Modellierung der konzentrationsabhängigen Änderungen im Energiestoffwechsel von Urothelzellen nach Exposition gegen 3-Nitrobenzanthron
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das geförderte Projekt beinhaltete zwei Bereiche: eine umfassende toxikologische Untersuchung der Wirkung einer 3-NBA Exposition in Urothelzellen und die mathematische Modellierung der oxidativen Abwehr mit einem Schwerpunkt auf den Pentosephosphatweg und Glukonatshunt. In vitro Untersuchungen: In RT4-Zellen wurden die dosis- und zeitabhängige Aufnahme, Metabolisierung und zelluläre Lokalisation von 3-NBA bzw. seinem Metaboliten 3-ABA untersucht. Für einen detaillierteren Einblick wurden die Aktivitäten verschiedener Enzyme überprüft (Cytochrom P450, Glutathion-S-Transferase, N-Acetyltransferasen, Sulfotransferase 1A1, Xanthinoxidase, Cytochrom P450 Oxidoreduktase, NADPH-Dehydrogenase), wobei im Modell hauptsächlich die NADPH-Dehydrogenase an der Metabolisierung von 3-NBA beteiligt war. Die zelluläre Antwort wurde anhand toxikologischer Endgrößen (ROS, Proliferation, Viabilität, mitochondriales Membranpotential, Glutathiongehalt) dosisabhängig analysiert. Exposition gegen höhere 3-NBA Konzentrationen führte zu einem Anstieg des ROS-Gehaltes, einer schlechteren Glutathion-abhängigen antioxidativen Kapazität und einer Beeinträchtigung der mitochondrialen Funktion. Basierend auf diesen Ergebnissen und einer Principal Component Analysis wurden fünf 3-NBA Konzentrationen für eine untargeted metabolomische Analyse ausgewählt. Die Analyse spiegelte den zunehmenden oxidativen Stress wider und deutete auf ein Umprogrammieren des zellulären Stoffwechsels mit einer Betonung des Pentosephosphatwegs und des Glukonatshunts hin. Mathematische Modellierung: Ein metabolisches Netzwerk, das unter anderem den oxidativen Pentosephosphatweg und den Glukonatshunt umfasst, wurde in ein mathematisches Modell überführt. Dieses wurde anschließend durch Parameterfitting basierend auf eigenen in vitro Daten und Literaturwerten parametrisiert. Danach wurde die Dosis-Wirkungsbeziehung durch numerische Simulationen untersucht. Durch die in silico Simulationen wurde die Bedeutung des Glukonatshunts erstmals dosisabhängig untersucht. Unter hohem oxidativem Stress wird der Pentosephosphatweg hochreguliert und das Enzym Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase dominiert signifikant die NADPH-Produktion. Der Pentosephosphatweg besitzt eine deutlich höhere Kapazität zur NADPH- Produktion als der Glukonatshunt. Weiterhin konnte erstmals festgestellt werden, dass der Glukonatshunt über das Enzym Glucose 1-Dehydrogenase einen vermehrten Beitrag zur NADPH-Produktion bei Exposition gegenüber geringer 3-NBA Konzentrationen liefert. Außerdem wurden mit dem Modell Schwellwerte der ROS-Konzentrationen identifiziert, ab denen eine Aktivierung der beiden Stoffwechselwege auftritt. Diese Schwellwerte lassen darauf schließen, dass adverse Effekte innerhalb von 24 Stunden ab einer extrazellulären 3-NBA Konzentration zwischen 0,16 und 0,625 µM auftreten. Fazit: Erstmals wurden die genannten oxidativen Abwehrmechanismen mathematisch modelliert. Erfreulich gut konnte das in silico Modell an die gemessenen ROS-Werte gefittet werden., obwohl von Seiten der Gutachten der Erfolg dieser Modellierung angezweifelt wurde. Dieses Ergebnis motiviert, den Weg fortzusetzen, um mit Hilfe einer umfangreicheren mathematischen Modellierung der oxidativen Abwehr toxikologische Fragen beantworten und eventuell Grenzwerte ableiten zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017). "Dose-Dependent Response to 3-Nitrobenzanthrone Exposure in Human Urothelial Cancer Cells." Chem Res Toxicol 30(10): 1855-1864
Pink, M., N. Verma, A. Zerries and S. Schmitz-Spanke
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(2017). "Toxicological endpoints and metabolomics analysis reveal a transition from adaptive to adverse cellular state of 3-nitrobenzanthrone in urothelial cells." Naunyn-Schmiedebergs Archives of Pharmacology 390: S20-S21
Pink, M., N. Verma, A. Zerries and S. Schmitz-Spanke
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(2017). “Discrimination of carbon black particles – loaded with different concentrations of diesel engine exhaust – using untargeted metabolomics combined with cellular assays” 10th International Symposium on Biological Monitoring in Occupational and Environmental Health (ISBM-10)
M. Pink, M., N. Martner, N. Verma, Simone Schmitz-Spanke
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(2018). "Combination of cellular assays with metabolomics revealed mechanistic insights on dose-response relationship of 3-nitrobenzanthrone in human urothelial cancer cells." Occupational and Environmental Medicine 75(Suppl 2): A413-A414
Schmitz-Spanke, S., N. Verma, A. Zerries and M. Pink
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„Mathematical Modelling of Cellular Response Pathways for Oxidative Stress“ 11th European Conference on Mathematical and Theoretical Biology (ECMTB2018)
D. Schittenhelm, M. Neuss-Radu, N. Verma, M. Pink S. Schmitz-Spanke
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(2019). "ROS and pentose phosphate pathway: mathematical modelling of the metabolic regulation in response to xenobiotic-induced oxidative stress and the proposed Impact of the gluconate shunt." Free Radic Res 53(9-10): 979-992
Schittenhelm, D., M. Neuss-Radu, N. Verma, M. Pink and S. Schmitz-Spanke
