Kaiserslautern - Fachbereich Chemie
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Im Rahmen dieser Dissertation wurden neuartige tetraamidomakrozyklische Liganden mit verschiedenen Strukturmotiven entlang mehrstufiger Syntheserouten analysenrein dargestellt. Zum einen wurden als neuartige Grundstrukturen 1,8‑Diaminonaphthalin sowie 2-Aminobenzylamin in das tetraamidomakrozyklische Ringsystem eingebaut, wodurch sich Makrozyklen mit 14 Ringatomen ergaben. Zum anderen wurde das gegenüberliegende Ligandenrückgrat durch Variation der Substituenten am α‑Kohlenstoffatom von Malonsäurederivaten verändert. Bei bereits literaturbekannten Liganden mit einer Größe von 13 Ringatomen konnte durch Variation einiger Reaktionsparameter eine Optimierung der Ausbeuten im Cyclisierungsschritt erfolgen. Im Anschluss daran wurden alle erhaltenen Liganden zu Eisen(III)komplexen mit axialen Wasserliganden mit Kaliumgegenionen umgesetzt. Eine Kristallisation vieler Eisen(III)komplexe wurde durch Ionenaustausch erreicht, wobei in den meisten Fällen reproduzierbar, zusätzlich zum Ionenaustausch, ein Ligandenaustausch des axialen Liganden zu Chlorid beobachtet wurde. Die Charakterisierung aller erhaltenen paramagnetischen Eisen(III)komplexe erfolgte mittels verschiedener analytischer Methoden. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass alle neuartigen makrozyklischen Liganden mit 14 Ringatomen bei unterschiedlichen verwendeten Reaktionsbedingungen keine Cobalt(III)komplexe ausbildeten. Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig die Komplexierung des 4d-Metalls Molybdän in der Oxidationsstufe +V durch einen tetraamidomakrozyklischen Liganden beobachtet, was durch röntgenkristallographische Messungen belegt wurde. Die dargestellten Eisen(III)komplexe kamen schließlich bei der selektiven Oxidation von Cyclohexen zur Untersuchung ihrer homogenkatalytischen Aktivität zum Einsatz. Hierbei fanden verschiedene Aktivierungsmethoden Anwendung. Die Variation einiger Reaktionsparameter resultierte in guten Ausbeuten sowie hohen Selektivitäten bei der katalytischen Anwendung. Auch konnten Struktur- und Reaktivitätsbeziehungen der verschiedenen Komplexe abgeleitet werden. Abschließend erfolgten erste Versuche zur katalytischen Oxidation von Cumol.
In der vorliegenden Arbeit werden die Synthesen neuer Imidovanadium(V)-Verbindungen vorgestellt. Die analytischen Daten werden diskutiert und die Komplexe charakterisiert. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch Reaktivitätsstudien, die wiederum die Charakterisierung der Produkte erfordert. Die Umsetzung von Phosphaalkinen mit Imidovanadium-Komplexen stellt einen Schwerpunkt der Arbeit dar. Die erhaltenen organischen bzw. anorganischen Produkte werden isoliert und charakterisiert. Mögliche Reaktionsmechanismen werden diskutiert und anhand nachgewiesener Neben- bzw. Zwischenprodukte untermauert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist das Studium des Reaktionsverhaltens der Imidovanadium(IV)-Verbindung tBuNVCl2 DME. Das Disproportionierungsverhalten bei den Substitutionsreaktionen mit Nukleophilen der 14., 15., und 16. Gruppe wird untersucht; neue Komplexe werden isoliert und charakterisiert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung funktionaler Modellsysteme von Bromo- und Chloroperoxidasen zur Oxidation von Bromid und Chlorid unter wasserfreien und nachhaltigen Bedingungen. Die neuen Methoden fanden Anwendung in der Synthese halogenierter O-Heterocyclen, welche häufig als Grundstrukturen von Naturstoffen mit ausgeprägten physiologischen Wirkungen auftreten. Die gewonnenen Erkenntnisse lösten vorhandene Probleme mit Reaktivität und Chemoselektivität in oxidativen Bromierungsreaktionen und trugen zu einem besseren Verständnis der beobachteten Regioselektivitäten in Bromcyclisierungen hochsubstituierter 4-Pentenole bei. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konnte erstmalig eine analoge Methode zur oxidativen Chlorcyclisierung für die Darstellung beta-chlorierter Tetrahydrofurane und Tetrahydropyrane entwickelt werden.
Die enorme Reaktivität des Tetrahedrans [{Cp'''Fe}2(µ-CO)(µ-eta2:2-P2)] (1) konnte durch die Komplexierung eines der beiden Phosphoratome mit dem 16VE-Übergangsmetall-Fragment {W(CO)5}herabgesetzt werden. Die Oxidation von [{Cp'''Fe}2(µ-CO)(µ-eta2:2-P2)] (1) mit Schwefel und Selen führt bereits bei Raumtemperatur zu den pseudo-Tripeldeckerkomplexen vom Typ [{Cp'''Fe}2(µ-eta4:4-P2X2)] (2,3) mit einem P2X2-Mitteldeck (X = S, Se). Die vier Hauptgruppenelemente liegen als trapezoid angeordnete Kette vor (RSA), ähnlich der P4-Kette in den Komplexen vom Typ [{CpRFe}2(µ-eta4:4-P4)] (4). Unter Photolyse-Bedingungen erhält man durch Abspaltung der verbrückenden CO-Gruppe aus 1 den bereits von Eichhorn [11,38] charakterisierten Bicyclus [{Cp'''Fe}2(µ-P)2] (5), der in situ mit Schwefel und Selen zu den selben Oxidationsprodukten 2 beziehungsweise 3 reagiert (vgl. voranstehend). Die Komplexierung beider Phosphoratome in den pseudo-Tripeldeckerkomplexen 2 und 3 mit [W(CO)6] ist möglich, wobei die einfach komplexierte Verbindung [{Cp'''Fe}2(µ3-eta4:4:1-P2X2){W(CO)5}] (6,7) (X = S, Se) die P2X2-Struktureinheit des Eduktes beibehält, wäh-rend bei der Zweifachkomplexierung ein stark verzerrtes trigonales Prisma entsteht. Die beiden {W(CO)5}-Fragmente sind in [Cp'''2Fe2P2X2{W(CO)5}2] (8,9) (X = S, Se) symmetrisch an dieses Polyedergerüst koordiniert. Im Fall des Selens entsteht noch eine dritte Verbindung, deren zentrales Strukturelement ein P2Se2Fe-Fünfring ist, in welchem das Fe-Atom etwas nach unten abknickt und neben einem η5-koordinierten Cp'''-Ring eine terminale CO-Bindung aufweist. In Verbindung [Cp'''Fe(µ4-eta4:2:1:1-P2Se2)Fe(CO) Cp'''{W(CO)5}2] (10) sind die beiden Phosphoratome zusätzlich komplexiert. Die Langzeitthermolyse des [{In''(OC)2Fe}2(µ-eta1:1-P4)]-Butterfly-Komplexes (11) mit dem zweikernigen [{Cp'''Fe(CO)2}2] (12) liefert drei pseudo-Tripeldeckerkomplexe [{Cp'''Fe}2(µ-eta4:4-P4)] (4a), [{In''Fe}2(µ-eta4:4-P4)] (4b) und [{Cp'''Fe}{In''Fe}(µ-eta4:4-P4)] (4c). Bei der Umsetzung des Cp'''-Derivates 4a mit [W(CO)6] können zwei strukturisomere Komplexierungsprodukte 31P-NMR-spektroskopisch nachgewiesen werden. Durch fraktionierende Kristallisation gelangt man zu einer analysenreinen Substanz, die röntgenstrukturanalytisch als der alternierend koordinierte Komplex [{Cp'''Fe}2(µ4-eta4:4:1:1-P4){W(CO)5}2] (13) charakterisiert werden kann. Bei dem Versuch, ein Ruthenium-Dimer vom Typ [{CpRRu(CO)2}2] (14) mit dem Tri-tert-butyl-Cyclopentadienylliganden zu synthetisieren, erhält man nur Verbindung [{Cp'''Ru}2(µ-CO)(µ-O)] (15), dessen thermische Umsetzung mit weißem Phosphor zu einem weiteren pseudo-Tripeldeckerkomplex [{Cp'''Ru}2(µ-eta4:4-P4)] (16) mit einem P4-Mitteldeck führt.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein Beitrag zu der Frage geleistet werden, welche Bedeutung etheno-DNA-Addukte in der Karzinogenese und bei chronisch degenerativen Erkrankungen haben könnten. Zu diesem Zweck wurden etheno-DNA-Addukte mittels 2-Chloracetaldehyd (CAA), einem von zwei Metaboliten von Vinylchlorid und dem Krebstherapeutikum Ifosfamid, in einem humanen B-lymphoiden Zellsystem (Raji Zellen) induziert. Der subtoxische Konzentrationsbereich von CAA wurde mittels Wachstumskurven auf unter 100 microM eingegrenzt. Weiterhin wurde gezeigt, daß CAA in den in dieser Arbeit verwendeten Konzentrationen einen relativ großen Einfluß auf das Wachstumsverhalten von Raji Zellen hatte. Dieser Einfluß beruhte unter anderem auf der Hemmung der DNA-Replikation und damit indirekt auch auf die DNA-Reparatur, der CAA-abhängigen Kondensation der zellulären DNA aufgrund von DNA-DNA-Quervernetzungen und einem geringen Einfluß auf die Atmungskette in Mitochondrien aufgrund einer Hemmung des NADH-Dehydrogenase-Komplexes. Die weitere Arbeit verteilte sich daraufhin auf drei Teilprojekte : - Die Detektion und Quantifizierung von etheno-Desoxyadenosin-Addukten (edA) wurde unter Anwendung einer einfachen, nicht-radioaktiven Alternative zu der IPPA-Postlabeling-Methode auf HPLC-Basis mit Fluoreszenzdetektion durchgeführt, die im Rahmen dieser Arbeit etabliert wurde. Dabei konnte gezeigt werden, daß CAA bei Konzentrationen zwischen 30 und 100 microM eine Erhöhung von edA um den Faktor 3-4 in Raji Zell-DNA zur Folge hatte. Ferner konnte mit Hilfe dieser HPLC-Methode zum ersten Mal die Induktion von edA als Folge von Zigarettenrauch in diesem Zellsystem gezeigt werden, wobei es offen bleibt, ob diese DNA-Addukte direkt oder durch Induktion von Lipidperoxidation gebildet wurden. - Der Nachweis der genspezifischen Induktion von etheno-DNA-Addukten in einer "Hot-Spot"-Region der mitochondrialen DNA wurde auf Basis einer in unserer Abteilung von Yang und Hergenhahn entwickelten Methode zum genspezifischen Nachweis von DNA-Schäden durchgeführt. Dazu wurde diese Methode auf die in dieser Arbeit gestellten Anforderungen hin weiterentwickelt. Es konnte unter Zuhilfenahme dieser Methode eine signifikante Zunahme von edA in der mitochondrialen Zielregion, bei CAA-behandelten Proben gegenüber den Kontrollen, nachgewiesen werden. - Der Einfluß von CAA auf die Mutationsraten in mitochondrialer DNA aus Raji Zellen wurde mit Hilfe des RSM- und DPD-Tests untersucht. Der DPD-Test wurde im Laufe dieser Arbeit zu einem Festphasen-DPD-Test weiterentwickelt um den Hintergrund an nicht mutierten Sequenzen und die Gefahr von Kreuzkontaminationen zu minimieren. Im Rahmen dieser Experimente konnte eine Zunahme von Mutationen zwischen 10,5 und 14,5 % der CAA-behandelten Proben gegenüber den unbehandelten Kontrollen gezeigt werden. Die Art der Mutationen wurde durch Sequenzierung ermittelt und waren in allen CAA-behandelten Proben A G und T C Transitionen. Weiterhin wurde überprüft, ob CAA, als bifunktionelles Agens, neben Punktmutationen auch Deletionen auslösen könnte. Dabei wurde eine nahezu signifikante Zunahme an Deletionen in den CAA-behandelten Proben gegenüber den unbehandelten Kontrollen festgestellt. Die in dieser Arbeit angewendeten und weiterentwickelten Methoden könnten durchaus weitere praktische Anwendungen finden. So könnte die Bestimmung von edA mittels HPLC aus Blut von Krebspatienten, bei Behandlung mit dem Krebstherapeutikum Ifosfamid, ein nützliches Hilfsmittel für die Expositionskontrolle werden. Hierbei könnte edA als Marker für die interne Belastung des Patienten mit, dem Metabolit von Ifosfamid, CAA dienen. Die in dieser Arbeit entwickelte Festphasen-DPD-Methode ebnet den Weg, unselektierte durch edA-ausgelöste Mutationen in nukleären Genen wie z.B. p53 zu bestimmen, die aufgrund von erhöhter Lipidperoxidation unter pathologischen, präkarzinogenen Bedingungen wie Wilsons Syndrom oder Hämochromatose gebildet werden könnten. Da bisher keine mitochondrialen etheno-DNA-Addukt-spezifischen Reparaturenzyme beschrieben wurden, muß man davon ausgehen, daß etheno-DNA-Addukte auch einen Beitrag zu Mutationen im mitochondrialen Genom leisten und damit eine Rolle im Prozeß des Alterns bzw. in der Entwicklung von degenerativen Erkrankungen spielen könnten.
Zeitaufgelöste FTIR- und Lumineszenzspektroskopie an Organometallkomplexen und deren Reaktionen
(2023)
In dieser Arbeit wurden mittels Lumineszenzspektroskopie und Step-scan-FTIR-Spektroskopie die Leuchteigenschaften sowie die elektronisch angeregten Zustände von Organometallkomplexen im Temperaturbereich von 5 - 290 K untersucht, welche für die Eignung als organische Leuchtdioden (OLEDs) und Photokatalysatoren bzw. -sensibilisatoren relevant sind. Für ein besseres Verständnis der Reaktivität verschiedener Organometallkomplexe wurden die Reaktionen mittels zeitaufgelöster FTIR-Spektroskopie verfolgt. Der Vergleich mit quantenchemischen Rechnungen unterstützt die Charakterisierung der elektronisch angeregten Zustände, Reaktionsprodukte oder Intermediate. Die untersuchten Komplexe erreichen die gewünschten Eigenschaften ohne Seltenerdmetalle und enthalten stattdessen häufiger vorkommende Metalle wie Kupfer. Daher wurde der Einfluss von Metall-, Halogenid- und Ligandvariationen auf die Leuchteigenschaften und die dafür verantwortlichen elektronisch angeregten Zustände zweikerniger und vierkerniger Kupfer- und Silberkomplexe, die sich potentiell für die Anwendung als OLEDs eignen, untersucht. Auch der elektronisch angeregte Zustand eines weiteren Kupferkomplexes mit interessanten Lumineszenzeigenschaften wurde charakterisiert. Ebenfalls wurden die photophysikalischen Eigenschaften eines Kupfer-Photosensibilisators sowie seine Fähigkeit zum Energieübertrag untersucht. Im Bereich der Reaktivitäten wurden die photochemische Reaktion und ihre ungewöhnliche, dunkle Rückreaktion von Carbonyl-haltigen Chrom-, Molybdän- und Wolframkomplexen verfolgt und der Reaktionsmechanismus aufgeklärt. Auch die thermische Reaktion eines Kupferkomplexes, die sich je nach Lösungsmittel unterscheidet wurde untersucht und mögliche Produkte identifiziert. Die erlangten Erkenntnisse über den Einfluss verschiedener Ligandmodifikationen, Halogenid- oder Metallzentren auf die gewünschten Eigenschaften der Organometallkomplexe und das Verständnis für die Reaktivität tragen zu der Entwicklung verbesserter Systeme bei, welche ohne Seltenerdelemente gute Eigenschaften für die Verwendung als Leuchtdioden, Katalysatoren oder Photosensibilisatoren aufweisen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der wirkmechanistischen Untersuchung substituierter Pteridine im Hinblick auf die Beeinflussung zentraler Regulationswege der Proliferation, der Apoptose und des Zytoskeletts. Im Besonderen sollte die Interaktion mit dem mitogen-aktivierten Protein Kinase (MAPK)- bzw. dem Phosphatidylinositol 3-Kinase (PI3K)-Signalweg erforscht werden, nachdem bereits gezeigt werden konnte, dass die cAMP-erhöhende und Protein Kinase A (PKA)-aktivierende Eigenschaft der Pteridine nicht alleine für die wachstumshemmende Wirkung verantwortlich sein kann. Als zentrales Element der Proliferationskontrolle reguliert der MAPK-Signalweg die Phosphorylierung des Transkriptionsfaktors ELK1. Anhand eines Reportergen-Assays sollte die Beeinflussung der ELK1-Phosphorylierung durch in Position 6 substituierte Derivate der Stammverbindung E481 (7-Benzylamino-6-chloro-2-piperazino-4-pyrrolidino-pteridin) untersucht werden. Alle Substanzen sind hinsichtlich einer Hemmung der ELK1-Phosphorylierung weniger wirksam als die Leitsubstanz E481. Zusätzlich erfolgt nur bei E481 die Hemmung der ELK1-Phosphorylierung und die des Zellwachstums in einem vergleichbaren Konzentrationsbereich. Ferner sollte die Relevanz des PI3K-Signalweges für morphologische und wachstumsregulierende Wirkungen substituierter Pteridine bestimmt werden, nachdem für E481 bereits in der Vulvakarzinomzelllinie A431 eine Hemmung der PI3K und Zytoskelettveränderungen nachgewiesen werden konnte. Die Untersuchungen ergaben, dass die PI3K als genereller Vermittler der wachstumshemmenden Eigenschaft substituierter Pteridine ausgeschlossen werden kann. Auch die morphologischen Effekte durch E481 scheinen nicht PI3K-vermittelt zu sein. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeit beschäftigte sich mit der Frage, ob die Hemmung der PI3K in A431 Zellen durch E481 eine Rolle spielt für die Arretierung im Zellzyklus und die Apoptoseinduktion. Diese Wirkungen können über den PI3K-Effektor PKB an das nachgeschaltete Signalelement Glycogen Synthase Kinase 3beta (GSK3b) und über das proapoptotisch wirkende BAD vermittelt werden, die allerdings zusätzlich mit dem PKA-Signalweg interagieren. Für die GSK3beta kann trotz einer verminderten PKB-Phosphorylierung keine verminderte Phosphorylierung festgestellt werden, was möglicherweise durch die gleichzeitig aktivierte PKA verursacht wird, die ebenfalls die GSK3beta phosphorylieren kann. Die Untersuchungen der BAD-Phosphorylierung deuten ab einer 18-stündigen E481-Inkubation eine verminderte PKA-abhängige Phosphorylierung an und lassen zudem eine verminderte PKB-abhängige Phosphorylierung vermuten. Möglicherweise trägt dies zu der E481-vermittelten Apoptoseinduktion in A431 Zellen bei. Ferner zeichnet sich nach 24-stündiger Inkubation mit E481 konzentrationsabhängig eine verringerte Phosphorylierung des Tumorsuppressorproteins pRb (Retinoblastoma) ab, was vermutlich wesentlich zum G1-Arrest beiträgt. Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen der E481-vermittelten Paxillinlokalisation sollten mögliche Wechselwirkungen zwischen dem cAMP-Signalweg und den morphologischen Veränderungen aufdecken. Es zeigt sich, dass eine E481 bedingte Abrundung der Zellen mit einer Paxillinabwanderung von der Plasmamembran einhergeht. Dieser Prozess findet unter Beteiligung einer Phosphatase statt- und ist nicht PKA-, vielleicht aber cAMP-vermittelt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Wirkmechanismus substituierter Pteridine, insbesondere von E481, wesentlich komplexer ist als bislang vermutet. Zusätzlich zu der potenten Hemmung der Phosphodiesterase 4 greift E481 in eine Reihe zentraler Signalübertragungswege (MAPK-, PI3K/PKB-Signalweg) ein. Darüber hinaus interagiert E481 wirkungsvoll mit Signalelementen, welche die Integrität des Zytoskeletts gewährleisten. Hierbei scheinen PKA-unabhängige, möglicherweise aber cAMP-vermittelte Phosphataseinduktionen eine bedeutende Rolle zu spielen.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines Enzyme linked immuno sorbant Assay zur Untersuchung der Protein-Tyrosinkinase-Aktivität des Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR). Um die Beeinflussung der Signaltransduktionskaskade downstream des EGFRs durch antineoplastische Substanzen weiter in intakten Zellen untersuchen zu können, wurde ein Mitogen-aktivierte-Proteinkinase (MAPK)-Reportergen-Assay entwickelt. Tyrphostin AG 1478, ein bekannter EGFR-Inhibitor, erwies sich im neu etablierten Test-system als potenter Hemmstoff der Protein-Tyrosinkinase (PTK) des EGFRs mit einem IC50-Wert von 2,4 microM. Das Wachstum von A 431-Zellen wird durch Tyrphostin AG 1478 signifikant stärker inhibiert, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Die Behandlung von A 431- Zellen mit Tyrphostin AG 1478 induziert eine Arretierung der Zellen in G0/G1-Phase des Zellzyklus, bei gleichzeitiger Abnahme der Zellzahl in der Synthesephase. Neuartige Bisindolylmaleimide und Indolocarbazole zeigten in tumorzellwachstumshemmenden Konzentrationen keine bzw. nur eine geringe Hemmung der PTK-Aktivität des EGFRs. Aus der Gruppe der substituierten Pteridine hemmte die Leitsubstanz 7a (DC-TA-46) die PTK-Aktivität des EGFRs mit einem IC50-Wert von 48 +- 3,5 microM. Modifikationen in Position 2 spielen eine wesentliche Rolle bei der Hemmung der EGFR assoziierten PTK. Modifikationen der Leitsubstanz in Position 6, wie z.B. Austausch des Chlors gegen Wasserstoff oder eine Methylgruppe, führten zum Verlust der Hemmwirkung auf die PTK-Aktivität. Die untersuchten Substanzen 7a, 7k, 7o, E272, E273 und E276 hemmten das Wachstum der A 431- Zellen in niedrigeren Konzentrationen, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Im MAPK-Reportergen- Assay zeigten 7a und das Glycin-Derivat E272 als einzige dieser Substanzen in Konzentrationen, in denen Wachstumshemmung und PTK-Hemmung vorliegt, eine fast vollständige Inhibierung der Elk1-Phosphorylierung. Hingegen zeigte das Lysin-Derivat E273, das die höchste Hemmwirkung der Pteridinderivate im PTK-Assay aufwies, in wachstumshemmenden Konzentrationen im MAPK-Reportergen-Assay keine Hemmung der Luciferase-Aktivität. Ferner wurden unterschiedliche Klassen von Flavonoiden untersucht. Aus den Gruppen der untersuchten Chalcone und Isoflavone erwies sich keine Substanz als potenter PTK-Hemmstoff. Die untersuchten Flavone aus Scutellaria baicalensis hemmten das Wachstum von A 431- Zellen in niedrigeren Konzentrationen, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Aus dieser Gruppe hemmte Baicalein als einzige die PTK-Aktivität des EGFRs in wachstumshemmenden Konzentrationen mit einem IC50-Wert von 1,1 microM. Neben Baicalein zeigte Wogonin eine Hemmung der Elk1-Phosphorylierung, wobei nur Baicalein in wachstumshemmenden Konzentrationen die Luciferase-Aktivität inhibierte. Des weiteren erwiesen sich die Anthocyanidine Delphinidin und Cyanidin in wachstumshemmenden Konzentrationen als Hemmstoffe der EGFR assoziierten Tyrosinkinase und Elk1-Phosphorylierung. Beide Substanzen hemmten das Wachstum von A 431-Zellen in niedrigeren Konzentrationen, als das Wachstum von LXFL529L-Zellen. Abschließend ist festzuhalten, daß neue molekulare Untersuchungsmethoden erfolgreich etabliert wurden, die Einblick in Mechanismen ermöglichen, die für eine tumorzellwachstumsinhibierende Wirkung relevant sind. Hierbei stand im Vordergrund die Aufklärung von Interaktionen in zellulären Signalketten, die wesentliche Bedeutung für die Zellproliferation besitzen. Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit war vor allem der Wachstumsfaktor getriggerte Signalweg Rezeptor-Tyrosinkinase/Ras/Raf/MAPK. Die so etablierten Testmethoden können dazu beitragen, neue Wirkprinzipien zur Tumorwachstumshemmung aufzufinden bzw. zu charakterisieren.
Anthocyane, eine Untergruppe der Flavonoide, sind als natürliche Farbpigmente weit verbreitet in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft. Ihnen werden eine Reihe von gesundheitlich positiven Wirkungen zugeschrieben, was dazu geführt hat, dass auf dem Markt für Nahrungsergänzungsmittel immer mehr Produkte auf Anthocyanbasis auftauchen. Als ein möglicher nachteiliger Faktor für eine potentielle genotoxische Wirkung von Flavonoiden wird die Interaktion mit humanen Topoisomerasen diskutiert. Bezüglich einer möglichen Risiko/Nutzen-Evaluierung ist es nicht nur von Bedeutung, ob Flavonoide/Anthocyane mit diesen Enzymen interagieren, sondern auch die Art dieser Interaktion und sich möglicherweise daraus ergebende Konsequenzen, besonders im Hinblick auf die Integrität der DNA. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Anthocyanidine Delphinidin (Del), Cyanidin (Cy), Pelargonidin (Pg), Paeonidin (Pn) und Malvidin (Mv) hinsichtlich ihrer Beeinflussung humaner Topoisomerase I und II zu untersuchen. Ein Schwerpunkt lag bei der Aufklärung des Wirkmechanismus dieser Verbindungen bezüglich einer Stabilisierung des Cleavable Complex, möglichen Interaktionen mit der DNA und die Relevanz dieser Effekte für die Integrität zellulärer DNA. Es konnte gezeigt werden, dass nur die Verbindungen mit vicinalen Hydroxygruppen im B-Ring des Anthocyangrundgerüstes, Del und Cy, effektiv die katalytische Aktivität isolierter humaner Topoisomerase I und Topoisomerase IIalpha + IIbeta hemmen. Sie wirken jedoch nicht wie die klassischen Topoisomerasegifte Camptothecin oder Etoposid über die Stabilisierung des kovalenten Topoisomerase-DNA-Komplexes, sondern stellen rein katalytische Inhibitoren dar. Del und Cy könnten sogar die DNA vor Topoisomerase I-Giften schützen, da sie zumindest am isolierten Enzym die Stabilisierung des Cleavable Complex der Topoisomerase I durch Camptothecin effektiv verhindern. Für alle getesteten Anthocyanidine konnte gezeigt werden, dass sie im niedrigen mikromolaren Bereich, zwischen 15 µM und 50 µM, sowohl an die kleine Furche der DNA binden, als auch in die DNA interkalieren können und das diese DNA-interagierenden Eigenschaften keinen wesentlichen Beitrag zur Hemmung der Topoisomerasen liefern. Auch wenn im Falle der Anthocyanidine die direkte DNA-Interaktion im Hinblick auf die Topoisomerasehemmung nur von geringer Bedeutung ist, so scheint sie jedoch relevant bezüglich der Integrität zellulärer DNA zu sein. Die einstündige Inkubation von HT29 Kolonkarzinomzellen zeigte, dass bei Inkubation mit den Anthocyanidinen in Konzentrationen >50 µM, signifikant DNA-Schäden induziert werden. Im Hinblick auf die Integrität der DNA lebender Zellen scheint der jeweilige Konzentrationsbereich von entscheidender Bedeutung zu sein. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss der Überexpression der Tyrosyl-DNA-Phosphodiesterase 1 (TDP1) nach Inkubation mit Topoisomerasegiften zu untersuchen. Im Rahmen einer Kooperation mit Prof. Boege, Universitätsklinikum Düsseldorf, wurden uns verschiedene Zellklone zur Verfügung gestellt, die ein Fusionsprotein aus TDP1 und GFP überexprimierten, sowie eine katalytisch inaktive Variante des Enzymes (TDP1-H263A). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen an diesen Zelllinien zur Zytotoxizität von Topoisomerasegiften durchgeführt, sowie Untersuchungen zum Einfluss der TDP1 auf die Induktion von DNA-Schäden durch Topoisomerasegifte. Untersuchungen zum Zellwachstum der verschiedenen Zelllinien mittels MTT-Zytotoxiziätsassay zeigten nach 72 stündiger Inkubation mit den Topoisomerasegiften Camptothecin (Topo I) und Etoposid (Topo II) keinen signifikanten Wachstumsvorteil bei Überexpression der TDP1. Betrachtet man jedoch die Induktion von DNA-Schäden bei Kurzzeitinkubationen (1h) von Camptothecin im Comet-Assay, so erkennt man eine signifikante Reduktion der DNA-Schäden bei Überexpression der TDP1. Ist bei der TDP1 das katalytische Histidin 263 gegen Alanin ausgetauscht, steigen die DNA-Schäden auf das gleiche Niveau wie bei nicht TDP1-überexprimierenden Zellen, d.h. es findet keine Reparatur statt. Erstaunlicherweise zeigte sich auch bei der Inkubation mit dem Topoisomerase II-Gift Etoposid, welches ursprünglich als Negativkontrolle gedacht war, der gleiche Reparatureffekt. Eine Hochregulation DNA-reparierender Enzyme ist unwahrscheinlich, da bei Inkubation mit dem DNA-methylierenden Agens N-methyl-N'-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG) alle Zelllinien eine vergleichbare Menge an DNA-Schäden aufwiesen. Die nunmehr erzielten Ergebnisse eröffnen erstmals die Möglichkeit den Comet-Assay, unter Verwendung der unterschiedlichen TDP1-Klone, zum Auffinden von TDP1-Hemmstoffen einzusetzen.
Methyleugenol ist ein sekundärer Pflanzeninhaltsstoff, der in verschiedenen Kräutern und
Gewürzen vorkommt. In Form von natürlichen ätherischen Ölen findet Methyleugenol als
Aromastoff in Lebensmitteln und als Duftstoff in Kosmetika Verwendung. Methyleugenol
wurde als natürliches gentoxisches Kanzerogen eingestuft. Ein Fokus der vorliegenden
Dissertation lag auf wirkmechanistischen Untersuchungen zur Gentoxizität von
Methyleugenol und ausgewählten oxidativen Phase-I-Metaboliten. So wurden direkt
gentoxische Wirkmechanismen, wie die Induktion von DNA-Strangbrüchen oder Mikrokernen
in der humanen Kolonkarzinomzelllinie HT29 detektiert. Auf Grund der fehlenden in vitro
Mutagenität der Verbindungen sollten weitere Wirkmechanismen zum DNA-strangbrechenden
Potential sowie potentielle Effekte auf DNA-Reparaturprozesse charakterisiert werden.
Die Metaboliten Methyleugenol-2',3'-epoxid und 3'-Oxomethylisoeugenol hemmen die HDAC- und Topoisomerase-I-Aktivität und tragen somit möglicherweise zum DNA-strangbrechenden
Potential der Metaboliten bei. 3'-Oxomethylisoeugenol wurde dabei als
katalytischer Hemmstoff humaner Topoisomerase I identifiziert, welcher signifikant die DNA-strangbrechende
Wirkung und die Enzym/DNA-stabilisierenden Effekte des Topoisomerase-I-Giftes Camptothecin hemmt. In Folge der Induktion von DNA-Doppelstrangbrüchen durch
die Testsubstanzen wird die DNA-Reparatur-assoziierte ATM/ATR-Signalkaskade und das
nachgeschaltete Tumorsuppressorprotein p53 aktiviert. Diese Ergebnisse weisen darauf hin,
dass die zelluläre DNA-Schadensantwort in Verbindung mit DNA-Reparaturmechanismen
oder einer Apoptoseinduktion dazu beitragen, dass die initialen gentoxischen Wirkungen der
Substanzen zu keiner direkten Mutagenität in vitro führen. Insgesamt konnte die Arbeit
zeigen, dass reaktive oxidative Metaboliten von Methyleugenol eine Vielzahl zellulärer
Zielstrukturen beeinflussen und eine potentielle in vitro Gentoxizität aufweisen, weshalb sie
in ihrer Gesamtheit in der Risikobewertung der Ausganssubstanz berücksichtigt werden
sollten.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Untersuchung der posttranslationalen
Histondeacetylase (HDAC)-Modifikation durch Polyphenole. Es wurde gezeigt, dass
Polyphenole die Expression des Regulatorproteins SUMO E1 beeinflussen. Des Weiteren
hemmen die Polyphenole (-)-Epigallocatechin-3-gallat und Genistein die HDAC-Aktivität und
vermindern den HDAC 1 Proteinstatus in HT29-Kolonkarzinomzellen. HDAC gehört zu den
SUMO-Substratproteinen. Im Rahmen der Arbeit wurde erstmals eine Modulation der posttranslationalen
HDAC 1-Sumoylierung nach Inkubation mit den Polyphenolen nachgewiesen,
welche im direkten Zusammenhang mit der HDAC-Aktivitätshemmung stehen könnte. EGCG
und Genistein beeinflussen somit epigenetische Signalwege in Tumorzellen. Inwieweit eine
Beeinflussung der DNA-Integrität durch HDAC-Hemmstoffe ein Risiko für primäre Zellen
darstellt, muss in weiterführenden Studien noch geklärt werden.