringerte Proteinmenge an Endonuklease G oder Caspase-aktivierter DNase (CAD) festgestellt werden, noch wurde die Aktivität rekombinant exprimierter CAD durch TCDD moduliert. In isolierten Zellkernen primärer Rattenhepatozyten konnte eine intrinsische Nukleaseaktivität identifiziert werden, die Calcium- und Magnesium-abhängig war und vermutlich durch nicht-physiologische Konzentrationen an monovalenten Ionen aktiviert wird. TCDD besaß eine hemmende Wirkung auf diese Nukleaseaktivität. Es erscheint plausibel, dass TCDD die apoptotische DNS-Fragmentierung über einen bisher unbekannten, AhR-abhängigen Mechanismus hemmt, und damit trotz einer Initiation der Apotpose die Integrität der DNS aufrecht erhält, um der Zelle die Möglichkeit zur Entgiftung von Aktivatoren des Fremdstoffmetabolismus zu geben. Diese Zellen könnten sich nach Entzug des pro-apoptotischen Stimulus letztendlich wieder erholen. Da solche Zellen DNS-Schäden tragen können, durch die sie unter normalen Umständen in die Apoptose getrieben worden wären, könnte dieser Mechanismus schließlich eine Rolle in der Tumorpromotion durch TCDD und verwandte Verbindungen spielen.
It was recently reported that imatinib causes cell death in neonatal rat ventricular cardiomyocytes (NRVCM) by triggering endoplasmic reticulum (ER) stress and collapsed mitochondrial membrane potential. Retroviral gene transfer of an imatinib-resistant mutant c-Abl into NRVCM appeared to alleviate imatinib-induced cell death and it was concluded that the observed imatinib-induced cytotoxicity is mediated through direct interactions of imatinib with c-Abl. The imatinib effects were described as being specific for cardiomyocytes only, which are relevant also for the in vivo situation in man. [Kerkelä et al. 2006] The goal of the present study was to reproduce the published experiments and to further explore the dose-response relationship of imatinib-induced cell death in cardiomyocytes. Additional markers of toxicity were investigated. The following biochemical assays were applied: LDH release (membrane leakage marker), MTS-reduction (marker of mitochondrial integrity), ATP cellular contents (energy homoeostasis) and caspase 3/7 activity (apoptosis). The endoplasmatic reticulum (ER) stress markers eIF2α (elongation initiation factor 2α), XBP1 (X Box binding Protein 1), and CHOP (cAMP response element-binding transcription factor (C/EBP) homologous protein) were determined at the transcriptional and protein level. Online monitoring of cell attachment of, oxygen consumption and acidification of the medium by rat heart cells (H9c2) seated on chips (Bionas) allowed the determination of the onset and reversibility of cellular functions. Image analysis measured the spontaneous beating rates after imatinib treatment. The role of imatinib-induced reactive oxygen species was evaluated directly by 2’,7’-Dichlorofluorescein fluorescence and indirectly by means of interference experiments with antioxidants. The specificity of imatinib-induced effects were specific to cardiomyocytes was evaluated in fibroblasts derived from rat heart, lung and skin. The specific role of c-Abl in the imatinib-induced cellular toxicity was investigated by specific gene silencing of c-Abl in NRVCM. The results demonstrated that imatinib caused concentration-dependent cytotoxicity, apoptosis, and ER stress in heart, skin and lung fibroblasts, similar or stronger to those observed in cardiomyocytes. Similar to the results from cardiomyocytes, ER stress markers in fibroblasts were only increased at cytotoxic concentrations of imatinib. This effect was not reversible; also, reactive oxygen species did not participate in the mechanism of the imatinib-induced cytotoxicity in NRVCM. Small interfering RNA (siRNA)-mediated reduction of c-Abl mRNA levels by 51 % and c-Abl protein levels by 70 % had neither an effect on the spontaneous beating frequency of cardiomyocytes nor did it induce cytotoxicity, apoptosis, mitochondrial dysfunction or ER stress in NRVCM. Incubation of imatinib with c-Abl siRNA-transfected NRVCM suggested that reduced c-Abl protein levels did not rescue cardiomyocytes from imatinib-induced cytotoxicity. In conclusion, results from this study do not support a specific c-Abl-mediated mechanism of cytotoxicity in NRVCM.
Die Resistenz solider Tumoren gegenüber der Behandlung mit Medikamenten oder Bestrahlung ist ein häufig auftretendes Phänomen. Insbesondere das Auftreten von Chemoresistenzen stellt ein großes Problem bei der Behandlung von Krebs dar. Aufgrund einer Unterversorgung des Gewebes kommt es in soliden Tumoren zur Bildung des so genannten ‚hypoxischen Kern’ (hypoxic core), welcher bei der Progression und Metastasierung des Tumors eine wichtige Rolle spielt. Es wird diskutiert, inwieweit Hypoxie an der Entstehung von Resistenzen gegenüber unterschiedlichen Therapieansätzen beteiligt ist. Das Ziel der Arbeit war es, die Fragestellung zu klären, ob Hypoxie vor Apoptose, ausgelöst durch Chemotherapeutika, schützt. Wenn sich diese Vermutung bestätigen sollte, sollten die zu Grunde liegenden Mechanismen dieser Chemoresistenz aufgeklärt werden. Es konnte festgestellt werden, dass es in A549 Zellen unter Hypoxie durch ein Zusammenspiel mehrerer unabhängiger Signalwege zum Schutz vor Etoposid-induzierter Apoptose kommt. Zum einen induziert Hypoxie die Stabilisierung und Aktivierung von HIF-1. Über einen intrazellulären Mechanismus, wahrscheinlich der Expression anti-apoptotischer Zielgene, kommt es zur Desensitivierung der Zellen gegenüber der Behandlung mit Etoposid. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass es unter Hypoxie unabhängig von HIF-1 zur Freisetzung von Schutzfaktoren kommt. Diese vermitteln über auto- oder parakrine Wege anti-apoptotische Signale. Hypoxie führte zu einer Akkumulation der Cyclooxygenase-2 (COX-2), welche maßgeblich an der Freisetzung des Schutzfaktors beteiligt ist. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass die Stimulation mit PGE2 zu einer erhöhten Resistenz von A549 Zellen gegenüber Etoposid-induzierter Apoptose führte. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die basale Aktivität der Sphingosin-Kinasen für die Vitalität von A549 Zellen essenziell ist. Unter Hypoxie wurde darüber hinaus eine Aktivierung der Sphingosin-Kinase 2 (SphK2) festgestellt, wodurch eine vermehrte Synthese und Freisetzung von Sphingosin-1-phosphat (S1P) induziert wurde. Es kommt unter Hypoxie über zwei unabhängige Signalwege zur Freisetzung von PGE2 und S1P, welche in Zielzellen einen chemoresistenten Phänotyp induzieren. Die Übertragung des anti-apoptotischen Signals erfolgte über die Aktivierung der ERK1/2-Signalkaskade. Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass Hypoxie über die Aktivierung von HIF-1, COX-2 und SphK2 in A549 Zellen die Resistenz gegenüber Chemotherapeutika induziert. Hierbei sind neben intrazellulären Signalen auch auto- und parakrin wirkende Mechanismen beteiligt. Als Übermittler des übertragbaren anti-apoptotischen Signals konnten S1P und PGE2 identifiziert werden, die über die Aktivierung von ERK1/2 vor Apoptose schützen.
Sepsis ist eine lebensbedrohliche Krankheit und eine der häufigsten Todesursachen auf Intensiv-Stationen. Eine der Hauptursachen für die Schwere dieser Krankheit ist die Lymphopenie, d. h. die apoptotische Depletion von Lymphozyten, die vor allem in der späten hypo-inflammatorischen Phase der Sepsis auftritt. Die dafür verantwortlichen Signalwege sind jedoch nicht im Detail geklärt. Die Liganden-vermittelte Aktivierung von PPARgamma (‚peroxisome proliferator activated receptor gamma’), einem wichtigen Regulator der Immunantwort, führt zur Apoptose in aktivierten T-Zellen. Daher postulierte ich, dass die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen zur Lymphopenie während der Sepsis beiträgt. Hierbei konnte ich zeigen, dass T-Zellen aus dem peripheren Blut von Sepsis-Patienten eine stark erhöhte PPARgamma-mRNA-Expression zeigten und in vitro stark erhöhte Apoptoseraten infolge einer Liganden-vermittelten PPARgamma-Aktivierung aufwiesen. Die hierfür erforderlichen PPARgamma-Liganden lagen im Plasma von Sepsis-Patienten vor. D. h. die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen könnte zur nachgewiesenen Lymphopenie während der Sepsis beitragen. Aufgrund der anti-inflammatorischen Wirkung von PPARgamma könnte dessen gezielte Aktivierung in der frühen hyper-inflammatorischen Phase durch Thiazolidindione (TZDs) als synthetische PPARgamma-Aktivatoren therapeutisch interessant sein. Da diese jedoch auch auf PPARgamma-unabhängigen Wegen den Zelltod in T-Zellen induzieren können, war es essentiell, die dafür verantwortlichen Signalwege zu klären. Dabei konnte ich feststellen, dass Ciglitazon Nekrose und Troglitazon Apoptose auf PPARgamma-unabhängigen Wegen bereits nach 4 h in Jurkat T-Zellen induzierten, wohingegen Rosiglitazon keinen Einfluss auf den Zelltod hatte. Die Inkubation der TZDs führte zur Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies, welche eine wichtige Rolle bei der Ciglitazon-induzierten Nekrose, jedoch nur marginal bei der Troglitazon-induzierten Apoptose spielten. Durch Studien in submitochondrialen Partikeln konnte ich zeigen, dass die getesteten TZDs den Komplex I der mitochondrialen Atmungskette inhibierten, während nur Ciglitazon und Troglitazon zusätzlich den Komplex II hemmen konnten. Mit Hilfe synthetischer Atmungskette-Inhibitoren konnte ich weiterhin zeigen, dass die Zelltod-Induktion nach Ciglitazon und Troglitazon in Jurkat T-Zellen hauptsächlich auf der Hemmung des Komplexes II beruhte. Da die Ciglitazon-Inkubation zur Depletion des ATP-Gehaltes führte, erfolgte eine Nekrose-Induktion nach Ciglitazon, wohingegen Troglitazon den ATP-Gehalt nicht beeinflusste und daher Apoptose induzierte. Die von mir identifizierten PPARgamma-unabhängigen Mechanismen der Zelltod-Induktion durch TZDs könnten eventuell Nebenwirkungen bei TZD-basierten Therapien erklären.
Die RNAi–Methode spielt eine grosse Rolle in der Wirkstoffentwicklung bei der Validierung eines pharmakologischen Ziels. Die Anwendbarkeit in der Toxikologie wurde noch nicht systematisch untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist die Evaluierung der RNAi-Methode für mechanistisch-toxikologische Studien und den Einfluss von posttranskriptioneller Genunterdrückung auf biochemisch-zelluläre Endpunkte zu zeigen. Die siRNAs wurden mit Hilfe eines computerunterstützten Algorithmus ausgewählt. Effiziente und reproduzierbare Einschleusung der siRNA in vitro wurde durch Elektroporation erreicht. Die molekulare Reduktion der Expression des Zielgens wurde auf mRNA- und Proteinexpressionslevel oder auf Proteinaktivitätsebene zwischen 24 und 144 Stunden nach Behandlung überwacht. Die siRNAs wurden in vitro getestet bevor sie in vivo angewandt wurden. Als Methode zum Erreichen der Leber in vivo wurde die intraperitoneale Gabe von siRNAs gegenüber hydrodynamischer Injektion in die Schwanzvene evaluiert. Auf folgenden Enzyme wurde mit RNAi in der Zellkultur abgezielt: ATP-Synthase in HepG2, Farnesylpyrophosphat-Synthase (FPPS) in humanen Nierenzellen (HK-2) und Caspase-3 in Primärhepatozyten der Ratte. In allen Experimenten war RNAi in der Lage, das mRNA- und Proteinexpressions- oder Proteinaktivitäts-Niveau zu reduzieren, wodurch die erfolgreiche Genunterdrückung gezeigt werden konnte. Die Unterdrückung der mitochondrialen ATP- Synthase β-Untereinheit hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Überlebensrate und den Energiestoffwechsel von HepG2-Zellen. Obwohl Oligomycin B-Behandlung zu ATP- Depletion und Verlust des mitochondiralen Membranpotentials führte, war keine Sensitivierung der Zellen gegenüber Oligomycin B- oder Diclofenac-induzierten Veränderungen des mitochondrialen Membranpotentials oder Zytotoxizität zu beobachten. Die Genunterdrückung der ATP-Synthase in HepG2-Zellen führte zu einer ähnlichen transkriptionellen Signatur wie Diclofenac-Behandlung in vivo, so dass eine mögliche Verbindung zwischen ATP-Synthase und Hepcidin, BiP und ALAS-1 durch Koregulation nahegelegt wird. Die Genunterdrückung von FPPS führte zu tendenziell erhöhter Zytotoxizität von Zoledronsäure, hatte aber keinen Einfluss auf den Prenylierungsstatus der kleinen GTPasen. Der Caspase-3/7-Inhibitor Ac-DEVD-CHO verhinderte SDZ IMM125-vermittelte Apoptose. Spezifische Genunterdrückung von Caspase-3 führte zur Reduktion der SDZ IMM125-induzierten Caspaseaktivität, während die Unterdrückung von Caspase-7 in dieser Hinsicht keinen Einfluss hatte. Die Effektschwelle des Genunterdrückung wurde durch Vergleich zwischen Caspase-3-silencing und Behandlung mit dem chemischen Caspase-Inhibitor Ac-DEVD-CHO auf Ebene der Caspase-3-Aktivität und der zytoprotektiven Wirksamkeit bestimmt. Der Effekt von Caspase-3-Unterdrückung war equivalent zur Wirkung von 1 μM Inhibitor. Die inhibitorvermittelte Schutzwirkung im Hinblick auf die Zytotoxizität wurde ausschliesslich bei höheren Inhibitorkonzentrationen erreicht, wodurch gezeigt wurde, dass die erreichte Genunterdrückung für zytoprotektive Wirkungen nicht ausreichend war. SiRNAs haben verglichen mit Enzyminhibitoren generell eine höhere Spezifität. Chemische Inhibitoren sind weniger spezifisch und können enzymatische Aktivitäten vollständig, in manchen Fällen irreversibel und schnell beeinflussen, so dass sie direkten Einfluss auf die zu untersuchenden Signalwege haben. SiRNAs unterscheiden sich in dieser Hinsicht, da die Abnahme des Proteins nicht vollständig, nur transient und langsam über eine Periode hinweg erfolgt, innerhalb welcher sich die Zellen durch kompensatorische Mechanismen anpassen und Primäreffekte maskiert werden können. Hydrodynamische Einschleusung von nicht-komplexierter siRNA in die Leber von CD-1-Mäusen war möglich und reduzierte die CYP2E1-Proteinexpression signifikant. Ein- oder mehrfache hochdosierte intraperitoneale Gabe von siRNA führte weder auf mRNA- noch auf Proteinebene zu signifikanten Effekten. Weitere Untersuchungen im Hinblick auf Stabilität und effiziente Einschleusung von siRNAs ist unvermeidlich, bevor siRNAs in vivo in der mechanistischen Toxikologie angewandt werden können. Zusammenfassend kann ausgesagt werden, dass die Anwendung von siRNAs in vitro eine universelle und spezifische Methode darstellt, welche in vielen mechanistisch-toxikologischen Studien als Werkzeug zur Signalweganalyse und zur Validierung von Zielproteinen eingesetzt werden kann. Die Stärke der enzymatischen Inhibition, die mit Hilfe eines chemischen Inhibitors erreicht werden kann, ist durch siRNA-vermittelte Genunterdrückung nicht zu erreichen. Genunterdrückung in vivo kann erreicht werden, doch die invasive hydrodynamische Methode ist nicht geeignet für Toxizitätsprüfungen im Tier. Die Einschleusung von siRNA in spezifische Zielorgane benötigt signifikante Verbesserung.
Histondeacetylase-Inhibitoren (HDACi) stehen im Mittelpunkt zahlreicher Forschungsinteressen, seit gezeigt werden konnte, dass sie Onkoprotein-vermittelte Genrepression von bedeutenden Differenzierungsgenen in Leukämiezellen, aufheben können. Es hat sich herausgestellt, dass HDACi in vielen Tumorzellen Proliferationsstopp und Apoptose sowie teilweise Differenzierung induzieren. Gesundes Gewebe ist von diesen Auswirkungen kaum betroffen. Viele strukturell verschiedene HDACi, darunter auch die auf Grund ihrer anti-epileptischen Wirkung weltweit eingesetzte Valproinsäure (VPA), werden gegenwärtig in klinischen Studien getestet. Der therapeutische Nutzen dieser Inhibitoren scheint besonders hoch zu sein, wenn man sie mit weiteren Chemotherapeutika kombiniert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass VPA den anti-leukämischen Effekt von Dexamethason in vitro und in vivo synergistisch verstärkt. Glucocorticoide (GCs) werden seit Jahrzehnten für die Therapie von Krebserkrankungen mit lymphatischem Ursprung eingesetzt. Die Glucocorticoide Prednisolon bzw. Dexamethason spielen eine Schlüsselrolle bei der Induktionstherapie gegen Akute Lymphatische Leukämie (ALL). Ein Großteil der Untersuchungen wurde an Nalm-6 Zellen durchgeführt, ursprünglich etabliert aus dem Blut eines jungen Mannes mit rezidivierender ALL. An Nalm-6 Zellen konnte gezeigt werden, dass die Behandlung mit VPA, Dexamethason und der Kombination der beiden Wirkstoffe zum programmierten Zelltod führt. Weiterhin wiesen die durchflusszytometrisch durchgeführten Messungen der Zelltodraten darauf, dass VPA und Dexamethason bezüglich der Apoptose-Induktion positiv zusammenwirken. Mit Hilfe der Calcusyn Software konnte aus den gemessenen Apoptoseraten die Stärke der Wechselwirkung zwischen den zwei Wirkstoffen berechnet werden. Die Analyse ergab einen stark synergistischen Effekt, für die kombinierte Behandlung von Nalm-6 Zellen mit VPA und Dexamethason, über den gesamten untersuchten Konzentrationsbereich. Die eingesetzten VPA-Konzentrationen deckten dabei den Bereich ab, der erfahrungsgemäß im Serum von Patienten erreicht werden kann. Auch in vier weiteren prä-B-Zelllinien führte die Behandlung mit VPA und Dexamethason zur synergistischen Apoptose-Induktion. SUP-B15 und BV-173 Zellen reagierten dabei, wie Nalm-6 Zellen, sehr sensitiv auf Dexamethason-Behandlung. Die Zelllinien SD-1 und SEM zeigten eine deutlich ausgeprägte Resistenz gegenüber dem Glucocorticoid, reagierten aber sehr stark auf VPA- und Kombinationsbehandlung. Trotz intensiver Untersuchungen ist über den molekularen Mechanismus der GC-vermittelten Apoptose nur wenig bekannt. Das ausreichende Vorhandensein eines funktionierenden Glucocorticoidrezeptors (GR) wird aber als essentiell, für das Ansprechen der Zelle auf GC-Behandlung, angesehen. Da der GR ein Transkriptionsfaktor ist, werden die Ursachen für den GC-induzierten Zelltod vornehmlich in einer veränderten Genexpression gesucht. Da HDACi ebenfalls großen Einfluss auf die Genregulation ausüben, wurden im Rahmen dieser Arbeit Genexpressionsanalysen an den behandelten Nalm-6 Zellen durchgeführt, um die Ursachen für den gefundenen Synergismus zwischen VPA und Dexamethason aufzuklären. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten eine verstärkte Hochregulation von Proteinen, die Zellzyklusstopp und Apoptose bewirken sowie eine verstärkte Repression von Faktoren, die anti-apoptotisch bzw. wachstumsfördernd wirken, in Folge der Kombinationsbehandlung. Die starke Herunterregulierung des pro-apoptotischen Proteins Aven, durch die Wirkstoffkombination, konnte in Nalm-6 Zellen auch mittels Westernblot-Analyse auf Proteinebene nachgewiesen werden. Der potentielle Nutzen einer Kombinationstherapie mit VPA und Dexamethason konnte an einem Tiermodell für ALL überprüft werden. Das Tiermodell wurde über das Einbringen von Nalm-6 Zellen in immundefiziente SCID Mäuse generiert. Die Behandlung mit der Wirkstoffkombination führte zu einer signifikant reduzierten Infiltration von Knochenmark und Milz durch die humanen Blasten, im Vergleich zur Behandlung mit Dexamethason oder PBS als Kontrolle. Weiterhin wurde für die Tiere, die mit der Wirkstoffkombination behandelt wurden, eine signifikante Erhöhung der Überlebenswahrscheinlichkeit beobachtet. Auch für Vincristin, L Asparaginase und Daunorubicin, weitere Wirkstoffe der Induktionstherapie bei pädiatrischer ALL, konnte ein synergistisches Zusammenwirken mit VPA bezüglich der Apoptose-Induktion in Nalm-6 Zellen gezeigt werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass VPA die Effektivität der Polychemotherapie gegen ALL erhöhen könnte. Auf Grund des stark synergistischen Zusammenwirkens mit Dexamethason könnte VPA möglicherweise auch eine potentielle Alternative für schlecht verträgliche bzw. risikobehaftete Chemotherapeutika der Induktionstherapie darstellen.
Die Phagozytose apoptotischer Zellen ist ein essentieller Schritt bei der Embryogenese und dem Erhalt der Gewebehomöostase. Phagozyten beseitigen dabei nicht nur die sterbenden Zellen und verhindern damit eine Freisetzung immunogener zellulärer Bestandteile ins umliegende Gewebe, sondern unterdrücken aktiv pro-inflammatorische Antworten, wie die Sekretion von TNFalpha oder die Produktion von NO. Das Wissen über die zugrunde liegenden Prozesse und Mechanismen ist noch lückenhaft. Auch wenn bereits eine Vielzahl von beteiligten Rezeptoren und Reaktionen der Phagozytenzellen auf apoptotische Zellen (AZ) bekannt sind, sind die verantwortlichen und vermutlich sehr komplexen Signalwege noch relativ wenig erforscht. Die Produktion von kleinen reaktiven Molekülen wie NO oder Sauerstoffradikale (ROS) durch Makrophagen ist ein initialer Schritt zur Bekämpfung von Pathogenen. Zu Beginn meiner Promotion lagen noch keinerlei Daten bezüglich eines Einflusses apoptotischen Materials auf die ROS-Produktion aktivierter Makrophagen vor. Der grundlegende anti-inflammatorische Makrophagenphänotyp nach der Phagozytose von AZ führte zur Hypothese, dass auch diese durch AZ beeinflusst würde. Diese Überlegung bildete den Ausgangspunkt für meine Studien: Zunächst gelang es mir, ein Testsystem zur Untersuchung anti-inflammatorischer Effekte in Makrophagen nach der Phagozytose von AZ zu etablieren. Dabei konnte ich zeigen, dass die von mir verwendeten apoptotischen Jurkat-Zellen von murinen RAW264.7-Makrophagen aufgenommen werden und deren pro-inflammatorische Antwort, gemäß der Literatur, zu hemmen vermögen. In durchflusszytometrischen Untersuchungen konnte ich mittels eines Redox-sensitiven Farbstoffs zeigen, dass AZ im Gegensatz zu nekrotischen oder vitalen Zellen die TPA-vermittelte ROS-Produktion in Makrophagen inhibieren. Sowohl durch EMSA und Western Blot-Analysen, als auch durch die Verwendung von d/n PPARgamma und PKCalpha-überexprimierenden Makrophagen, konnte ich nachweisen, dass die initiale Hemmung des ‚oxidative burst’ (innerhalb 1 Stunde) über eine PPARgamma-induzierte Inhibition der PKCalpha-vermittelt wird. Für diese reicht eine Bindung von AZ an die Makrophagen aus, während zu späteren Zeitpunkten andere, noch unbekannte Faktoren involviert scheinen. Dieser Mechanismus scheint auch in primären humanen Makrophagen von Bedeutung zu sein. Die Beobachtung, dass es nach der Behandlung aktivierter Makrophagen mit AZ zu einer verminderten IFNgamma-vermittelten NO-Produktion bei stark exprimierter iNOS kommt, ließ die Theorie zu, dass nicht - wie bisher vermutet - TGFbeta für diesen Effekt verantwortlich ist. Auch hier gelang es mir, neue Erkenntnisse über den zugrunde liegenden Mechanismus der AZ-vermittelten NO-Inhibition zu erlangen: Mittels eines Aktivitäts-Assays und durch Einsatz des spezifischen Arginaseinhibitors nor-NOHA konnte ich zeigen, dass der Einfluss von AZ auf aktivierte Makrophagen nicht etwa deren iNOS-Aktivität verringert, sondern vielmehr aus einer erhöhten Arginaseaktivität resultiert. Diese führt scheinbar zu einer verminderten Substratverfügbarkeit für die iNOS und hemmt so die NO-Produktion. Western Blot- und quantitative PCR-Versuche zeigten eine erhöhte Arginase II-Expression nach Stimulation mit AZ, welches ebenfalls meine Theorie unterstützt. Ferner konnte ich durch den Einsatz von AZ-konditioniertem Medium zeigen, dass ein noch unbekannter, von AZ sekretierter löslicher Faktor für die Hemmung der NO-Produktion verantwortlich ist. Die Beobachtung einer sehr frühen COX-2-Expression nach der Inkubation von Makrophagen mit AZ und das Nichtvorhandensein entsprechender Beobachtungen in der Literatur führten dazu, dass ich mich im letzten Teil meiner Arbeit mit dem hierfür verantwortlichen Mechanismus befasste: Unter Verwendung eines Luziferase-Assays, bei dem das Luziferasegen mit der 3´-UTR oder AREs des COX-2-Gens gekoppelt war, konnte ich zeigen, dass - wie schon bei der Inhibition der NO-Produktion durch die Arginase II - ein von AZ sekretierter löslicher Faktor für eine schnelle, AZ-spezifische und höchstwahrscheinlich durch COX-2-mRNA-Stabilisierung vermittelte Proteinexpression verantwortlich war. Eine schnelle Erhöhung der COX-2-mRNA nach AZ-Stimulus sowie jüngste Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe, welche eine erhöhte COX-2-mRNA-Halbwertszeit zeigen, unterstützen diese Hypothese. Die von mir gewonnenen neuen Erkenntnisse über die Makrophagenreprogrammierung nach der Erkennung von AZ tragen zu einem tieferen Verständnis der zugrunde liegenden Signalwege und Mechanismen bei. Es besteht die hoffnungsvolle Aussicht, dass das Verstehen und die Manipulation der ablaufenden Prozesse bei der Phagozytose von AZ eines Tages einerseits neue Therapiemöglichkeiten zur Behandlung von Infektions- und Autoimmunkrankheiten und andererseits verbesserte Strategien zur Bekämpfung von Krebs ermöglichen werden.
The HMG-CoA reductase inhibitors SIM, LOV, ATV, PRA, FV and NKS were investigated for their effects on human SkMCs. We were able to demonstrate that statins can induce oxidative stress (ROS formation, GSH-depletion, TBARS), apoptosis (, caspase-3 activity, nuclear morphology) and necrosis (LDH-leakage) in hSkMCs. After incubation with statins, the sequence of cellular events starts by the increased formation of ROS (30 min) followed by caspase-3 activation (2-4 hours) and necrosis (LDH-leakage) and formation of condensed and fragmented nuclei after 24-72 hours. It was shown that, antioxidants (NAC, DTT, TPGS, M-2 and M-3) and the HMG-CoA reductase downstream metabolites (MVA, F, FPP, GG and GGPP) protected against statin-induced ROS formation, caspase-3 activation and partially from necrosis. The caspase-3 inhibitor Ac-DEVD-CHO rescues cells partially from necrosis. These results suggest that the statin-induced necrosis is HMG-CoA dependent and occurs secondary to apoptosis, which by decrease of ATP is driven into necrosis. The increase of ATP observed at low concentrations and early time points suggest an increased glycolytic activity. This was confirmed by increased PDK-4 gene expression and increased PFK2/F-2,6-BPase expression both activator of glycolysis. Glycolysis was also confirmed for some statins by increased cellular lactate concentations. The consequence of PDK-4 mediated pyruvate dehydrogenase inactivation is the metabolic switching from fatty acid to amino acid from proteins as energy source. The oxidative stress hypothesis was further supported by the induction of the FOXO3A transcription factor, which is involved in regulating MnSOD-2 expression in the mitochondrium. The mechanism by which statins produce ROS is still not resolved. There is an indirect evidence from our experiments as well as from the literature, that immediately after the statin treatment, intracellular Ca2+ is mobilized due to HMG-CoA reductase inhibition, which after mitochondrial uptake could lead to increased ROS formation.
Ochratoxin A (OTA) ist ein nierentoxisches und -kanzerogenes Mykotoxin, das von verschiedenen Aspergillus- und Penicillium-Stämmen gebildet wird. Kontaminationen mit OTA sind vor allem in pflanzlichen Produkten wie Getreide und Getreideprodukte, Kaffee, Traubensaft und Wein, Bier, Nüsse, Gewürze aber auch in Fleisch nachweisbar. Verbraucher nehmen in Deutschland wöchentlich ca. 5 ng/kg KG OTA auf. In subakuten und subchronischen Studien wurde ausgeprägte Nierentoxizität gezeigt, zudem ist OTA als immunsuppressiv, teratogen, neurotoxisch und hepatokanzerogen beschrieben. Eine Beteiligung von OTA an der beim Menschen auftretenden endemischen Balkannephropathie (BEN) wird diskutiert. Der Mechanismus der kanzerogenen Wirkung von OTA ist noch immer unklar. Die in Studien zur Genotoxizität erhaltenen, widersprüchliche Resultate könnten möglicherweise auf sekundäre Mechanismen wie oxidativem Stress zurückzuführen sein. Die Generierung reaktiver Sauerstoffspezies und die Induktion von Lipidperoxidation wurde beobachtet, eine Reihe toxischer Effekte in vitro und in vivo war durch Gabe von Antioxidantien abgeschwächt. Mit verschiedenen Endpunkten (Nekrose, Wachstumshemmung, Apoptose) wurde in Zelllinien (V79, CV-1) und in primären proximalen Tubuluszellen der Ratte (PNZ) die Induktion von Zytotoxizität durch OTA untersucht. OTA zeigte in Kurzzeitinkubations-Experimenten (1 h) kein Potenzial, die Viabilität von Zelllinien und PNZ zu verringern. Nach 24stündiger Inkubation war nur in V79-Zellen die Membranintegrität (Trypanblauausschluss) beeinträchtigt. Eine starke Wachstumshemmung mit IC50-Werten um 2 µmol/L wurde in beiden verwendeten Zelllinien gemessen. Mittels eines immunchemischen Tests und der Durchflusszytometrie wurde bei Konzentrationen über 1 µmol/L OTA (24 h) die Induktion von Apoptose beobachtet. Die in CV-1-Zellen beobachteten Parameter für Zytotoxizität, insbesondere die durchflusszytometrischen Untersuchungen, zeigten, dass die Effekte in einem relativ eng begrenzten, µmolaren Konzentrationsbereich zu beobachten sind, also möglicherweise nicht spezifisch Nekrose oder Apoptose induziert wird. Zu den Mechanismen, über die unspezifisch Nekrose und Apoptose in Zellen induziert werden kann, gehören z.B. oxidativer Stress und DNA-Schädigung. Mit Hilfe des Comet-Assays wurde in den Zelllinien und PNZ die Induktion von (oxidativen) DNA-Schäden durch OTA untersucht. Die DNA-Basisschädigung war nur nach Kurzzeitinkubation (1h) mit sehr hohen OTA-Konzentrationen (> 500 µmol/L) in den Zelllinien bzw. nach 24 h in V79-Zellen erhöht. FPG-sensitive Stellen in der DNA wurden in allen verwendeten in vitro-Testsystemen nachgewiesen. Nach einstündiger Inkubation waren PNZ deutlich sensitiver gegenüber der Induktion von oxidativen DNA-Schäden (ca. Faktor 20) als die Zelllinien. Dies deutet darauf hin, dass die PNZ im Vergleich zu den Zelllinien stoffwechselbedingte Besonderheiten aufweisen, die die erhöhte Sensitivität bedingen. Nach 24stündiger Inkubation mit OTA lagen die Konzentrationen, die in den Zelllinien und den PNZ oxidative DNA-Schäden induzierten in einem vergleichbaren µmolaren Bereich. Der Verlust der erhöhten Sensitivität der PNZ könnte auf eine Umstellung des Stoffwechsels nach der insgesamt 48stündigen Kultivierung zurückzuführen sein. Das gemeinsame Auftreten von oxidativem Stress, Nierentoxizität und Zellproliferation könnten evtl. einen alternativen Mechanismus der Nierenkanzerogenität von OTA bilden. In Kooperation mit Dr. Turesky (NCTR, Jefferson, USA) wurde ein Tierversuch durchgeführt, in dem das DNA-schädigende Potenzial von OTA in Leber und Niere von Ratten, die über vier Wochen mit OTA behandelt worden waren, untersucht wurde. Die mit dem Comet-Assay in den Organen dieser Tiere gefundenen oxidativen DNA-Schäden, die grundsätzlich als prämutagenes Ereignis angesehen werden können, geben also möglicherweise einen ersten mechanistischen Hinweis auf die nierenkanzerogene Wirkung von OTA. Untermauert wird dies durch die beobachtete Abnahme des GSH-Gehaltes, die evtl. auf eine Depletion durch LPO-Produkte zurückzuführen ist. Nach 24stündiger Inkubation wurde eine Erhöhung des GSH-Gehaltes in den inkubierten CV-1-Zellen gemessen, die mit einer GSH-Neusynthese als Gegenreaktion zum oxidativen Stress begründet werden kann. Die in vitro Untersuchungen zeigen, dass die Konzentrationen, die in den Zellen oxidative DNA-Schäden verursachen, etwas niedriger sind (Faktor 5), als die Konzentrationen, die zytotoxische Effekte induzieren. Es kann also nicht ausgeschlossen werden, dass OTA über die Bildung oxidativer DNA-Schäden auch initiierendes Potenzial besitzt. In diesem Zusammenhang wäre zu klären, ob die in der Literatur beschriebene Proteinbiosynthesehemmung sich auf die antioxidative Abwehr in Zellen und Organismen auswirkt, so dass induzierte oxidative DNA-Schäden möglicherweise nicht mehr ausreichend repariert werden können und es so zur Tumorentstehung in vivo kommt.