Interaktion zwischen Metabolismus und Transport von toxikologisch-relevanten Substanzen in der gastrointestinalen Barriere

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) umfassen eine große Gruppe an ubiquitär vorkommenden Umweltkontaminanten, wobei das Pro-Kanzerogen Benzo[a]pyren (BP) den am besten untersuchten Vertreter darstellt. Die Hauptaufnahmequelle für den Menschen stellt für einen Nicht-Raucher die Nahrung dar, wobei PAK in signifikanten Mengen erst bei Verarbeitung (Darren bzw. Trocknen) sowie Zubereitung (z.B. Räuchern und Grillen) von fetthaltigen Lebensmitteln wie Fleisch und Fisch sowie Pflanzenölen und –fetten entstehen. In der ersten Antragsperiode wurde BP und dessen Detoxifizierung und hepatobiliäre Ausscheidung in Transporter-knockout-Mäusen untersucht und eine entscheidende in vivo Rolle der beiden ABC-Transporter Breast Cancer Resistance Protein (Bcrp/Abcg2) und Multidrug resistance-associated Protein 2 (Mrp2/Abcc2) nachgewiesen. Auch konnten wir in einer in vivo-Studie zeigen, dass ein weiter Nahrungsmittelbestandteil, das prominente Flavonoid Quercetin, die hepatobiliäre Exkretion des Pro-Kanzerogen BP stark fördern kann. In Wirklichkeit kommt jedoch eine Monoexposition des Menschen mit BP nicht vor, da PAK stets in Mischungen vorkommen und so auch aufgenommen werden. Diese Mischungen bestehen zum einen aus kanzerogenen Vertretern wie dem BP, aber prozentual auch in erheblichen Anteilen aus nicht-kanzerogenen PAK wie beispielsweise Pyren und Fluoranthen. Der Einfluss solcher Gemische aus nicht-kanzerogenen und kanzerogenen PAK auf die molekularen Wirkungsmechanismen ist nach wie vor nur unzureichend erforscht. Daher soll dieser Antrag die Auswirkungen solcher realer Mischexpositionen bezüglich der Beeinflussung von Metabolismus, Rezeptoraktivitäten und die Genotoxizität des BP aufbauend auf den Ergebnissen der vergangenen Antragsperiode aufklären.

Die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) gehören der Gruppe der hitzebedingten Kontaminanten an und umfassen eine große Gruppe von organischen Verbindungen, deren Struktur aus mindestens zwei kondensierten aromatischen Ringen besteht. PAK sind in ihrer ursprünglichen Form lipophile und wenig reaktive Verbindungen, die erst durch den Prozess der Biotransformation zu reaktiven Strukturen umgewandelt werden. Die Hauptquelle für die Aufnahme von PAK stellt bei Nichtrauchern die Nahrung dar. Die in Nahrungsmitteln vorkommenden Polyzyklen resultieren aus Verbrennungsprozessen beim Verarbeiten von beispielsweise Getreideprodukten und Pflanzenölen sowie beim Räuchern von Fleischwaren und Fisch. Außerdem entstehen sie beim Grillen von Fleisch über offenem Feuer. PAK entstehen immer in komplexen Mischungen bestehend aus kanzerogenen und nicht-kanzerogenen Vertretern. Jedoch sind Mischungseffekte besonders im Hinblick auf gentoxische Eigenschaften von beispielsweise dem bereits gut untersuchten Humankanzerogen Benzo[a]pyren (BP) bis jetzt nur wenig untersucht. Um diese Wissenslücken zu schließen und Kombinationseffekte zwischen nicht-gentoxischen und gentoxischen PAK zu identifizieren, wurden anhand des Vorkommens von PAK in Grillfleisch Mischungen des BP mit den nicht-kanzerogenen Fluoranthen (FA) und Pyren (PYR) in einem Verhältnis von 1:2:2,5 in humanen HepaRG-Zellen untersucht (expositionsbasiert). Die Analysen umfassten Untersuchungen zur Rezeptoraktivierung von AhR und CAR, der Genexpression prominenter Zielgene (CYP1A1 und CYP2B6) und final die Untersuchungen von Metabolisierung des BP und der Bildung von BP-induzierten DNA-Schäden DNA-Addukte und DNA-Doppelstrangbrüche). Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, dass trotz signifikanter Mischungseffekte auf molekularer Ebene der Rezeptoraktivierung und der Induktion der Expression von Zielgenen, sich final im Metabolismus und der Bioaktivierung des BP keine substanziellen Mischungseffekte beobachten ließen. Basierend auf unseren Daten empfehlen wir zur Untersuchung und Bewertung von Mischungseffekten sich nicht nur auf die initiierenden Events zu stützen, sondern die biologischen Endpunkte wie beispielsweise Beeinflussung der Metabolisierung oder die Beeinflussung der DNA-Adduktrate zu untersuchen.Neben dem expositionsbasierten Ansatz zur Bewertung der Effekte von Mischungen wurden außerdem Effekte von 10 strukturell-verschiedenen PAK (Benzo[a]anthracen, Benzo[a]pyren, Benzo[b]fluoranthen, Benzo[c]phenanthren, Benzo[j]fluoranthen, Benzo[k]fluoranthen, Dibenzo[a,l]pyren, Fluoranthen, Phenanthren, Pyren) zuerst in Monoexposition bzgl. der Interaktion mit AhR und CAR, der Induktion der Expression der Zielgene CYP1A1/1A2 und CYP2B6, deren Proteinmenge und Proteinaktivität untersucht. Hier zeigte sich, dass kleine PAK (bis 4 Ringe) primär die CAR/CYP2B6 und große PAK (>5 Ringe) die AhR/CYP1A1-Achse induzierten. Folgend den Ergebnissen wurden anhand der Rezeptoraktivierung relative Potenzfaktoren (RPF) für die Aktivierung von CAR und AhR für die 10 PAK berechnet und anschließend basierend auf den RPF binäre Mischungen entsprechend des BP (RPF=1) hergestellt und die Rezeptoraktivierung und Zielgenexpression erneut untersucht. Final wurden die beobachteten Effekte mit den erwarteten Effekten mittels dreier mathematischer Modelle verglichen. Die Daten dieser Untersuchungen zeigten, dass die Vorhersagen bezüglich der CAR/CYP2B6-Aktivierung relativ gut übereinstimmten, bei der Aktivierung der AhR/CYP1A1-Achse durch die Mischungen jedoch sehr wenig Übereinstimmungen identifiziert wurden, was möglicherweise mit dem Modell des Reportergenassays oder den Aktivierungseigenschaften des AhR assoziiert sein kann. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse unseres Forschungsprojektes, dass die Analyse von Mischungseffekten ein sehr komplexes Themengebiet ist. Weitere Forschungen in diesem Bereich sind jedoch dringend erforderlich, besonders solche, die mehrere Endpunkte an biologischen Endpunkten umfassen und miteinander in Verbindung bringen. Nur so kann auf lange Sicht die komplexe ExpositionDialog schließenExpositionExpositionZum Glossareintrag des Menschen bezüglich von komplexen Mischungen an Fremdstoffen besser bewertet werden.