Forschungsschwerpunkte

Chemopräventive Pflanzenstoffe

Im Vergleich zur klassischen Ausrichtung der Toxikologie, bei der das „Gift“ im Zentrum des Interesses stand, wendet sich die moderne Wirkungsforschung immer stärker auch Stoffen mit gewünschten biologischen Effekten zu, den so genannten chemopräventiven Stoffen. Als Forschungsschwerpunkt am IUK wurde der Bereich der tumorpräventiven Pflanzenstoffe etabliert, wobei hier insbesondere die molekularen Mechanismen der Krebsprävention von schwefelhaltigen Isothiocyanaten beleuchtet werden. Im Mittelpunkt stehen die Cruciferen (Kreuzblütler) mit der Pflanzenfamilie Brassicaceae, zu denen auch die in Mitteleuropa stark konsumierten Kohlgemüse (Rot-, Rosen- und Weißkohl, Brokkoli), aber auch Rucola und Senf zählen.
Untersucht wird unter anderem die:

• Antigentoxizität, Antimutagenität
• Enzymmodulation
• DNA-Reparatur-Induktion
• Zelltod-induzierende (apoptotische) Wirkung
• Zellzyklusmodulation

… laufende Projekte

Kontrollierte humane Interventionsstudie zum Nachweis eines chemopräventiven Potentials von Sinapis alba (Senf)

Epidemiologische Studien der letzten Jahre weisen auf eine inverse Korrelation zwischen häufigem Verzehr von Gemüsen der Familie Brassicaceae (z.B. Brokkoli, Blumenkohl, Rosenkohl, Radieschen) und dem Auftreten verschiedener Krebsarten wie Lungen-, Magen- und Darm- oder auch Blasenkrebs hin. Bisher ist der zugrunde liegende Mechanismus nicht eindeutig belegt, es wird jedoch vermutet, dass die in diesem Gemüse vorkommenden Isothiocyanate (ITC), auch als Senföle bekannt, für diesen Effekt verantwortlich sind. Dabei wird der Modulation der Enzyme des Xenobiotika-metabolismus v.a. der Glutathion-S-Transferase (GST) eine große Bedeutung zugesprochen. Die Induktion dieser Enzyme schützt die Zellen vor DNA-Schäden durch Detoxifizierung und Ausscheidung von potenten Karzinogenen und kann dadurch zur Inhibition des Karzinogeneseprozesses führen. Sinapis alba gehört ebenso zur Familie der Brassicaceae und enthält hohe Konzentrationen an den Isothiocyanaten AITC, PEITC und BITC (mg bis g/kg Trockengewicht). Ziel der Studie ist die Untersuchung eines chemopräventiven (tumorprotektiven) Potenzials von prozessiertem Sinapis alba am Menschen. Hierbei steht insbesondere die Frage im Mittelpunkt, ob durch die Aufnahme verstärkt Phase-II-Enzyme gebildet werden und somit beim Menschen der Karzinogenmetabolismus beeinflusst und hierdurch ein Krebsrisiko reduziert werden kann.

Einfluss von Isothiocyanaten auf die Telomerasemodulation von malignen Zellen

Eine Reihe an ITC wurde als Wachstumsinhibitoren und Apoptose-induzierende Stoffe identifiziert, was die Möglichkeit eines Therapieansatzes bei maligne-transformierten Zellen durch ITC birgt. Obwohl bereits einiges über ITC-vermittelte Apoptose bekannt ist, bleiben noch viele Fragen offen. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die chemopräventiven Eigenschaften von 4-Methylthiobutyl isothiocyanat (MTBITC) zu untersuchen, welche noch größtenteils unbekannt sind. Dabei fokussiert diese Studie auf die Hypothese, dass p53-vermittelte Apoptoseinduktion eine Inhibition der Telomerase zur Folge hat. Humane Telomerase wird in den meisten Krebszellen stabil exprimiert, ist aber in normalen Geweben nicht detektierbar, was die Bedeutung dieses Enzyms und seiner Komponenten in der Karzinogenese hervorhebt und ein viel versprechendes Ziel für einen selektiven therapeutischen Ansatz bei malignen Tumoren darstellt. Der Beweis einer Verbindung zwischen Telomeraseregulation und der Apoptoseinduktion durch ITC würde ein wichtiges Detail für ein besseres Verständnis der chemotherapeutischen Eigenschaften dieser Stoffe darstellen. Bisher konnten wir eine erfolgreiche Unterdrückung der Telomeraseaktivität sowie ihrer katalytischen Untereinheit hTERT nach ITC-Behandlung in humanen Hepatomzellen nachweisen. Dieser Effekt wurde begleitet von einer p53-vermittelten Apoptoseinduktion. In einem nächsten Schritt werden diese Ergebnisse nun mittels siRNA-vermitteltem Gen-Knock out bzw. mittels hTERT- negativer Zelllinie überprüft.

… abgeschlossene Projekte

Antigentoxizität von Sinapis alba und Sinapis alba-produzierten Lebensmitteln

In dem Projekt wurden die relevanten ITC verschiedener Senf-Sorten nach unterschiedlichen Lagerungszeiträumen identifiziert und quantifiziert. Darüber hinaus wurden die antigentoxischen Eigenschaften von Sinapis alba und der in ihm enthaltenen ITC untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Konzentrationen relevanter ITC auch nach dem Öffnen der Proben über einen Zeitraum von 6 Monaten keine signifikanten Unterschiede aufweisen. Mit dem Comet Assay liessen sich signifikante antigentoxische Effekte nachweisen.

Zytogenetische Untersuchungen in Mundschleimhautzellen von Pestizidhändlern und –lieferanten in Nicaragua

Die Studie evaluierte die Assoziation von zytogenetischen Schäden in Mundschleimhaut-zellen von Pestizidhändlern und –lieferanten aus Nicaragua mit einer chronischen Pflanzenschutzmittelexposition unter Verwendung des Mironukleus Tests als Biomarker. Zusätzlich wurde die Aktivität von Serum Cholinesterase (SChE) gemessen und Variablen wie Raucherverhalten, Arbeitsbedingungen und Gesundheitsstatus mittels Fragebogen ausgewertet. Ein signifikant erhöhter Unterschied zeigte sich in der Mikrokernfrequenz der Mundschleimhautzellen von Pestizidhändlern im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die SChE war in den exponierten Personen niedriger als in der Kontrollgruppe. Dies ist eine der ersten Studien in der zentralamerikanischen Region, die zytogenetische Effekte in gegenüber Komplexgemischen von Pflanzenschutzmitteln chronisch- exponierten Personen aufzeigt.

Bestimmung der kokanzerogenen Wirkung des synthetischen Duftstoffes Moschus Keton im Rahmen der 7,12-Dimethylbenz(a)anthracen (DMBA)-induzierten Kanzero-genese der Mäusehaut

Im Langzeittierversuch sollte die für eine Risikobewertung von MK wichtige Frage geklärt werden, ob die für die komutagenen Effekte von MK in vitro (humane Leberzellen) und ex vivo (SD-Ratte) relevanten Mechanismen auch im Rahmen einer Kokanzerogenese zu evaluieren sind. Die Untersuchungen zeigten, dass im Vergleich zur 7,12-DMBA und TPA-behandelten, aber MK unbehandelten Kontrollgruppe eine Vorbehandlung der CD1-Mäuse mit Konzentrationen von 1 mg MK ab der 12 Woche nach 7,12-DMBA-Applikation zu einer signifikanten Zunahme und zum früheren Auftreten maligner Hauttumoren führte. MK wirkt somit auch als Kokanzerogen der 7,12-DMBA-initiierten und TPA-promovierten Maushautkanzerogenese. MK wirkte jedoch nicht als Initiator, Promotor oder Solitärkanzerogen.

Bestimmung der antigentoxischen Wirkung von Extrakten phytopharmakologisch- wirksamer Pflanzenextrakte in humanen Zellen

In der Studie wurden chemopräventive Effekte von pflanzlichen, phytopharmazeutisch bedeutsamen Komplexgemischen (Pflanzenextrakte) in menschlichen Hepatokarzinomzellen untersucht. Hierzu wurde das Potenzial der Extrakte, Benzo[a]pyren (Bap)-induzierte DNA-Schäden zu verhindern, quantifiziert. Darüber hinaus wurde auch die direkte mutagene Wirkung der Pflanzenextrakte analysiert. Für verschiedene Pflanzengemische wurden antigentoxische Effekte gefunden. Daphne mezereum, Euphorbia cyparissias und Toxicodendron quercifolium zeigten bereits im direkten GenTox-Assay in HepG2-Zellen eine Reduktion der spontanen Mikrokernbildung, d.h. protektive Effekte in Sinne einer Antigentoxizität. Diese Effekte bestätigten sich im Kombinationsassay nach Bap-Exposition der Zellen. Die antigentoxischen Wirkungen bei den untersuchten Pflanzenextrakten sind vermutlich auf das Vorkommen von Flavonoiden zurückzuführen, die als Scavenger wirksam sind oder die DNA vor Bindung der aktivierten Kanzerogene maskieren. Ebenso muss eine Inhibition von toxifizierenden Phase-I bzw. eine Induktion detoxifizierender Phase-II-Enzyme diskutiert werden. Bei Podophyllum peltatum und Ruta graveolens fanden sich erst in hohen Konzentrationen antigentoxische Effekte, die wahrscheinlich auf das Vorkommen von protektiven Lignanen bzw. Cumarinen in diesen Pflanzen zurückführen sind.

Ringversuch „in vitro Mikrokerntest mit V79-Zellen (ISO/DIN 21427-2)“ organisiert durch den Arbeitskreis „Gentoxizität“ im DIN NA 119-01-03

Im Zuge der internationalen Standardisierung des in vitro-Mikrokerntests mit V79-Zellen (ISO/DIN 21427-2) wurde 2006 an 12 Laboratorien ein Ringversuch zur Anwendbarkeit und Reproduzierbarkeit des Testsystems bei der Untersuchung von Abwasserproben durchgeführt. Beim Mikrokern-Test handelt es sich um einen Indikatorassay für chromosomale Aberrationen. Die Ergebnisse des Ringversuchs wurden in der Zeitschrift UWSF (1) 7-16. 2007 publiziert.

Verwendung von humanen Zelllinien für die Untersuchungen co-und antigentoxischer Inhaltsstoffe in der menschlichen Nahrung

Das Ziel des Projektes war die Entwicklung von Testmethoden mit menschlichen Zellen, welche die Aktivierung/Detoxifizierung gentoxischer Karzinogene besser als andere derzeitig verwendete Indikatorzellen widerspiegeln und aus diesem Grund einen erhöhten Prädiktions-wert für die Identifizierung von ko- und antigentoxischen Nahrungsmittelinhaltsstoffen besitzen. Die Ergebnisse sind im Abschlussbericht des Projektes HEPADNA (QLK1-CT-1999-0810, 2005) publiziert.