Mikrosomale Biotransformation von Benzo[ghi]perylen, einem mutagenen polyaromatischen Kohlenwasserstoff ohne das Strukturelement der Bay-Region des kanzerogenen Benzo[a]pyrens

Kanzerogene polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), wie Benzo[a]pyren, besitzen eine Bay-Region mit ortho-kondensiertem Benzoring. Dadurch ist die enzymatische Bildung von Bay-Region-Dihydrodiolepoxiden (Oxiranylring in der sterisch abgeschirmten Molekülbucht) möglich, die als ultimal kanzerogene Metaboliten der PAKs gelten. Diese lösen durch DNA-Modifikation Primärläsionen aus, die, sofern sie nicht enzymatisch repariert werden, bei der DNA-Replikation Fehler verursachen (Mu-tationen). Der Mehrstufenprozeß der Kanzerogenese (Promotion und Progression) führt schließlich zur neoplastischen Entartung der Zelle. Benzo[ghi]perylen (BghiP) repräsentiert eine Gruppe von PAKs, die keine „klassische“ Bay-Region besitzen und daher keine vicinalen Dihydrodiolepoxiden bilden können. Trotzdem ist BghiP mutagen, z. B. in den Stämmen TA98 und TA100 von Salmonella typhimurium (1,3- bzw. 4,3 his+-Revertanten/nmol) nach metabolischer Aktivierung mit der postmitochondrialen Fraktion von Ratten nach Behandlung mit 3-Methylcholanthren. Hemmung der mikrosomalen Epoxidhydrolase (mEH) mit 1,1,1-Trichlor-2-propenoxid (TCPO) steigert die bakterielle Mutagenität von BghiP im Stamm TA98 um das 4-fache, was Arenoxide als ultimale Mutagene wahrscheinlich macht. Dieses Ergebnis wird au-ßerdem durch Untersuchung der DNA-Bindung mit dem Verfahren des 32P-Postlabelings bestätigt (Dr. Fickler, Institut für Toxikologie, Universität Mainz). Danach bildete mikrosomal aktiviertes BghiP drei Addukte (ein Hauptaddukt, zwei Nebenaddukte), die durch Hemmung der mEH mit TCPO verstärkt wurden (das Hauptaddukt um 29%). Um den für die bakterielle Mutagenität von BghiP verantwortlichen Metaboliten zu identifizieren, wurde die mikrosomale Biotransformaton von BghiP aufgeklärt. Umsetzung von BghiP mit Lebermikrosomen von Ratten nach Behandlung mit Aroclor 1254 lieferte 17 mit Ethylacetat extrahierbare Metaboliten. Zwölf dieser Metaboliten konnten durch eine Kombination von chromatographischen, spektroskopi-schen und biochemischen Methoden identifiziert werden. Daraus ergeben sich zwei Biotransformati-onswege: Weg I beginnt mit einem Angriff von Cytochrom P450-abhängigen Monooxygenasen an Position 7 und der Bildung des 7-Phenols. Dieses wird dann in das 7,8- bzw. 7,10-Diphenol überführt, die schließlich zu den mehrkernigen Chinonen an der 7,8- bzw. 7,10-Position oxidiert werden. Im Bio-transformationsweg II werden die K-Regionen von BghiP durch Cytochrom P450 funktionalisiert. Zu-nächst entstehen das auf indirektem Weg identifizierte 3,4-Oxid und das 3,4,11,12-Bisoxid, die in mikrosomalen Umsetzungen von BghiP nur nach Hemmung der mEH gebildet werden. Enzymatische Hydrolyse des 3,4-Oxides ergibt das trans-3,4-Dihydrodiol, das zum 3,4-Chinon oxidiert wird. Ebenso entsteht aus dem 3,4,11,12-Bisoxid das trans-3,4-trans-11,12-Bisdihydrodiol, aus dem durch Oxidati-on das trans-3,4-Dihydrodiol-11,12-Chinon hervorgeht. Untersuchung der stereoselektiven enzymati-schen Bildung der K-Region-trans-Di¬hydrodiole ergaben eine präferentielle Entstehung der 3R,4R- bzw. 3R,4R,11R,12R-Enantiomere. Untersuchungen der bakteriellen Mutagenität der Hauptmetaboliten 3,4-Dihydrodiol und dem 7-Phenol machte deutlich, dass beide Biotransformationswege I und II von BghiP zur bakteriellen Mutagenität beitragen. Das 7-Phenol aus Weg I ist ein proximales Mutagen, was auch von Phenolen anderer PAKs bekannt ist. Das 3,4-Dihydrodiol aus Weg II wird so schwach zu Mutagenen aktiviert, dass dem vermutlich gebildete 3,4-Dihydrodiol-11,12-oxid keine große Bedeutung als ultimales Mutagen von BghiP zukommt. Die Bestimmung der direkten mutagenen Aktivität (ohne metabolische Aktivierung) der mutmaßlich ultimal mutagenen Arenoxide von BghiP ergab, dass die des 3,4,11,12-Bisarenoxides sehr gering war (1,3 his+-Revertanten/nmol im Stamm TA98). Das 3,4-Oxid hingegen bewirkte einen deutlichen gentoxischen Effekt in den Stämmen TA98 und TA100 (5,5 bzw. 10 his+-Revertanten/nmol). Dies wurde durch die Bestimmung der DNA-Bindung mit dem 32P-Postlabeling, in dem das 3,4-Oxid für das Hauptaddukt von BghiP verantwortlich gemacht werden konnte, bestätigt. Daher kommt dem 3,4-Oxid als ultimales Mutagen die größte Bedeutung für die Gentoxizität von BghiP zu. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen bei PAKs ohne Bay-Region auf Arenoxide schließen, die eine notwendige Voraussetzung für DNA-Bindung und Mutagenität sind.

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA-Schäden

Generierung und Prozessierung oxidativer DNA Schäden --- Ziel dieser Arbeit war es, adaptive Antworten der Zellen auf einen DNA Schädigung zu untersuchen. Hierzu wurden Experimente zur Reparatur oxidierter Basen (Substrate der Basen Exzisions Reparatur (BER)) oder von Pyrimidindimeren (Substrate der Nukleotid Exzisions Reparatur (NER)) nach einer Vorbehandlung mit DNA-schädigender Agenzien durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl eine Vorbehandlung mit einer alkylierenden als auch mit einer oxidierenden Substanz zu einer adaptiven Erhöhung des zellulären Glutathionspiegels führte, die 16 h nach der Schädigung ihr Maximum erreichte. Jedoch waren die 8-oxoG Glykosylaseaktivitäten über einen Zeitraum von 18 h konstant. Diese Effekte waren unabhängig davon, ob Maus Embryofibroblasten, primäre oder p53 profiziente menschliche Zellen verwendet wurden. Die BER war ebenfalls in keiner der verschiedenen Zelllinien signifikant verbessert. Die adaptive Antwort bezüglich der Glutathionspiegel war also nicht mit einer entsprechenden Veränderung bei der DNA-Reparatur verbunden. Folglich ist die Reparatur von oxidativen DNA-Schäden durch eine vorausgehende Schädigung nicht induzierbar. Der zweite Teil der Untersuchungen zu der Reparatur beschäftigte sich mit der NER. Hierzu wurde die Reaktivierung eines mit UVB-Strahlung geschädigten Plasmids untersucht. Als Wirtszellen fungierten primäre menschliche Fibroblasten und Keratinozyten, die entweder mit UVB vorbehandelt oder ungeschädigt waren. Auch für die NER konnte keine signifikante Beschleunigung der Reparatur von Pyrimidindimeren durch eine Vorbehandlung festgestellt werden. Die Reaktivierung erfolgte ferner unabhängig vom p53-Status der Zellen, wie Versuche mit p53-siRNA zeigten. Neben der Prozessierung war die Generierung oxidativer DNA Schäden Gegenstand der Arbeit. Die verwendete Substanz Tirapazamin (TPZ) ist ein für hypoxische Zellen selektives, neues Zytostatikum und befindet sich momentan in Phase 2/3 der klinischen Prüfung. Ziel war es die von TPZ verursachten DNA Modifikationen zu charakterisieren, sowie die Toxizität und Genotoxizität zu untersuchen. Da es Hinweise auf eine Aktivierung von TPZ über eine Oxidoreduktase (OR) gab, wurden die Experimente in Wildtyp und hOR überexprimierenden Zellen durchgeführt. Die Quantifizierung der verursachten DNA-Modifikationen zeigte, dass der von TPZ verursachte Schaden in Zellen mit hOR erhöht war. Das erhaltene Schadensprofil der durch TPZ verursachten DNA-Modifikationen war dem Schadensprofil von durch Gamma-Strahlung intrazellulär verursachten Hydroxylradikalen sehr ähnlich. Da es nach der Aktivierung von TPZ durch eine OR zu einer Abspaltung von Hydroxylradikalen kommt, bestätigte dies den vermuteten Mechanismus. Weitere Untersuchungen mit t-Butanol, einem Hydroxylradikal Fänger, ergaben eine verminderte DNA-Schädigung, was ebenfalls für eine DNA-Schädigung durch Hydroxylradikale spricht. Untersuchungen zur Mutagenität zeigten das die Mutationsrate in Zellen mit hOR um das 4 fache erhöht ist. Erstaunlich war jedoch, dass der im gleichen Ausmaß von Gamma-Strahlung verursachte DNA-Schaden für die beobachtete Toxizität dieser verantwortlich war, während bei TPZ unter den gleichen Bedingungen keine Toxizität vorlag. Erklärt werden könnte die erhöhte Toxizität und Mutagenität durch so genannte geclusterte DNA-Schäden, die von Gamma-Strahlen, nicht jedoch von TPZ gebildet werden. Nach einer verlängerten Inkubation wurde sowohl für die Toxizität als auch für die Genotoxizität erneut ein verstärkender Effekt durch die OR bestätigt. Überraschend war weiterhin die von der OR unabhängige Generierung von Doppelstrangbrüchen, für die demnach ein grundsätzlich anderer Mechanismus, wie zum Beispiel eine direkte Interaktion mit der Topoisomerase II, angenommen werden muss.

Ricerca e applicazione di metodologie ecotossicologiche nel monitoraggio di ambienti marino-costieri: Sviluppo di nuovi bioassay e biomarker

Obiettivo del lavoro è stato lo sviluppo e la validazione di nuovi bioassay e biomarker quali strumenti da utilizzare in un approccio ecotossicologico integrato per il biomonitoraggio di ambienti marino-costieri interessati da impatto antropico negli organismi che vivono in tali ambienti. L’ambiente reale impiegato per l’applicazione in campo è la Rada di Augusta (Siracusa, Italia). Una batteria di bioassay in vivo e in vitro è stata indagata quale strumento di screening per la misura della tossicità dei sedimenti. La batteria selezionata ha dimostrato di possedere i requisiti necessari ad un applicazione di routine nel monitoraggio di ambienti marino costieri. L’approccio multimarker basato sull’impiego dell’organismo bioindicatore Mytilus galloprovincialis in esperimenti di traslocazione ha consentito di valutare il potenziale applicativo di nuovi biomarker citologici e molecolari di stress chimico parallelamente a biomarker standardizzati di danno genotossico ed esposizione a metalli pesanti. I mitili sono stati traslocati per 45 giorni nei siti di Brucoli (SR) e Rada di Augusta, rispettivamente sito di controllo e sito impattato. I risultati ottenuti supportano l’applicabilità delle alterazioni morfometriche dei granulociti quale biomarker di effetto, direttamente correlato allo stato di salute degli organismi che vivono in un dato ambiente. Il significativo incremento dell’area dei lisosomi osservato contestualmente potrebbe riflettere un incremento dei processi degradativi e dei processi autofagici. I dati sulla sensibilità in campo suggeriscono una valida applicazione della misura dell’attività di anidrasi carbonica in ghiandola digestiva come biomarker di stress in ambiente marino costiero. L’utilizzo delle due metodologie d’indagine (bioassay e biomarker) in un approccio ecotossicologico integrato al biomonitoraggio di ambienti marino-costieri offre uno strumento sensibile e specifico per la valutazione dell’esposizione ad inquinanti e del danno potenziale esercitato dagli inquinanti sugli organismi che vivono in un dato ambiente, permettendo interventi a breve termine e la messa a punto di adeguati programmi di gestione sostenibile dell’ambiente.

Etablierung eines high content imaging-basierten in vitro Testsystems zur Evaluierung genotoxischer Substanzen

Zur Registrierung von Pharmazeutika ist eine umfassende Analyse ihres genotoxischen Potentials von Nöten. Aufgrund der Vielzahl genotoxischer Mechanismen und deren resultierenden Schäden wird ein gestaffeltes Testdesign durch die ICH-Richtlinie S2(R1) „Guidance on genotoxicity testing and data interpretation for pharmaceuticals intended for human use S2(R1)“ definiert, um alle genotoxischen Substanzen zu identifizieren. Die Standardtestbatterie ist in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung aufgrund des geringen Durchsatzes und des Mangels an verfügbarer Substanzmenge vermindert anwendbar. Darüber hinaus verfügen in vitro Genotoxizitätstests in Säugerzellen über eine relativ geringe Spezifität. Für eine vollständige Sicherheitsbeurteilung wird eine in vivo Testung auf Kanzerogenität benötigt. Allerdings sind diese Testsysteme kosten- und zeitintensiv. Aufgrund dessen zielen neue Forschungsansätze auf die Verbesserung der Prädiktivität und die Erfassung des genotoxischen Potentials bereits in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung ab. Die high content imaging (HCI)-Technologie offeriert einen Ansatz zur Verbesserung des Durchsatzes verglichen mit der Standardtestbatterie. Zusätzlich hat ein Zell-basiertes Modell den Vorteil Daten relativ schnell bei gleichzeitig geringem Bedarf an Substanzmenge zu generieren. Demzufolge ermöglichen HCI-basierte Testsysteme eine Prüfung in der frühen Phase der pharmazeutischen Arzneimittelentwicklung. Das Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines neuen, spezifischen und sensitiven HCI-basierten Testsytems für Genotoxine und Progenotoxine in vitro unter Verwendung von HepG2-Zellen gewesen. Aufgrund ihrer begrenzten metabolischen Kapazität wurde ein kombiniertes System bestehend aus HepG2-Zellen und einem metabolischen Aktivierungssystem zur Testung progenotoxischer Substanzen etabliert. Basierend auf einer vorherigen Genomexpressionsprofilierung (Boehme et al., 2011) und einer Literaturrecherche wurden die folgenden neun unterschiedlichen Proteine der DNA-Schadensantwort als putative Marker der Substanz-induzierten Genotoxizität ausgewählt: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) p-ATM (Ser1981), p-ATR (Ser428), p-CDC2 (Thr14/Tyr15), GADD45A und p-Chk2 (Thr68). Die Expression bzw. Aktivierung dieser Proteine wurde 48 h nach Behandlung mit den (pro-) genotoxischen Substanzen (Cyclophosphamid, 7,12-Dimethylbenz[a]anthracen, Aflatoxin B1, 2-Acetylaminofluoren, Methylmethansulfonat, Actinomycin D, Etoposid) und den nicht-genotoxischen Substanzen (D-Mannitol, Phenforminhydrochlorid, Progesteron) unter Verwendung der HCI-Technologie ermittelt. Die beste Klassifizierung wurde bei Verwendung der folgenden fünf der ursprünglichen neun putativen Markerproteine erreicht: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) und p-ATM (Ser1981). In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurden die fünf ausgewählten Proteine mit Substanzen, welche von dem European Centre for the Validation of Alternative Methods (ECVAM) zur Beurteilung der Leistung neuer oder modifizierter in vitro Genotoxizitätstests empfohlen sind, getestet. Dieses neue Testsystem erzielte eine Sensitivität von 80 % und eine Spezifität von 86 %, was in einer Prädiktivität von 84 % resultierte. Der synergetische Effekt dieser fünf Proteine ermöglicht die Identifizierung von genotoxischen Substanzen, welche DNA-Schädigungen durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Mechanismen induzieren, mit einem hohen Erfolg. Zusammenfassend konnte ein hochprädiktives Prüfungssystem mit metabolischer Aktivierung für ein breites Spektrum potenziell genotoxischer Substanzen generiert werden, welches sich aufgrund des hohen Durchsatzes, des geringen Zeitaufwandes und der geringen Menge benötigter Substanz zur Substanzpriorisierung und -selektion in der Phase der Leitstrukturoptimierung eignet und darüber hinaus mechanistische Hinweise auf die genotoxische Wirkung der Testsubstanz liefert.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

Growth and viability of macrophages continuously stimulated to produce nitric oxide

Deregulated production of nitric oxide (NO) has been implicated in the development of certain human diseases, including cancer. We sought to assess the damaging potential of NO produced under long-term conditions through the development of a suitable model cell culture system. In this study, we report that when murine macrophage-like RAW264.7 cells were exposed continuously to bacterial lipopolysaccharide (LPS) or mouse recombinant interferon-γ (IFN-γ) over periods of 21–23 days, they continued to grow, but with doubling times 2 to 4 times, respectively, longer than the doubling time of unstimulated cells. Stimulated cells produced NO at rates of 30 to 70 nmol per million cells per day throughout the stimulation period. Within 24 hr after removal of stimulant, cells resumed exponential growth. Simultaneous exposure to LPS and IFN-γ resulted in decreased cell number, which persisted for 2 days after removal of the stimulants. Exponential growth was attained only after an additional 4 days. Addition of N-methyl-l-arginine (NMA), an NO synthase inhibitor, to the medium inhibited NO production by 90% of all stimulated cells, partially reduced doubling time of cells stimulated with LPS or IFN-γ, and partially increased viability and growth rates in those exposed to both LPS and IFN-γ. However, when incubated with LPS and IFN-γ at low densities both in the presence and in the absence of NMA, cells grew at a rate slower than that of unstimulated cells, with no cell death, and they resumed exponential growth 24 hr after removal of stimulants. Results from cell density experiments suggest that macrophages are protected from intracellularly generated NO; much of the NO damaging activity occurred outside of the producer cells. Collectively, results presented in this study suggest that the type of cellular toxicity observed in macrophages is markedly influenced by rate of exposure to NO: at low rates of exposure, cells exhibit slower growth; at higher rates, cells begin to die; at even higher rates, cells undergo growth arrest or die. The ability of RAW264.7 cells to produce NO over many cell generations makes the cell line a useful system for the study of other aspects of cellular damage, including genotoxicity, resulting from exposure to NO under long-term conditions.

Correlation of individual papilloma latency time with DNA adducts, 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine, and the rate of DNA synthesis in the epidermis of mice treated with 7,12-dimethylbenz[alpha]anthracene.

The question was addressed whether the risk of cancer of an individual in a heterogeneous population can be predicted on the basis of measurable biochemical and biological variables postulated to be associated with the process of chemical carcinogenesis. Using the skin tumor model with outbred male NMRI mice, the latency time for the appearance of a papilloma was used as an indicator of the individual cancer risk. Starting at 8 weeks of age, a group of 29 mice was treated twice weekly with 20 nmol of 7,12-dimethylbenz[alpha]anthracene (DMBA) applied to back skin. The individual papilloma latency time ranged from 13.5 to 25 weeks of treatment. Two weeks after the appearance of the first papilloma in each mouse, an osmotic minipump delivering 5-bromo-2'-deoxyuridine was s.c. implanted and the mouse was killed 24 hr later. Levels of DMBA-DNA adducts, of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine, and various measures of the kinetics of cell division were determined in the epidermis of the treated skin area. The levels of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine and the fraction of cells in DNA replication (labeling index for the incorporation of 5-bromo-2'-deoxyuridine) were significantly higher in those mice that showed short latency times. On the other hand, the levels of DMBA-DNA adducts were lowest in animals with short latency times. The latter finding was rather unexpected but can be explained as a consequence of the inverse correlation seen for the labeling index: with each round of cell division, the adduct concentration is reduced to 50% because the new DNA strand is free of DMBA adducts until the next treatment. Under the conditions of this bioassay, therefore, oxygen radical-related genotoxicity and the rate of cell division, rather than levels of carcinogen-DNA adducts, were found to be of predictive value as indicators of an individual cancer risk.

Respiratory health effects of passive smoking : lung cancer and other disorders.

"Jennifer Jinot and Steven Bayard were the scienfitic editors ... Major portions of this revised report were prepared by ICF Incorporated ... under EPA contract no. 68-00-0102"--P. xv.

Disturbed microtubule function and induction of micronuclei by chelate complexes of mercury(II)

Interactions of mercury(II) with the microtubule network of cells may lead to genotoxicity. Complexation of mercury(II) with EDTA is currently being discussed for its employment in detoxification processes of polluted sites. This prompted us to re-evaluate the effects of such complexing agents on certain aspects of mercury toxicity, by examining the influences of mercury(H) complexes on tubulin assembly and kinesin-driven motility of microtubules. The genotoxic effects were studied using the micronucleus assay in V79 Chinese hamster fibroblasts. Mercury(II) complexes with EDTA and related chelators interfered dose-dependently with tubulin assembly and microtubule motility in vitro. The no-effect-concentration for assembly inhibition was 1muM of complexed Hg(II), and for inhibition of motility it was 0.05 muM, respectively. These findings are supported on the genotoxicity level by the results of the micronucleus assay, with micronuclei being induced dose-dependently starting at concentrations of about 0.05 muM of complexed Hg(II). Generally, the no-effect-concentrations for complexed mercury(II) found in the cell-free systems and in cellular assays (including the micronucleus test) were identical with or similar to results for mercury tested in the absence of chelators. This indicates that mercury(II) has a much higher affinity to sulfhydryls of cytoskeletal proteins than to this type of complexing agents. Therefore, the suitability of EDTA and related compounds for remediation of environmental mercury contamination or for other detoxification purposes involving mercury has to be questioned. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterization of tumour necrosis factor alpha release by human granulocytes in response to procainamide challenge

The role of human granulocytes in the promotion of procainamide (PA) toxicity in vitro has been studied and one of the agents responsible for DNA strand scission and cell death in human target cells has been characterized. Crude peripheral blood mononuclear cells (cPBMNs) isolated by density centrifugation, and the lymphocyte cell lines--CCRF-HSB2 and WIL-2NS--were exposed to PA, and DNA strand breaks were quantified by fluorescent analysis of DNA unwinding. Therapeutic plasma concentrations of PA (0-50 microM) caused dose-dependent cytotoxicity, determined by dye exclusion, and strand breaks in cPBMNs incubated for 3 and 1.5 hr at 37 degrees, respectively. Using 50 microM PA a five-fold increase in DNA strand breaks was observed after 1.5 hr, with significant induction of strand breaks also being observed for 10 and 25 microM concentrations. Toxicity was much reduced in lymphocyte cell lines (maximal killing = 3.0% at 50 microM PA compared with 13.2% in cPBMNs). A similar decrease in toxicity was observed where N-acetyl procainamide (NAPA) was substituted for PA (less than 50% of strand breaks at all concentrations). Further investigations showed that the presence of a contaminating granulocyte population in the cPBMN fraction was responsible for the induction of PA toxicity. Incubation of a highly enriched granulocyte population with PA for 1 hr prior to exposure to purified peripheral blood mononuclear cells (pPBMNs) led to the complete restoration of the toxic effects. The resulting cyto- and genotoxicity were not significantly different to levels observed in cPBMNs. Significantly, incubation of granulocytes with NAPA did not induce toxicity in target pPBMNs. Ultrafiltration of granulocyte supernatants led to the identification of two toxic fractions of < 3000 and > 30,000 Da. Temporal studies showed that the toxicity associated with the < 3000 Da fraction appeared during the first 10-15 min incubation with PA whereas the > 30,000 Da fraction did not display significant toxicity until the 40-60 min period. Further assessment of the nature of these agents indicated that the 30,000 Da fraction was a protein. SDS-PAGE analysis showed an inducible 17,800 Da species appearing in granulocyte supernatants after 40 min incubation with PA. Dot blot analysis indicated that tumour necrosis factor alpha (TNF alpha) was present in the > 30,000 Da fraction. Evidence that TNF alpha was the high-molecular weight species responsible for PA-induced toxicity was obtained from neutralization assays employing an anti-TNF alpha antibody.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)

Synthesis of sulforaphane and inhibition of cytochrome P450 enzymes as a basis for antigenotoxicity

Many dietary factors have been associated with a decreased risk of developing cancer. One potential mechanism by which these factors, chemopreventors, protect against cancer may be via alteration of carcinogen metabolism. The broccoli constituent sulforaphane (1-isothiocyanate-4-methylsulinylbutane) (CH3-S0-(CH2)4-NCS) has been isolated as a potential inducer of phase II detoxification enzymes and also protects rodents against 9,10-dimethyl-1,2-benz[aJanthracene-induced mammary tumours. The ability of sulforaphane to also modulate phase I activation enzymes (cytochrome P450) (CYP450) was studied here. Sulforaphane was synthesised with an overall yield of 15%, essentially via 1-methylsulfinylphthalimidobutane, which was oxidised to the sulfoxide moiety. Deprotective removal of phthalimide yielded the amine, which was converted into sulforaphane by reaction with N,N'-thionocarbonyldiimidazole. Purity (95 %) was checked by 1H-NMR,13C-NMR and infrared and mass spectrometry.Sulforaphane was a competitive inhibitor of CYP2E1 in acetone-induced Sprague-Dawley rat microsomes (Ki 37.9 ± 4.5μM), as measured by the p-nitrophenol hydroxylase assay. Ethoxyresorufin deethylase activity (EROD), a measurement of CYP1A activity, was also inhibited by sulforaphane (100μM) but was not competitive, and a preincubation time-dependence was observed. In view of these results, the capacity of sulforaphane to inhibit N-nitrosodimethylamine (NDMA)-induced genotoxicity (CYP2E1-mediated) was studied using mouse liver activation systems. Sulforaphane (>0.8μM) inhibited the mutagenicity of NDMA (4.4 mg/plate) in Salmonella typhimurium strain TA100 after pre-incubation for 45 min with acetone-induced liver 9000 g supernatants from Balb/c mice. Unscheduled DNA synthesis induced by NDMA (33μ5 M) in mouse hepatocytes was also reduced by sulforaphane in a concentration-dependent manner (0.064-20μM). Sulforaphane was not genotoxic itself in any of these systems and cytotoxic only at high concentrations (>0.5 mM and > 40μM respectively). The ability of sulforaphane to modulate the orthologous human enzymes was studied using a human epithelial liver cell line (THLE) expressing individual human CYP450 isoenzymes. Using the Comet assay (a measurement of DNA strand breakage under alkaline conditions), NDMA (0.01-1μg/ml) and IQ (0.1-10μg/ml) were used to produce strand breaks in T5-2E1 cells (expressing human CYP2E1) and T5-1A2 cells (expressing human CYP1A2) respectively, however no response was observed in T5-neo cells (without CYP450 cDNA transfection). Sulforaphane inhibited both NDMA and IQ-induced DNA strand breakage in a concentration-dependent manner (0.1-10μM).The inhibition of metabolic activation as a basis for the antigenotoxic action of sulforaphane in these systems (bacteria, rodent hepatocytes and human cells) is further supported by the lack of this chemopreventor to influence NaN3 mutagenicity in S. typhimurium and H202-induced DNA strand breakage in T5-neo cells. These findings suggest that inhibition of CYP2E1 and CYP1A by sulforaphane may contribute to its chemoprotective potential.

Avaliação da genotoxicidade em mulheres com síndrome dos ovários policísticos: impacto da dieta

Introduction: Polycystic Ovary Syndrome (PCOS), present in 6-12% of women of reproductive age, the criterion of Rotterdam, is characterized by hyperandrogenism, insulin resistance (IR) and its inflammatory state, exacerbated by obesity and factors associated with the increase in damage DNA. Weight loss, combined with healthy eating, acts restoring the reproductive and metabolic functions in the SOP, though its influence in reducing DNA damage in PCOS are unknown. Aim: To investigate whether there are differences between DNA damage markers and factors of cardiometabolic risk in women with PCOS and control, and evaluate the effectiveness of nutritional intervention in DNA damage markers and cardiometabolic risk markers in overweight and obese women with PCOS. Methods: the study was conducted in two studies and the participants were aged between 18 and 35 years. In the first study, a prospective case-control, were included 27 women diagnosed with PCOS and 20 controls. In the second study, clinical trial of nutritional intervention with 12-week calorie-restricted diet 500Kcal / day. The genotoxicity, DNA damage (intensity tail, tail moment and tail length) was evaluated by the comet assay. Anthropometric data, dietary intake, hormonal, biochemical and inflammatory were evaluated in different studies. Results: there was no significant difference between the DNA damage marker tail intensity (p = 0.18), tail moment (p = 0.76) and tail length (p = 0.109) in PCOS when compared to the control group. Data after nutritional intervention in PCOS women with overweight and obesity showed a decrease in DNA damage markers: tail intensity (24.35 ± 5.86 - pre-diet vs. 17.15 ± 5.04 -Post-diet) and tail moment (20.47 ± 7.85 - pre-diet vs. 14.13 ± 6.29 -post-diet) (p <0.001). Reduction of weight (3.5%) and decreased cardiometabolic markers IR and hyperandrogenism. Conclusion: women with PCOS have a worse cardiometabolic risk profile compared to control however similar genotoxicity identified by DNA damage. Nutritional intervention reduced the genotoxicity of overweight and obese women with PCOS, and reduce the factors of cardiometabolic risk.

Nanotechnology in food industry II: risk assessment and legislation

Currently, there is increasing use of nanomaterials in the food industry thanks to the many advantages offered and make the products that contain them more competitive in the market. Their physicochemical properties often differ from those of bulk materials, which require specialized risk assessment. This should cover the risks to the health of workers and consumers as well as possible environmental risks. The risk assessment methods must go updating due to more widespread use of nanomaterials, especially now that are making their way down to consumer products. Today there is no specific legislation for nanomaterials, but there are several european dispositions and regulations that include them. This review gives an overview of the risk assessment and the existing current legislation regarding the use of nanotechnology in the food industry.

Manufactured Nanomaterials: is there a correlation between toxicological effects and the physicochemical properties?

Toxicological information on nanomaterials (NMs) is of major importance for safety assessment, since they are already used in many consumer products and promise cutting-edge applications in the future. While the number of different NMs increases exponentially, new strategies for risk assessment are needed to cope with the safety issues, keeping pace with innovation. However, recent studies have suggested that even subtle differences in the physicochemical properties of NMs that are closely related may define different nano-bio interactions, thereby determining their toxic potential. Further research in this field is necessary to allow straightforward grouping strategies leading time-effective risk assessment to enable the safe use of the emerging NMs. In this presentation the case study of the in vitro toxicity testing of a set of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in two human cell lines from the respiratory tract will be described. Those MWCNT have been previously characterized in detail, and differ in thickness, length, aspect ratio and morphology. This comprehensive toxicological investigation undertaken in parallel with physicochemical characterization in the cellular moiety showed that the same NM did not display a consistent effect in different cell types, and that, within the same class of NM, different toxic effects could be observed. The correlation of the cytotoxic and genotoxic effects characterized in the two cell lines with their physicochemical properties will be presented and the relevance of considering the NMs properties in the biological context will be discussed. Overall, this case study suggests that nanotoxicity of closely related MWCNTs depends not only on their primary physicochemical properties, or combinations of these properties, but also on the cellular system, and its context. Challenges posed to toxicologists, risk assessors and regulators when addressing the safety assessment of NMs will be highlighted.

Portuguese children exposure to multiple mycotoxins through food consumption: toward a holistic approach for multiple mycotoxins risk assessment

Humans can be exposed to multiple chemicals at once from a variety of sources, and human risk assessment of multiple chemicals poses several challenges to scientists, risk assessors and risk managers. Ingestion of food is considered a major route of exposure to many contaminants, namely mycotoxins, especially for vulnerable population groups, as children. A lack of sufficient data regarding mycotoxins children risk assessment, could contribute to an inaccuracy of the estimated risk. Efforts must be undertaken to develop initiatives that promote a broad overview of multiple mycotoxins risk assessment. The present work, developed within the MYCOMIX project, aims to assess the risk associated to the exposure of Portuguese children (< 3 years old) to multiple mycotoxins through consumption of foods primarily marketed for this age group. A holistic approach was developed applying deterministic and probabilistic tools to the calculation of mycotoxin daily intake values, integrating children food consumption (3-days food diary), mycotoxins occurrence (HPLC-UV, HPLC-FD, LC-MS/MS and GC-MS), bioaccessibility (standardized in vitro digestion model) and toxicological data (in vitro evaluation of cytotoxicity, genotoxicity and intestinal impact). A case study concerning Portuguese children exposure to patulin (PAT) and ochratoxin A (OTA), two mycotoxins co-occurring in processed cereal-based foods (PCBF) marketed in Portugal, was developed. Main results showed that there is low concern from a public health point of view relatively to PAT and OTA Portuguese children exposure through consumption of PCBF, considering the estimated daily intakes of these two mycotoxins (worst case scenarios, 22.930 ng/kg bw/day and 0.402 ng/kg bw/day, for PAT and OTA, respectively), their bioaccessibility and toxicology results. However, the present case study only concerns the risk associated with the consumption of PCBF and child diet include several other foods. The present work underlines the need to adopt a holistic approach for multiple mycotoxins risk assessment integrating data from exposure, bioacessibility and toxicity domains in order to contribute to a more accurate risk assessment.