Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Die Substanzklasse der Indirubine stellen u.a. potente Hemmstoffe der Cyclin-abhängigen Kinasen dar, die eine Schlüsselfunktion in der Regulation des Zellzyklus besitzen. In Vitro zeigen sie eine Wachstumshemmung am isolierten CDK-Enzym und in verschiedenen Tumorzelllinien. In einem ersten in vivo-Versuch an athymen Nacktmäusen, mit subkutan implantiertem Tumorxenograft des Lungenkarzinoms LXFL529, bewirkte 5-Methylindirubin 6 einen Stillstand des Tumorwachstums. Als Konsequenz zum in vivo Versuch wurde in dieser Arbeit der in vitro Metabolismus von 5-Methylindirubin 6 durch Inkubation mit verschiedenen tierischen Lebermikrosomen untersucht. Anschließende Identifizierung, Synthese und biologische Tests der Metaboliten sollen Aufschluss über ihr Wirkpotential geben. Hierzu wurde eine HPLC-MS-Methode entwickelt, mit der es gelang entstandene Metaboliten zu trennen und gleichzeitig strukturelle bzw. Massen-Veränderungen der Ausgangsverbindung zu erhalten. Es konnte gezeigt werden, dass 5-Methylindirubin durch Inkubation mit 6 Rinderlebermikrosomen zu fünf Metaboliten umgesetzt wurde, von denen vier identisch mit den Metaboliten aus den Inkubationen mit Schweinelebermikrosomen- und Aroclor-induzierten Rattenlebermikrosomen sind. Aus den aufgenommen Massenspektren wurden zwei generierte Metaboliten als mögliche mono-hydroxylierte Strukturisomere der Ausgangsverbindung und ein Metabolit als mögliche Di-Hydroxy-Verbindung von 5-Methylindirubin 6 identifiziert. Des Weiteren wurden 5-Bromindirubin 39, 5-Methoxyindirubin 40 und Indirubin-3’-(2-hydroxyethyl)oximether 10 als nicht-glycosodische Indirubin-Derivate und die glycosidischen Verbindungen Indirubin-3’-(2-β-D-glucopyranosylethyl)oximether 15, sowie die zu 15 entsprechenden 5-Iod und 5-Methyl-Verbindung (41 und 16) in Inkubationen mit Aroclor-induzierten Rattenlebermikrosomen untersucht. Für sämtliche Verbindungen konnte die Bildung mehrerer Metaboliten nachgewiesen werden, wobei die zugehörigen MS-Daten, wie bei 5-Methylindirubin 6, Hinweise auf eine Mono- bzw. Di-Hydroxylierung des Grundgerüsts der Ausgangsverbindung lieferten. Zusätzlich konnte aus den Daten der Inkubation mit Aroclor-induzierten Rattenlebermikrosomen einen Hinweis auf die Umsatzgeschwindigkeit der getesteten Indirubine erhalten werden. Es ergab sich folgende Reihenfolge der Umsatzgeschwindigkeit: 5-Methylindirubin 6 > 5-Methoxyindirubin 40 >> 5-Bromindirubin 39 > 5-Iodindirubin-3’-(2-β-D-glucopyranosylethyl)oximether 41 > Indirubin-3’-(2-β-D-glucopyranosylethyl)oximether 15 > 5-Methylindirubin-3’-(2-β-D-glucopyranosylethyl)oximether 16. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde durch spezielle dünnschichtchromatographische Trennung die Inkubation von 5-Methylindirubin und Aroclor-induzierten Rattenlebermikrosomen aufgearbeitet. Die so isolierten Metaboliten M2 und M3 wurden mittels 1H-NMR als 6-Hydroxy-5-methylindirubin 74 = M2 und 6,7’-Dihydroxy-5-methyl-indirubin 75 = M3 identifiziert. Um eine Aussage über das biologische Wirkpotential der beiden Metaboliten zu erhalten, wurden diese synthetisiert und anschließend einem ersten biologischen Tests unterworfen. Zur Darstellung von M2 wurde käufliches Indoxyl-3-acetat mit 6-Hydroxy-5-methylisatin nach einer modifizierten Methode von Russell und Kaupp umgesetzt. Das benötigte Isatin wurde aus einem geeigneten acylierten Anilin mittels regiospezifischer Metallierung (DOM-Reaktion) und anschließender Umsetzung mit Diethyloxalat selbst hergestellt. Für die Synthese des zweiten Metaboliten M3 wurde ein Syntheseweg erstellt indem aus einer geeigneten N-Phenyl-glycin-o-carbonsäure 103 ein Diacetylindoxyl 104 erzeugt wurde, das selektiv in ein N-Acetylindoxyl 106 überführt wurde. Anschließend wurde durch saure Kondensation mit 6-Hydroxy-5-methyl-isatin 76 das gewünschte 6,7’-Dihydroxy-5-methyl-indirubin 75 erzeugt. Die beiden so erhaltenen Metaboliten M2=74 und M3=75 wurden schlussendlich auf ihre Hemmwirkung im SRB-Test an den beiden Zelllinien LXFL529L (humaner grosszelliger Lungentumor) und C6 (Rattenglioblastom) getestet. Es zeigte sich, dass die erzeugten Metaboliten das Wachstum der Tumorzelllinie LXFL529L deutlich weniger hemmt als die Ausgangsverbindung 5-Methylindirubin 6. Offenbar stellen die von 5-Methylindirubin 6 durch Mikrosomeninkubation generierten Metaboliten M2 und M3 in den getesteten Tumorzelllinien keine aktivere Wirkform dar.
Der Bedarf an Spenderlebern für die Behandlung akuter und chronischer Lebererkrankungen kann zurzeit nicht gedeckt werden. Insbesondere für metabolische Lebererkrankungen hat sich die Transplantation von Hepatozyten als Alternative zur Lebertransplantation erwiesen. Diese Therapie wird wegen Mangel an Hepatozyten ausreichender Qualität nicht flächendeckend eingesetzt. Falls es möglich wäre, Stammzellen zu Hepatozyten zu differen-zieren, könnte dies für die Behandlung von Lebererkrankungen einen erheblichen Fortschritt bedeuten. Eine von vielen Arbeitsgruppen verfolgte Strategie zur Beurteilung des Differenzie-rungspotentials hepatischer Vorläuferzellen ist die Transplantation in die Leber immundefi-zienter Mäuse. Die in der vorliegenden Arbeit verfolgte Strategie bestand darin, zunächst 750.000 zu beurteilende Zellen entweder direkt in das Parenchym des linken Leberlappens oder in die Milz zu injizieren. Die anschließende Analytik verfolgte folgende Ziele: i) Identi-fikation der transplantierten Zellen. Dies wurde durch den kombinierten Einsatz von CM-DiI und Sonden gegen humane Alu-Sequenzen erreicht. Hierbei markierte CM-DiI lediglich grob die Areale, in die transplantiert wurde. Die in situ Hybridisierung mit Alu-Sonden ermöglichte die konkrete Identifikation humaner Kerne. ii) Analyse der Expression hepatischer Faktoren, die von den ursprünglichen Stammzellen nicht gebildet wurden. Hierzu wurde ein für huma-nes Albumin spezifischer Antikörper eingesetzt. iii) Überprüfung, ob die human Albumin-positiven Zellen menschlichen Ursprungs sind. Hierzu wurde eine Kombination aus in situ Hybridisierung mit Alu-Sonden und Immunhistochemie gegen humanes Albumin etabliert. Als Positivkontrolle dienten in der vorliegenden Arbeit primäre humane Hepatozyten. Das Ergebnis nach Transplantation humaner Hepatozyten wurde mit dem Ergebnis nach Trans-plantation adhärent proliferierender Nabelschnurblutzellen, hepatopankreatischen Vorläufer-zellen und aus peripheren humanen Blutmonozyten in vitro ausdifferenzierten Neohepatozy-ten verglichen. Anhand positiver Rotfluoreszenz wurden bereits im paraffinisierten Schnitt die Be-reiche der transplantierten CM-DiI-markierten Stammzellen identifiziert. Durch die in situ Hybridisierung mit Mensch-spezifischen Alu-Sonden wurden in den CM-DiI-positiven Area-len Menschkerne nachgewiesen. Immunhistochemisch wurde in diesen Bereichen eine Ex-pression humanen Albumins gezeigt. Vom umgebenden Gewebe waren die identifizierten Zellen durch einen kleinen dezentral gelegenen Zellkern, geringe Zellgröße und einer Hepato-zyten unähnlichen Morphologie zu unterschieden. Diese Zellen traten in der Regel als kleine-re Zellagglomerate auf, die entweder in Gefäßen oder ohne Endothelabgrenzung im Gewebe zu finden waren. Bei der Auswertung weiterer auf humanes Albumin untersuchter Gewebe-schnitte wurde ein zweiter morphologisch unterschiedlicher Typ humanes Albumin-exprimierender Zellen gefunden. Dieser war durch eine perfekte Hepatozytenmorphologie mit großem, zentral gelegenem Kern und polygonaler Form der Zelle charakterisiert. Im Gewebe lagen diese Zellen vereinzelt, ohne immunhistochemische Detektion wäre eine Unterschei-dung von Maushepatozyten nicht möglich gewesen. Mit der in situ Hybridisierung wurde für diese Zellen ein Mauskern nachgewiesen. Der seltener auftretende Zelltyp mit perfekter He-patozytenmorphologie wurde als Typ I und der kleinzellige Zelltyp als Typ II bezeichnet. Bemerkenswert hierbei ist, dass die beobachteten Typen human Albumin-positiver Zellen nach Transplantation aller drei miteinander verglichenen Zelltypen nachweisbar waren. Eine mögliche Erklärung des Befundes der Typ II-Zellen besteht in einer teilweisen Differenzie-rung in Richtung Hepatozyte. Die menschlichen Zellen exprimieren zwar Albumin, nicht aber andere Faktoren wie CYP3A4, und nehmen keine hepatozelluläre Morphologie an. Ein über-raschender Befund war die Typ I-Zelle. Der Mechanismus, der in diesen Zellen zur Expressi-on humanen Albumins führt, ist zurzeit ungeklärt. Mithilfe des EROD-Assays wurde die metabolische Aktivität der CYP1A-Isoenzyme bei in vitro differenzierten Neohepatozyten bestimmt. Hierbei wurde ein zeitabhängiger Um-satz von EROD zu Resorufin beobachtet, der aber nicht durch 3-Methylcholanthren induzier-bar war. Damit fehlt den Neohepatozyten in diesem Punkt eine wichtige Eigenschaft primärer Hepatozyten. Allerdings sind durch publizierte Untersuchungen an Neohepatozyten weitere Hepatozyten-spezifische Parameter wie Harnstoffzyklus und Albuminproduktion belegt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass nach Transplantation humaner Vor-läuferzellen verschiedenen Ursprungs ein qualitativ ähnliches Ergebnis mit zwei unterschied-lichen Typen human Albumin-positiver Zellen beobachtet wurde. Ob diese Zelltypen thera-peutisch nutzbar sind, bedarf weiterer Untersuchungen, beispielsweise mit Tiermodellen für menschliche Lebererkrankungen.
Die Kanzerogenität von Dioxinen ist bisher am besten an der Prototyp“-Verbindung 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) untersucht worden. TCDD wurde im Jahr 1997 von der International Agency for Research on Cancer (IARC) als Klasse I Kanzerogen eingestuft, obwohl bislang die Mechanismen der kanzerogenen Wirkung von TCDD noch nicht hinreichend geklärt werden konnten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde von der Arbeitshypothese ausgegangen, dass TCDD über die durch den Arylhydrocarbon Rezeptor (AhR) massiv vermittelte Induktion von fremdstoffmetabolisierenden Phase I Enzymen, vor allem von CYP1A1, eine erhöhte Bildung reaktiver Sauerstoffspezies verursacht, welche die DNA schädigen können und potenziell mutagen sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein System entwickelt, das ausreichend große Mengen an CYP1A1 exprimieren sollte ohne dass zuvor eine das Studienergebnis möglicherweise verfälschende Behandlung mit einem AhR-Agonisten (z.B. TCDD) stattgefunden hat. Erstes Ziel war die Etablierung eines geeigneten in-vivo Systems, nämlich die Erzeugung einer transgenen, humanes CYP1A1 überexprimierenden Maus. Das humane CYP1A1 Transgen wurde in den generierten, transgenen Mauslinien nicht wie erwartet exprimiert, obwohl die Integration in das Genom der Mäuse zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte. Zwar konnte eine Induktion von hCYP1A1 in verschiedenen Organen der Mäuse auf mRNA Ebene nachgewiesen werden, allerdings wurde im Vergleich zu Wildtyp Tieren weder eine Steigerung der CYP1A1 Proteinmenge noch deren katalytischer Aktivität erzielt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden in-vivo Untersuchungen hinsichtlich oxidativem Stress und DNA-Schädigung an TCDD behandelten C57B6 Mäusen und Sprague-Dawley Ratten bzw. an deren entsprechenden Kontrollen, sowie an transgenen Mäusen mit konstitutiv aktivem AhR (CA-AhR) durchgeführt. Die CA-AhR Linie bot eine weitere Möglichkeit, die Auswirkungen der AhR-vermittelten Genexpression ohne Verwendung eines AhR-Liganden in-vivo zu untersuchen. Als Messparameter für oxidativen Stress wurde der auf Fluoreszenz basierende H2DCFDA Assay im 96 Well Format etabliert. Als Marker für oxidative DNA-Schäden wurde der Gehalt an 8-oxo dG in genomischer DNA individueller Proben mittels HPLC-MS quantifiziert. Ob evtl. erhöhte ROS Gehalte bzw. DNA Schäden nach TCDD Expostition in einen direkten Zusammenhang mit AhR-regulierten CYP1A Induktion stehen wurde durch die Analyse der katalytischen CYP1A Aktivität mittels EROD-Assay überprüft. Die gefundenen Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die ROS Bildung möglicherweise auch im in-vivo Experiment davon abhängt, wie stark TCDD als Induktor von CYP1A Enzymen wirkt. Die Daten zeigten aber auch, dass es sich in-vivo bei der TCDD vermittelten Induktion von oxidativen DNA-Schäden vermutlich um einen chronischen Langzeiteffekt handelt, der nicht ausschließlich von TCDD Leberlast oder CYP1A Enzyminduktion abzuhängen scheint. Mit Hilfe von Mikrosomen (SupersomesTM) aus stabil transfizierten Insektenzellen wurde des weiteren das individuelle ROS-Bildungspotenzial einzelner, AhR-regulierter CYP-Enzyme mittels H2DCFDA Assay untersucht. Die SupersomesTM Experimente bestätigten generell die Hypothese, dass TCDD induzierte CYPs eine potenzielle Quelle für ROS darstellen. Generell konnte die Hypothese bestärkt werden, dass die ROS Bildung nach TCDD Exposition eine Konsequenz der AhR vermittelten CYP Induktion darstellt. Isolierte RNA aus den Lebern von Mäusen wurde mit Hilfe von Microarrays auf Veränderungen der Genexpressionsmuster untersucht, die Hinweise auf gentoxischen bzw. oxidativen Stress und andere prokarzinogene Veränderungen als Konsequenz einer TCDD Exposition bzw. der konstitutiven Aktivität des AhR geben sollten. Die (permanente) Aktivierung des AhR führte einerseits in der Leber von Mäusen generell zu einem erhöhten oxidativen Stress. Andererseits konnte gezeigt werden, dass pro- und antiapoptotische Signalwege an diesem Prozess beteiligt zu sein scheinen, möglicherweise als Konsequenz des induzierten oxidativen Stresses.
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 vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese neuer C4,C5-funktionalisierter N-heterozyklische Carbenliganden. Der Aufbau der Liganden erfolgte über einen mehrstufigen Syntheseweg ausgehend von Glyoxyl und Trimethylamin. Das erhaltene 1,2-Diamin wurde mit Allymagnesiumchlorid in einer Additionsreaktion funktionalsiert. Anschließend erfolgte ein Ringschluß durch Umsetzung mit Triethylorthoformiat und NH4X (X = Cl, BF4, I). In einer RCM mit Grubbs 1 wurde aus den eingeführten Allylgruppen ein Cyclohexenring unter Abspaltung von Ethen gebildet. Durch eine Bromaddition bzw. Oxidation an der intramolekularen Doppelbindung wurden zwei weitere funktionalisierte Derivate synthetisiert. Das durch Oxidation entstandene trans-Diol wurde mit 3-(Triethoxysilyl)propyl- isocyanat umgesetzt, so dass ein funktionalsiertes Imidazoliumsalz synthetisiert wurde, welches eine Möglichkeit zur Immobilisierung an Kieselgel bietet. Die neu synthetisierten funktionalisierten NHC-Ligandenvorstufen wurden mit geeigneten Metallkomplexen zu NHC-Metallkomplexen umgesetzt. Dafür wurden Silber-, Rhodium-, Palladium- und Rutheniumkomplexe verwendet. Die neu hergestellten NHC-Palladium- und NHC-Rutheniumkomplexe wurden in Anwendungsreaktionen auf ihre Aktivität untersucht. Der NHC-Rutheniumkomplex besitzt eine Struktur vom Typ Hoveyda. Er wurde in einer RCM mit N,N-Diallyl-4-toluolsulfonamid als Substrat eingesetzt. Die erhaltenen Umsätze wurden mit Hoveyda II verglichen. Die NHC-Palladiumkomplexe wurden zunächst in einer Standardaminierung auf ihre Aktivität getestet. Als Testreaktion wurde die Umsetzung von p-Bromtolul mit Morpholin audgewählt. Es erfolgte ein Vergleich mit anderen Palladiumkatalysatoren: SIMes*HCl/Pd2dba3/KOtBu, Pd(OAc)2/BINAP/CsCO3. Weiterhin wurden die NHC-Palladiumkatalysatoren in der Synthese von Wirkstoffkandidaten für die präklinische Forschung eingesetzt. Bei den durchgeführten Reaktionen handelt es sich an allen Fällen um Aminierungen. Die auf diesen Weg erhalötnen neuen Verbindungen wurden in Folgereaktionen zu weiteren Testkandidaten umgesetzt. Die Wirkstoffkandidaten wurden in biologischen Assays auf ihre Wirksamkeit als Kinaseinhibitoren getestet.
Das Ziel dieser Arbeit lag in der Aufklärung zellulärer Wirkmechanismen von Apfelpolyphenolen und deren möglicher Relevanz im Hinblick auf die Chemoprävention, insbesondere des kolorektalen Karzinoms. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass polyphenolreiche Apfelextrakte in vitro das Wachstum der humanen Kolonkarzinomzelllinie HT29 hemmen, wobei die Induktion von Apoptose eine Rolle zu spielen scheint. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass polyphenolreiche Apfelsaftextrakte modulierend in Signalübertragungswege eingreifen, die wesentlich sind für die Regulation von Zellwachstum und Differenzierung. In erster Linie zeichnen sich dabei Effekte auf wachstumsfaktorvermittelte Signalwege ab. Als herausragende Wirkqualität des polyphenolreichen Apfelsaftextraktes AE02 bzw. des Apfeltresterextraktes AE03B ist ihre hocheffektive Hemmung der Proteintyrosinkinase (PTK)-Aktivität des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (EGFR) zu nennen. Anhand von Untersuchungen zur Modulation des Phosphorylierungsstatus (als ein Maß für die Aktivität des EGFR) konnte gezeigt werden, dass die Hemmwirkung des AE02 nicht limitiert ist auf den isolierten EGFR, sondern auch in intakten Zellen zum Tragen kommt. Insgesamt zeigte sich allerdings, dass die bislang in Apfelextrakten identifizierten Inhaltsstoffe alleine bzw. in der Summe nur marginal sowohl zur Wachstumshemmung als auch zur Hemmung des EGFR beitragen. Oligomere Procyanidine dagegen erwiesen sich als hoch potente Hemmstoffe der PTK-Aktivität des isolierten EGFR. Die Proteinkinase C (PKC)-Isoenzymfamilie spielt ebenfalls eine Schlüsselrolle bei der Regulation von Wachstumsprozessen. In dieser Arbeit wurde der Frage nachgegangen, ob Apfelpolyphenole die PKC-Aktivität im Kolon beeinflussen. Dafür wurden humane Kolonkarzinomzellen im Vergleich zu primären humanen Enterozyten (Biopsie) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die PKC-Aktivität nicht transformierter humaner Enterozyten als auch humaner Kolonkarzinomzellen durch Apfelpolyphenole gehemmt wird. Der Apfelsaftextrakt AE02 konnte als Hemmstoff der isolierten zytosolischen PKC-Aktivität von HT29-Zellen charakterisiert werden. Eine 24-stündige serumfreie Inkubation von HT29-Zellen mit AE02 führt zu einer Hemmung der zytosolischen PKC-Aktivität; sogar in geringeren Konzentrationen im Vergleich zur Hemmwirkung an isolierter PKC. Dies könnte auf einer Hemmung PKC-vorgeschalteter Signalelemente beruhen, die so den hemmenden Effekt von AE02 auf die PKC-Aktivität verstärken könnten. Jedoch zeigte sich nach 24-stündiger Inkubation von HT29-Zellen ein U-förmiger Kurvenverlauf mit einem Anstieg der PKC-Aktivität in hohen Konzentrationen. Nachdem keine PKC-Aktivierung bei Zugabe von Apfelpolyphenolen zu isolierten Enzympräparationen zu beobachten war, kann eine direkte substanzvermittelte Aktivierung ausgeschlossen werden. Die Caspase-3-Aktivierung und die DNA-Fragmentierung, als Merkmale apoptotischer Prozesse; sowie der gezeigte Wiederanstieg des Gesamtproteingehaltes an proapoptotischer PKCdelta nach 24-stündiger Zellinkubation mit AE02 deuten darauf hin, dass die PKC-Aktivierung intermediär als Teil des apoptotischen Prozesses auftritt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der polyphenolreiche Apfelsaftextrakt AE02 potent die isolierte, aus humanen Kolonkarzinomzellen immunopräzipitierte, GSK3beta, einem Schlüsselenzym des Wnt-Signalweges, in seiner Aktivität hemmt. Auch in intakten Zellen führt die Inkubation (24 h) von HT29-Zellen mit Apfelpolyphenolen zu einer signifikanten konzentrationsabhängigen Hemmung der zellulären GSK3beta-Aktivität. Damit einher geht die signifikante Abnahme an phosphoryliertem beta-Catenin. Gleichzeitig nimmt unerwarteterweise der Gehalt an Gesamt-beta-Catenin ebenfalls ab. Die Ergebnisse weisen somit darauf hin, dass der polyphenolreiche Apfelsaftextrakt AE02 in humanen Kolonkarzinomzellen keinen Wachstumsstimulus über den Wnt-Signalweg induziert und aufgrund der Reduktion der Expression von beta-Catenin eher antiproliferative Effekte des AE02 zu erwarten sind. Zusammenfassend ist festzustellen, dass Apfelpolyphenole in/unterhalb von Polyphenolkonzentrationen polyphenolreicher Apfelsäfte (z. B. 500 mg/l im Projektsaft AS02), in vitro in Signaltransduktionskaskaden eingreifen, die mit der Entstehung kolorektaler Karzinome assoziiert werden.
Uncoupling protein1 (UCP1) in brown adipose tissue was discovered earlier as the main uncoupling source of respiration. We describe the basic facts and a modest contribution of our group to the area of research on mitochondrial uncoupling proteins. After defining the terms uncoupling, leak, proton-mediated uncoupling, we discuss the assumption that due to its low abundance, uncoupling protein 2 (UCP2) can provide only mild uncoupling, i.e. can decrease the proton motive force by several mV only. A fatty acid cycling mechanism is described as a plausible explanation for the protonophoretic function of all uncoupling proteins together with our experiments supporting it. A speculation for the phylogenesis of all uncoupling proteins can be deduced by estimated UCP2 content in several tissues, and details of its activation are explained on the basis of our experiments. In the present study a solubilization and refolding method for UCP2 from inclusion bodies was developed and characterized. As it was known and also demonstrated from previous experiments on UCP1 that fatty acids are substrates, we used the same procedure to study the function of UCP2. Utilizing spin-labelled fatty acids (SLFA) for our experiments we demonstrated the binding of fatty acids to UCP2, and the competition of other natural fatty acids like oleic acid, palmitic acid, arachidonic acid and eicosatrienoic acid to the preformed complex emphasizes the presence of a fatty acid binding site for mitochondrial UCP2. The findings were observed by EPR spectroscopy where the highly immobilized spectra with presence of spin-labelled fatty acid eventually end up as free spin label spectra with a particular concentration of the natural fatty acid added to the UCP2 bound with spin-labelled fatty acid. This fits in significantly with the earlier findings of UCP1 and also leads to assumption of functional explanation about the physiological relevance between the uncoupling proteins functions. The present study, in which representative and sensitive parameters for EPR spectroscopy were established, at the same time describes the concentration effects of fatty acids upon the protein bound with spin-labelled fatty acids which are much of importance in comparison to physiological levels, being in the micromolar range (µM) as compared with milli molar (mM) as for UCP1 previously. In appropriate examples, different fatty acids are used and compared with competitors like alkylsulfonates also emphasizing the function of the protein. And the studies with the effect of nucleotides inhibition demonstrate that there exists a putative binding site for fatty acids. Much significance lies in demonstration with the spin-labelled-ATP studies where competition of ATP to the protein bound to spin-labelled ATP explains about the inhibition effect of nucleotides on the UCP2. So the present study applies different methods for the functional characterization of UCP2. The studies of natural fatty acids and alkylsulfonates with UCP2 bound to spin-labelled fatty acid, and study of nucleotide inhibition on UCP2 are closely related and give the much awaited answer to the question of functional similarities between UCP1 and UCP2. This supports the discussion of many groups which predict the functional similarity between these two proteins based upon sequence homology. Also many attempts have been reported in literature to explain the physiological functional relevance where by this present study can also be added to as we now suppose from the present conclusions of our experiments.
Im ersten Teil dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Spin-Label Aminosäure HO3007 (ein Derivat des Alanins, dessen Seitenkette mit dem Spinlabel 2,2,5,5-Tetramethylpyrrolin-nitroxid modifiziert ist) mit der Methode der amber-Suppression in Proteine inkorporiert werden kann. Der Einbau wurde ESR-spektroskopisch nachgewiesen. Dazu wurde eine neue amber-Suppressor tRNA synthetisiert. Am Akzeptorstamm trägt die tRNA die Spin-Label-Aminosäure HO3007, mit ihrem Anticodon erkennt die tRNA das amber Codon. Der Einbau der Aminosäure erfolgte in ein 137 Aminosäuren langes N-terminales Fragment des humanen Mtj1p-Proteins in vitro. Zu diesem Zweck wurde in den in vitro Expressionsvektor pIVEX2.3MCS das Gen für ein 137 Aminosäuren langes N-terminales Fragment des humanen Mtj1p-Proteins einkloniert. Das Gen wurde so mutiert, dass sich an der Position des Codons für die Aminosäure Phe113 (TAC) die amber-Mutation (TAG) befindet. Der neu synthetisierte Vektor trägt die Bezeichnung pIVEX2.3MCSMtj1pN-term. Der Vektor und die amber-Suppressor tRNA wurden in einem E.coli in vitro Translationssystem eingesetzt. Die hohen gebundenen Anteile der anschließend gemessenen ESR-Spektren zeigen, dass die Spin-Label Aminosäure in das nativ gefaltete N-terminale Fragment des Mtj1p-Proteins eingebaut wurde. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass das Substratanalogon 2-N3-2’,3’-SL-ATP auch in der isolierten -Untereinheit der FOF1-ATP-Synthase des thermophilen Bacillus PS3 an die katalytische Bindungsstelle bindet und somit für weitergehende Untersuchungen von Struktur-Funktionsbeziehungen als Reportermolekül geeignet ist. Dazu wurde die isolierte -Untereinheit mit dem Substratanalogon 2-N3-2’,3’-SL-ATP kovalent markiert und anschließend tryptisch verdaut. Die entstandenen Peptidfragmente wurden mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie analysiert. Mit Hilfe der MASCOT-Datenbank und der Software BioTools der Fa. Bruker konnte ein Fragment identifiziert werden, bei dem Tyr 341, das sich in der katalytischen Bindungsstelle befindet, mit dem ADP-Derivat von 2-N3-2’,3’-SL-ATP kovalent markiert ist. Einen weiteren Hinweis für die erfolgreiche kovalente Modifizierung der -Untereinheit mit 2-N3-2’,3’-SL-ATP lieferte die Untersuchung des unverdauten Proteins im MALDI-TOF Massenspektrometer. Im Vergleich zum unmodifizierten Protein weist der Peak der modifizierten -Untereinheit ein deutliches Peak-tailing zu höheren Massen auf. Da die Proben vor der Messung entsalzt wurden, spricht diese Beobachtung deutlich für die kovalente Modifizierung des Proteins. Die Ergebnisse dieses Teils der Arbeit beweisen, dass das Substratanalogon 2-N3-2’,3’-SL-ATP auch im Fall der isolierten -Untereinheit an die katalytische Bindungsstelle bindet.
Die cyclischen Alkylamine Aziridin und Azetidin wurden auf ihre Reaktivität in der mehrfachen Palladium-katalysierten Arylaminierung untersucht. Obwohl es sich hierbei um gespannte Heterocyclen handelt, ließen sich mit beiden Aminen gezielte und effiziente Kupplungen verschiedener Bromaryle durchführen. Durch den gegenüber anderen sekundären Aminen geringen sterischen Anspruch lässt sich die konkurrierende Beta-Hydrideliminierung weitestgehend zurückdrängen. Durch die verhältnismäßig geringe Basizität des Aziridins ließen sich Aminierungen von Monobromarylen und elektronenarmen Oligobromarylen mit der schwachen Base Cs2CO3 bewerkstelligen. Erst bei der mehrfachen Arylaminierung von zunehmend elektronenreicheren Substraten bedurfte es der Verwendung einer stärkeren Base, wie dem verwendeten NaOtBu. Im Falle des Azetidins ließen sich dagegen effektive Umsetzungen bereits bei den monosubstituierten Substraten nur unter Einsatz einer starken Base erreichen. Darüber hinaus zeigten sowohl Aziridin als auch Azetidin eine außerordentlich hohe Reaktivität gegenüber Iodarylen. Im Gegensatz zu den Kupplungen der Bromaryle, ließen sich bei einer reduzierten Katalysatormenge die entsprechenden Arylamine innerhalb einer kürzeren Reaktionszeit erhalten. Bei der Palladium-katalysierten Aminierung von Iodbenzol reichte bereits eine Katalysatormenge von 0,3 mol% für eine effiziente Kupplung aus. Bei der Verwendung von XantPhos als Ligand lassen mit Azetidin auch effektiv Kupplungen von Iodarylen bei Raumtemperatur durchführen. Auf diese Weise lässt sich unter anderem 1,2,4,5-Tetraazetidinobenzol in exzellenter Ausbeute synthetisieren. Durch den geringen sterischen Anspruch des Aziridins in Verbindung mit seiner schlechten Elektronendonoreigenschaft ist es zudem erstmals gelungen eine sechsfache Palladium-katalysierte Arylaminierung durchzuführen. Das Reaktionsprodukt der sechsfachen Kupplung – Hexaaziridinobenzol, erweist sich als unerwartet stabile Verbindung. Obwohl Hexaaziridinobenzol ein elektronenreiches Benzolderivat ist, wie durch UV/Vis-Spektroskopie und Cyclovoltammetrie belegt werden konnte, neigt es unter Luft nicht zur Oxidation. Die Struktur des Hexaaziridinobenzols konnte durch ab initio Rechnungen und durch eine Kristallstrukturanalyse ermittelt werden. Hierbei zeigte sich, dass gegenüber dem freien Aziridin die Dreiringe des Hexaaziridinobenzols durch die Anordnung im Molekül wesentlich gespannter sind, was an den verkürzten Bindungen innerhalb der Aziridinringe zu erkennen ist. Durch die angestiegene Ringspannung lässt sich Hexaaziridinobenzol im Gegensatz zu anderen elektronenreichen Hexaamino-benzolen nicht in stabile Kationen oder Übergangsmetallkomplexe überführen.
Epidemiologische Studien geben Hinweise, dass eine obst- und gemüsereiche Kost präventiv gegen verschiedene ROS-assoziierte Krankheiten wirksam ist. Aufgrund der komplexen Zusammensetzung von Nahrungsmitteln ist schwer zu erfassen, welche Inhaltsstoffe für die Wirksamkeit maßgeblich sind. Phenolische Apfelsaftextrakte (AEs) aus Säften unterschiedlicher Apfelsorten und ein Tresterextrakt (APE03) wurden auf ihr Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in Darmzellen untersucht. Ein zweistufiges Inkubationsprotokoll kam in humanen Kolonzelllinien (Caco-2, HT29) zur Anwendung: basierend auf einer 24 h Behandlung mit phenolischem Antioxidans, gefolgt von einer Induktion von oxidativem Stress (durch Menadion, 1 h bzw. tert-Butylhydroperoxid, 40 min), um eine pathologische in vivo Situation nachzustellen. Die Apfelsaftextrakte wurden im Vergleich zu als Antioxidanzien beschriebenen Saftinhaltsstoffen (Rutin, Phloridzin, Epicatechin, Kaffeesäure, Chlorogensäure) und zu entsprechenden rekonstituierten Mischungen (rAEs) geprüft. Untersuchte Parameter waren (oxidative) DNA-Schädigung, zellulärer ROS-Level und Glutathionspiegel. Zusätzlich wurden antioxidative Kapazität und die Stabilität der Einzelstoffe unter Inkubationsbedingungen erfasst. Die Apfelsaftextrakte zeigten eine ausgeprägte antioxidative Kapazität (3.6-4.2 mM Trolox), der Tresterextrakt APE03 war dabei wirksamer als die drei Saftextrakte. Die höheren TEAC-Werte der entsprechenden rAEs (4.7-7.3 mM Trolox) deuten auf eine zentrale Rolle der Einzelstoffe in der Mischung hin. Der zelluläre ROS-Level wurde durch die Extrakte AE01, AE02 und APE03 (1-100 µg/mL) und rAEs (0.5-50 µg/mL) in beiden Zelllinien signifikant verringert. AE04 war nur in HT29 Zellen wirksam. Oxidative DNA-Schäden in Caco-2 Zellen wurden durch die Extrakte (50-100 µg/mL) und deutlicher durch die rekonstituierten Mischungen (1 µg/mL) von AE01 und APE03 verringert. Von den Saftinhaltsstoffen zeigten Kaffeesäure und Rutin das höchste Potenzial zur Verringerung von DNA-Schäden; der zelluläre ROS-Level wurde am effektivsten durch Kaffeesäure und Chlorogensäure verringert. Der Glutathionspiegel von Caco-2 Zellen wurde durch AE02 und APE03 sowie durch Kaffeesäure, nicht jedoch durch andere Einzelstoffe oder Mischungen erhöht. Die Aglyka Quercetin und Phloretin, die aus Glykosiden im Intestinaltrakt freigesetzt werden können, wiesen in allen Endpunkten die höchste Wirksamkeit auf. Humane primäre Kolonzellen erwiesen sich in den Untersuchungen als ein weniger geeignetes Modellsystem, möglicherweise aufgrund der Art der gewählten Inkubation. Insgesamt erwiesen sich die phenolischen Apfelsaftextrakte als wirksame Antioxidanzien mit hohem Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in humanen Kolonzelllinien. Mit den begleitenden Untersuchungen von Mischungen und Einzelstoffen wurden Polyphenole (Kaffeesäure, Rutin, Chlorogensäure) identifiziert, die wesentlich zur protektiven Wirkung der Saftextrakte beitragen. Der gewählte in vitro-Prüfansatz erwies sich dabei als geeignet zur Charakterisierung der antioxidativen Wirksamkeit von Apfelsaftinhaltsstoffen in Darmzellen. Die antioxidative Wirksamkeit kann nicht alleine auf die untersuchten Hauptkomponenten zurückgeführt werden. Es liegt nahe, dass auch bisher nicht charakterisierte Substanzen/ Substanzgruppen ebenfalls einen Beitrag an der antioxidativen Wirksamkeit leisten. Eine möglichst umfassende Charaktersisierung von Apfelsaftinhaltsstoffen ist notwendig, gerade im Hinblick auf eine mögliche Prävention von Darmerkrankungen durch die Aufnahme von Apfelsaft.