Interaktion zwischen Metabolismus und Transport von toxikologisch relevanten Substanzen in der gastrointestinalen Barriere
Pharmakologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff Benzo[a]pyren (BP) stellt eine ubiquitär vorkommende Umweltkontaminante dar, welche zum Großteil bei Nichtrauchern über die Nahrung aufgenommen wird. BP ist ein Pro-Karzinogen was in Folge des endogenen Fremdstoffmetabolismus zum karzinogenen +-(anti)-7,8-Dihydroxy-9,10-epoxy-7,8,9,10-tetrahydro-BP (BPDE) aktiviert werden kann. In unserer Studie konnten wir mit Hilfe von in vitro-Systemen zeigen, dass das BP in humanen intestinalen Zellen (Caco-2) zu hydrophilen Intermediaten metabolisiert wird. In erster Linie entstehen glucuronidierte/sulfatierte BP-Metabolite, die apikal (in Richtung Darmlumen) über das Breast Cancer Resistance Protein (ABCG2) transportiert werden. Die intrazelluläre Bildung des ultimal-kanzerogenen BPDE konnte durch die Detektion des detoxifizierten Glutathion-Konjugats ebenfalls in Caco-2-Zellen nachgewiesen werden. Dieses detoxifizierte Glutathion-Konjugat wurde ebenfalls durch einen aktiven Transport aus den Zellen heraustransportiert. Mittels der siRNA-Technik konnten die beiden ABC-Transporter ABCC1 auf der basolateralen und ABCC2 auf der apikalen Seite als Effluxtransporter für dieses Glutathion-Konjugat identifiziert werden. Basierend auf diesen in vitro-Studien sollte die Rolle des ABCG2 und des ABCC2 an der Exkretion des BP in vivo mit Hilfe der Abcg2- und Abcc2-knockout Mauslinien untersucht werden. Hier wurde besonders die hepatobiliäre Ausscheidung des BP und seiner Metaboliten untersucht. Um eine maximale Anflutung des BP an der Leber zu gewährleisten und einen intestinalen first pass Effekt zu umgehen, wurde den Mäusen radioaktiv-markiertes [3H]BP intravenös (1 mg/kg Körpergewicht) verabreicht. Die Analyse der Gallenflüssigkeit zeigte, dass die Gesamtausscheidung des BP in den beiden knockout-Mauslinien im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen sehr stark reduziert war, wobei tendenziell in den Abcc2(-/-)-Mäusen noch weniger radioaktivmarkiertes BP detektiert werden konnte. Für die sekretierte Gallenflüssigkeit der Abcg2-knockout-Mäuse konnte ein Metabolitenprofil erstellt werden. Hier zeigte sich, dass in Wildtyp-Mäusen wesentlich mehr monohydroxylierte BP-Metaboliten (bzw. deren Sulfo-/ Glucuronsäure-Konjugate) ausgeschieden werden als in den Abcg2-knockout-Mäusen, was die Ergebnisse der in vitro-Studien widerspiegelt. In dieser Studie wurde ebenfalls die Wirkung des Flavonoids Quercetins auf die Ausscheidung des BP in Wildtyp-Mäusen untersucht. In diversen in vitro-Studien konnte ein stimulierender Effekt von Quercetin auf die Expression Fremdstoff-metabolisierender Enzyme und auch auf die Metabolisierung des BP nachgewiesen werden. Die orale Gabe von 10 mg Quercetin pro kg Körpergewicht an drei aufeinanderfolgenden Tagen und die anschließende intravenöse Behandlung der Mäuse mit 1 mg [3H]BP pro kg Körpergewicht resultierte in einer fast 2-fach höheren hepatobiliären Ausscheidung an BP und seinen Metaboliten. Die Analyse der Genexpression von Fremdstoff-metabolisierenden Enzymen in der Leber von Mäusen, die mit 10 mg Quercetin pro kg Körpergewicht an drei aufeinanderfolgenden Tagen gefüttert wurden, zeigte keine signifikanten Veränderungen der Genexpression von Enzymen, die an der Metabolisierung von BP beteiligt sind. Auch eine genomweite Transcriptomicsstudie konnte die molekularen Ursachen für diese stark erhöhte Ausscheidung nicht erklären. Denkbar ist, dass die gesamte metabolische Kapazität der Mausleber stimuliert wird und als Nebeneffekt BP verstärkt ausgeschieden wird. Zusammenfassend konnte in diesem Projekt bestätigt werden, dass die beiden Transportproteine ABCG2 und ABCC2, die apikal unter anderem im intestinalen Epithel als auch in der kanalikulären Membran in der Leber exprimiert werden, maßgeblich an der Ausscheidung der Umweltkontaminante BP und dessen Metaboliten aus dem Körper beteiligt sind. Eine Erhöhung der Metabolisierung bzw. Ausscheidung des BP konnte in vitro und in vivo durch das Flavonoid Quercetin, welches in Zwiebeln, Äpfeln und Kapern vorkommt, gezeigt werden. Vermutet wurde in diesem Zusammenhang die Induktion von Fremdstoff-metabolisierenden Enzymen. Dieser Effekt konnte in vivo jedoch nicht beobachtet werden. Daher bleibt die molekulare Ursache für die Erhöhung der BP-Ausscheidung nach Quercetin-Exposition weiterhin unklar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012): Analysis of GSH Conjugates of Bay- and Fjord- Region Dihydrodiol Epoxides of Benzo[a]pyrene and Dibenzo[a,l]pyrene and their Transport in Enterocyte-like Caco-2 Cells. Polycyclic Aromatic Compounds 32 (2), 221-237
John A., Hessel S., Lampen A. and Seidel A.
- (2013): Multidrug resistance-associated proteins are involved in the transport of the glutathione conjugates of the ultimate carcinogen of benzo[a]pyrene in human Caco-2 cells. Arch Toxicol 87 (2), 269-280
Hessel S., John A., Seidel A. und Lampen A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00204-012-0917-0) - (2013): Polycyclic aromatic hydrocarbons in food - efflux of the conjugated biomarker 1-hydroxypyrene is mediated by Breast Cancer Resistance Protein (ABCG2) in human intestinal Caco-2 cells. Food Chem Toxicol 62, 797-804
Hessel S., Lampen A. und Seidel A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.fct.2013.10.007) - (2013): Polycyclic aromatic hydrocarbons stimulate human CYP3A4 promoter activity via PXR. Toxicol Lett 222 (2), 180-188
Luckert C., Ehlers A., Buhrke T., Seidel A., Lampen A. und Hessel S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2013.06.243) - (2014): The role of the efflux carriers Abcg2 and Abcc2 for the hepatobiliary elimination of benzo[a]pyrene and its metabolites in mice, Chemico Biol Interact, 224, 36-41
Kranz J., Hessel S., Aretz J., Petzinger E., Seidel A., Geyer J. und Lampen A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cbi.2014.10.009)
