Protective effect of bixin on cisplatin-induced genotoxicity in PC12 cells

Bixin is the main carotenoid found in annatto seeds (Bixa orellana L.) and is responsible for their reddish-orange color. The antioxidant properties of this compound are associated with its ability to scavenge free radicals, which may reduce damage and protect tissues against toxicity caused by anticancer drugs such as cisplatin. In this study, the genotoxicity and antigenotoxicity of bixin on cisplatin-induced toxicity in PC12 cells was assessed. Cytotoxicity was evaluated using the mu assay, mutagenicity, genotoxicity, and protective effect of bixin were evaluated using the micronucleus test and comet assay. PC12 cells were treated with bixin (0.05, 0.08, and 0.10 mu g/mL), cisplatin (0.1 mu g/mL) or a combination of both bixin and cisplatin. Bixin was neither cytotoxic nor genotoxic compared to the controls. In the combined treatment bixin significantly reduced the percentage of DNA in tail and the frequency of micronuclei induced by cisplatin. This result suggests that bixin can function as a protective agent, reducing cisplatin-induced DNA damage in PC12 cells, and it is possible that this protection could also extend to neuronal cells. Further studies are being conducted to better understand the mechanisms involved in the activity of this protective agent prior to using it therapeutically. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

HEPATOTOXICITY ASSESSMENT OF THE AZO DYES DISPERSE ORANGE 1 (DO1), DISPERSE RED 1 (DR1,) AND DISPERSE RED 13 (DR13) IN HEPG2 CELLS

During the dyeing process in baths approximately 10 to 15% of the dyes used are lost and reach industrial effluents, thus polluting the environment. Studies showed that some classes of dyes, mainly azo dyes and their by-products, exert adverse effects on humans and local biota, since the wastewater treatment systems and water treatment plants were found to be ineffective in removing the color and reducing toxicity of some dyes. In the present study, the toxicity of the azo dyes disperse orange 1 (DO1), disperse red 1 (DR1), and disperse red 13 (DR13) was evaluated in HepG2 cells grown in monolayers or in three dimensional (3D) culture. Hepatotoxicity of the dyes was measured using 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)2,5-diphenyltetrazolium (MTT) and cell counting kit 8 (CCK-8) assays after 24, 48, and 72 h of incubation of cells with 3 different concentrations of the azo dyes. The dye DO1 only reduced the mitochondrial activity in HepG2 cells grown in a monolayer after 72 h incubation, while the dye DR1 showed this deleterious effect in both monolayer and 3D culture. In contrast, dye DR13 decreased the mitochondrial activity after 24, 48, and 72 h of exposure in both monolayer and 3D culture. With respect to dehydrogenase activity, only the dye DR13 diminished the activity of this enzyme after 72 h of exposure in both monolayer and 3D culture. Our results clearly demonstrated that exposure to the studied dyes induced cytotoxicity in HepG2 cells.

Evaluation of the mutagenic activity of chrysin, a flavonoid inhibitor of the aromatization process

Chrysin is one of the natural flavonoids present in plants, and large amounts are present in honey and propolis. In addition to anticancer, antioxidation, and anti-inflammatory activities, chrysin has also been reported to be an inhibitor of aromatase, an enzyme converting testosterone into estrogen. The present study evaluated the mutagenicity of this flavonoid using micronucleus (MN) with HepG2 cells and Salmonella. Cell survival after exposure to different concentrations of chrysin was also determined using sulforhodamine B (SRB) colorimetric assay in HepG2 cells and the influence of this flavonoid on growth of cells in relation to the cell cycle and apoptosis. TheMN test showed that from 1 to 15 mu M of this flavonoid mutagenic activity was noted in HepG2 cells. The Salmonella assay demonstrated a positive response to the TA100 Salmonella strain in the presence or absence of S9, suggesting that this compound acted on DNA, inducing base pair substitution before or after metabolism via cytochrome P-450. The SRB assay illustrated that chrysin promoted growth inhibition of HepG2 cells in both periods studied (24 and 48 h). After 24 h of exposure it was noted that the most significant results were obtained with a concentration of 50 mu M, resulting in 83% inhibition and SubG0 percentage of 12%. After 48 h of incubation cell proliferation inhibition rates (97% at 50 mu M) were significantly higher. Our results showed that chrysin is a mutagenic and cytotoxic compound in cultured human HepG2 cells and Salmonella typhimurium. Although it is widely accepted that flavonoids are substances beneficial to health, one must evaluate the risk versus benefit relationship and concentrations of these substances to which an individual may be exposed.

Genotoxicity assessment of water soluble fractions of biodiesel and its diesel blends using the Salmonella assay and the in vitro MicroFlow (R) kit (Litron) assay

The designation of biodiesel as an environmental-friendly alternative to diesel oil has improved its commercialization and use. However, most biodiesel environmental safety studies refer to air pollution and so far there have been very few literature data about its impacts upon other biotic systems, e.g. water, and exposed organisms. Spill simulations in water were carried out with neat diesel and biodiesel and their blends aiming at assessing their genotoxic potentials should there be contaminations of water systems. The water soluble fractions (WSF) from the spill simulations were submitted to solid phase extraction with C-18 cartridge and the extracts obtained were evaluated carrying out genotoxic and mutagenic bioassays [the Salmonella assay and the in vitro MicroFlow (R) kit (Litron) assay]. Mutagenic and genotoxic effects were observed, respectively, in the Salmonella/microsome preincubation assay and the in vitro MN test carried out with the biodiesel WSF. This interesting result may be related to the presence of pollutants in biodiesel derived from the raw material source used in its production chain. The data showed that care while using biodiesel should be taken to avoid harmful effects on living organisms in cases of water pollution. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Bedeutung endogener Faktoren für Steady-State-Level und Reparatur oxidativer DNA-Modifikationen in Säugerzellen

Die endogene Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) - wie beispielsweise Hydroxyl-Radikale, Superoxid-Radikalanionen, Wasserstoffperoxid und Singulett-Sauerstoff - bei essentiellen Stoffwechselreaktionen in allen aeroben Lebewesen stellt eine potentielle Gefahr für die Integrität der DNA in jeder Zelle dar. ROS generieren in der DNA unter anderem oxidative DNA-Modifikationen (zum größten Teil wahrscheinlich 8-Hydroxyguanin (8-oxoG)), welche wiederum zu einem Teil zu Mutationen führen.In dieser Arbeit wurden Untersuchungen vorgenommen, in welchem Ausmaß zum einen die Steady-State-Level oxidativer DNA-Schäden in Säugerzellen zum anderen die Reparaturgeschwindig-keiten solcher DNA-Modifikationen durch verschiedene endogene Faktoren beeinflußt werden.Im Mittelpunkt der Arbeit stand dabei die Charakterisierung der 8-Hydroxyguaninglykosylase der Säugerzellen. Sie ist das Produkt des OGG1-Gens, das erst 1997 kloniert wurde. In transfizierten Zellinien konnte durch eine konstitutive Überexpression des menschlichen OGG1-Gens demonstriert werden, daß die Reparatur von induzierten oxidativen Basenmodifikationen bis zu dreifach beschleunigt wird und daß eine Korrelation zwischen dem Grad der Überexpression und der Reparaturrate besteht. Dagegen waren die Steady-State-Level der oxidativen DNA-Schäden durch die Überexpression unbeeinflußt. Sowohl bei den spontanen Mutationsraten als auch bei den durch oxidative Schädigungen induzierten Mutationsfrequenzen konnte keine Erniedrigung bedingt durch die hOGG1-Überexpression beobachtet werden.Weitere Untersuchungen zur Bedeutung von Ogg1-Protein konnten in Mäusezellen durchgeführt werden, in denen das OGG1-homologe Mäusegen, mOGG1, homozygot inaktiviert (mOGG1(-/-)) worden war. Hierbei konnte gezeigt werden, daß in den mOGG1-defizienten Zellen im Vergleich zu den entsprechenden Wildtyp-Zellen (mOGG1(+/+)) eine Reparatur induzierter oxidativer Basenmodifikationen erst nach 8 h einsetzt, während in den Kontrollzellen schon nach 3-4 h 50 % der Modifikationen repariert waren. Die Steady-State-Level oxidativer Modifikationen in mOGG1(-/-)-Zellen waren in immortalisierten, schnell proliferierenden Mäusefibroblasten nur um den Faktor 1.4, in primären Mäusehepatocyten jedoch um den Faktor 2.5 gegenüber den Wildtyp-Zellen erhöht.Inwieweit das menschliche Reparaturprotein Xrcc1 (X-ray repair cross complementing group 1) auch an der Prozessierung oxidativer DNA-Modifikationen beteiligt ist, und ob dabei möglicherweise eine Interaktion mit Ogg1 vorliegt, wurde in der XRCC1-defizienten CHO-Zellinie EM9 untersucht. Dabei wurde ermittelt, daß weder die Steady-State-Level noch die Reparaturkinetiken der oxidativen Basenmodifikationen durch die XRCC1-Defizienz beeinflußt werden. Aufgrund weiterer Ergebnisse kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, daß das Xrcc1-Protein zumindest am Ligationsschritt während der Reparatur oxidativer DNA-Schäden beteiligt ist.In einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit wurde untersucht, ob Unterschiede im Steady-State-Level in Abhängigkeit von Organ-, Gewebe- und Zelltyp auftreten. Dazu wurden Untersuchungen in Bronchialkarzinom-Zellinien verschiedener Subtypen durchgeführt. Des weiteren wurde zur Frage der Zelltyp-Abhängigkeit in der menschlichen Zellinie HL60 der Einfluß des Zelldifferenzierungsstadiums auf die Steady-State-Level untersucht.

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.

Untersuchungen zur Reparatur und Mutagenität oxidativer DNA-Schäden in vivo und deren Bedeutung für die Kanzerogenese

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung, welche Rolle endogen gebildete oxidative DNA-Modifikationen bei der Kanzerogenese spielen. Dazu wurden Cockayne Syndrom B-knockout-Mäuse (Csb-/-), 8-Hydroxyguanin-DNA-Glykosylase-knockout-Mäuse (Ogg1-/-) und Csb-/-/Ogg1-/- Mäuse generiert, die das bakterielle lacI-Gen (Big Blue®) tragen und somit für in vivo Mutationstests eingesetzt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass es in den Lebern der Ogg1-/- Mäuse zu einem 2,1-fachen und in Csb-/-/Ogg1-/- Mäusen zu einem statistisch signifikanten 3,3-fachen Anstieg der Mutationsfrequenz kommt. Die gefundene Erhöhung der Mutationsfrequenz war vor allem auf eine Erhöhung der G:C zu T:A Transversionen zurückzuführen, die typischerweise aus nicht repariertem 8 Hydroxyguanin (8-oxoG) entstehen. Aus mechanistischer Sicht verdeutlichen die Ergebnisse, dass OGG1 das primäre Abwehrsystem gegen oxidative DNA-Modifikationen darstellt und dass das CSB-Protein einen Ausfall von OGG1, selbst in nicht transkribierter DNA, teilweise kompensieren kann. Aus der Korrelation der gefundenen oxidativen DNA-Schäden - bestimmt mittels Alkalischer Elution und der bakteriellen Formamidopyrimidin-DNA-Glykosylase (Fpg-Protein) - mit der Mutationsfrequenz konnte abgeleitet werden, dass bereits weniger als 0,2 Fpg-sensitive DNA-Modifikationen pro 1 Million Basenpaare ausreichen, die spontane Mutationsfrequenz in vivo zu verdoppeln. Zur Untersuchung, welche Rolle die erhöhte Mutationsfrequenz bei der Krebsentstehung spielt, wurden Csb-/-/Ogg1-/- und Wildtyp-Mäuse mit dem Peroxisomenproliferator und spezifischem Leberpromotor WY-14,643 behandelt um spontan initiierte Hepatozyten zur Proliferation anzuregen. Als Endpunkt einer malignen Entartung wurde das Auftreten von Glucose-6-Phosphatase positiven und negativen Läsionen beobachtet. Es zeigte sich, dass Csb-/-/Ogg1-/- Mäuse signifikant mehr enzymveränderte Läsionen in ihren Lebern aufwiesen, als die Wildtyp-Kontrollen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass endogen gebildete oxidative DNA-Modifikationen und daraus resultierende Mutationen grundsätzlich einen erheblichen Anteil zur hohen spontanen Krebsinzidenz in der Bevölkerung leisten könnten.

Detection and sequence analysis of a nickel-induced mutation in a retroviral model system

We have developed a novel way to assess the mutagenicity of environmentally important metal carcinogens, such as nickel, by creating a positive selection system based upon the conditional expression of a retroviral transforming gene. The target gene is the v-mos gene in MuSVts110, a murine retrovirus possessing a growth temperature dependent defect in expression of the transforming gene due to viral RNA splicing. In normal rat kidney cells infected with MuSVts110 (6m2 cells), splicing of the MuSVts110 RNA to form the mRNA from which the transforming protein, p85$\sp{\rm gag-mos}$, is translated is growth-temperature dependent, occurring at 33 C and below but not at 39 C and above. This splicing "defect" is mediated by cis-acting viral sequences. Nickel chloride treatment of 6m2 cells followed by growth at 39 C, allowed the selection of "revertant" cells which constitutively express p85$\sp{\rm gag-mos}$ due to stable changes in the viral RNA splicing phenotype, suggesting that nickel, a carcinogen whose mutagenicity has not been well established, could induce mutations in mammalian genes. We also show by direct sequencing of PCR-amplified integrated MuSVts110 DNA from a 6m2 nickel-revertant cell line that the nickel-induced mutation affecting the splicing phenotype is a cis-acting 70-base duplication of a region of the viral DNA surrounding the 3$\sp\prime$ splice site. These findings provide the first example of the molecular basis for a nickel-induced DNA lesion and establish the mutagenicity of this potent carcinogen. ^

Oxidative Damage on RNA Nucleobases

Oxidatively damaged RNA has recently gathered more attention and has been closely related to different neurodegenerative diseases. The principles of oxidative stress and its influence on nucleic acids are reported. In contrast to DNA oxidative lesions of RNA have been scarcely described in the literature so far. These known stable RNA base modifications which arise under oxidative stress are reviewed here with regard to their biophysical properties and their potential mutagenicity. Furthermore the possible mechanisms of how cells deal with oxidized RNA are discussed. Posttranscriptional RNA modifications and the oxidation of RNA as an early event in several neurodegenerative diseases are not in the scope of this review.

Confusion over live/dead stainings for the detection of vital microorganisms in oral biofilms--which stain is suitable?

BACKGROUND There is confusion over the definition of the term "viability state(s)" of microorganisms. "Viability staining" or "vital staining techniques" are used to distinguish live from dead bacteria. These stainings, first established on planctonic bacteria, may have serious shortcomings when applied to multispecies biofilms. Results of staining techniques should be compared with appropriate microbiological data. DISCUSSION Many terms describe "vitality states" of microorganisms, however, several of them are misleading. Authors define "viable" as "capable to grow". Accordingly, staining methods are substitutes, since no staining can prove viability.The reliability of a commercial "viability" staining assay (Molecular Probes) is discussed based on the corresponding product information sheet: (I) Staining principle; (II) Concentrations of bacteria; (III) Calculation of live/dead proportions in vitro. Results of the "viability" kit are dependent on the stains' concentration and on their relation to the number of bacteria in the test. Generally this staining system is not suitable for multispecies biofilms, thus incorrect statements have been published by users of this technique.To compare the results of the staining with bacterial parameters appropriate techniques should be selected. The assessment of Colony Forming Units is insufficient, rather the calculation of Plating Efficiency is necessary. Vital fluorescence staining with Fluorescein Diacetate and Ethidium Bromide seems to be the best proven and suitable method in biofilm research.Regarding the mutagenicity of staining components users should be aware that not only Ethidium Bromide might be harmful, but also a variety of other substances of which the toxicity and mutagenicity is not reported. SUMMARY - The nomenclature regarding "viability" and "vitality" should be used carefully.- The manual of the commercial "viability" kit itself points out that the kit is not suitable for natural multispecies biofilm research, as supported by an array of literature.- Results obtained with various stains are influenced by the relationship between bacterial counts and the amount of stain used in the test. Corresponding vitality data are prone to artificial shifting.- As microbiological parameter the Plating Efficiency should be used for comparison.- Ethidium Bromide is mutagenic. Researchers should be aware that alternative staining compounds may also be or even are mutagenic.

Breast cancer risk and heterocyclic amines and effect modification by NAT gene polymorphisms

Breast cancer is the most common cancer in women in the United States and is a leading cause of cancer-related deaths (1). Recently, dietary heterocyclic amines (HCAs) have been proposed to be a risk factor for breast cancer (2). This study uses the data collected for a case-control study conducted at the M.D. Anderson Cancer Center to assess the association between breast cancer risk and HCAs {2-amino-1-methyl-6-phenylimidazole [4,5-b] pyridine (PhIP), 2-amino-3,8-dimethylimidazo [4,5-f] quinoxaline (MeIQx), 2-amino-3,4,8-trimethylimidazo [4,5-f] quinoxaline (DiMeIQx) and mutagenicity of HCAs} and to examine if this association is modified by genetic polymorphisms of N-acetyl transferases (NAT1/NAT2). The NAT1/2 genotype was determined using Taqman technology. HCAs were estimated by using a meat preparation questionnaire on meat type, cooking method, and doneness, combined with a quantitative HCA database. Three hundred and fifty patients with breast cancer attending the Diagnostic Radiology Clinic at M. D. Anderson Cancer Center and fulfilling the eligibility criteria were compared to three hundred and fifty patients attending the same clinic for benign breast lesions to answer these questions. Logistic regression models were used to control for known risk factors and showed no statistically significant association between breast cancer versus benign breast cancer lesions and dietary intake of heterocyclic amines. There was no clear difference in their effect after subgroup analyses in different acetylator strata of NAT1/2 and no statistical interactions were found between NAT1/2 genotypes and HCAs, suggesting no effect modification by NAT1/2 acetylator status. These results suggest the need for further research to analyze if these null associations were because of the benign breast lesions sharing the risk factors with breast cancer or any other factors which haven't been explored yet.^

Use of short term test systems for the prediction of the hazard represented by potential chemical carcinogens

It has been hypothesized that results from the short term bioassays will ultimately provide information that will be useful for human health hazard assessment. Although toxicologic test systems have become increasingly refined, to date, no investigator has been able to provide qualitative or quantitative methods which would support the use of short term tests in this capacity.^ Historically, the validity of the short term tests have been assessed using the framework of the epidemiologic/medical screens. In this context, the results of the carcinogen (long term) bioassay is generally used as the standard. However, this approach is widely recognized as being biased and, because it employs qualitative data, cannot be used in the setting of priorities. In contrast, the goal of this research was to address the problem of evaluating the utility of the short term tests for hazard assessment using an alternative method of investigation.^ Chemical carcinogens were selected from the list of carcinogens published by the International Agency for Research on Carcinogens (IARC). Tumorigenicity and mutagenicity data on fifty-two chemicals were obtained from the Registry of Toxic Effects of Chemical Substances (RTECS) and were analyzed using a relative potency approach. The relative potency framework allows for the standardization of data "relative" to a reference compound. To avoid any bias associated with the choice of the reference compound, fourteen different compounds were used.^ The data were evaluated in a format which allowed for a comparison of the ranking of the mutagenic relative potencies of the compounds (as estimated using short term data) vs. the ranking of the tumorigenic relative potencies (as estimated from the chronic bioassays). The results were statistically significant (p $<$.05) for data standardized to thirteen of the fourteen reference compounds. Although this was a preliminary investigation, it offers evidence that the short term test systems may be of utility in ranking the hazards represented by chemicals which may be human carcinogens. ^

Human DNA ligase and DNA polymerase as molecular targets for heavy metals and anticancer drugs

DNA ligase and DNA polymerase play important roles in DNA replication, repair, and recombination. Frequencies of spontaneous and chemical- and physical-induced mutations are correlated to the fidelity of DNA replication. This dissertation elucidates the mechanisms of the DNA ligation reaction by DNA ligases and demonstrates that human DNA ligase I and DNA polymerase $\alpha$ are the molecular targets for two metal ions, Zn$\sp{2+}$ and Cd$\sp{2+},$ and an anticancer drug, F-ara-ATP.^ Human DNA ligases were purified to homogeneity and their AMP binding domains were mapped. Although their AMP-binding domains are similar, there could be difference between the two ligases in their DNA binding domains.^ The formation of the AMP-DNA intermediate and the successive ligation reaction by human DNA ligases were analyzed. Both reactions showed their substrate specificity for ligases I and II, required Mg2+, and were inhibited by ATP.^ A protein inhibitor from HeLa cells and specific for human DNA ligase I but not ligase II and T4 ligase was discovered. It reversibly inhibited DNA ligation activity but not the AMP-binding activity due to the formation of a reversible ligase I-inhibitor complex.^ F-ara-ATP inhibited human DNA ligase I activity by competing with ATP for the AMP-binding site of DNA ligase I, forming a ligase I-F-ara-AMP complex, as well as when it was incorporated at 3$\sp\prime$-terminus of DNA nick by DNA polymerase $\alpha.$^ All steps of the DNA ligation reaction were inhibited by Zn$\sp{2+}$ and Cd$\sp{2+}$ in a concentration-dependent manner. Both ions did not show the ability to change the fidelity of DNA ligation reaction catalyzed by human DNA ligase I. However, Zn$\sp{2+}$ and Cd$\sp{2+}$ showed their contradictory effects on the fidelity of the reaction by human DNA polymerase $\alpha.$ Zn$\sp{2+}$ decreased the frequency of misinsertion but less affected that of mispair extension. On the contrary, Cd$\sp{2+}$ increased the frequencies of both misinsertion and mispair extension at very low concentration. Our data provided strong evidence in the molecular mechanisms for the mutagenicity of zinc and cadmium, and were comparable with the results previously reported. ^

INACTIVATION OF MUTAGENIC DRUGS AND THEIR METABOLITES IN THE URINE OF PATIENTS ADMINISTERED ANTINEOPLASTIC THERAPY

Urines from patients administered mutagenic antineoplastic drugs were significantly mutagenic in the Ames assay, and hence may pose a genotoxic hazard to hospital personnel or family members caring for the patient. The urines were tested for mutagenicity in several different strains of Salmonella typhimurium that were uvr positive or negative (TA98, TA100, TA102, UTH8413, UTH8414). The urines were fractionated by high pressure liquid chromatography (HPLC) and the fractions assayed for mutagenicity in the strains in which the whole urine was mutagenic. Only fractions of urines containing the parent compound (cisplatin, doxorubicin, or mitomycin) were mutagenic; no other fraction showed significant mutagenicity. However, urine containing cyclophosphamide had two fractions that were mutagenic. One fraction, the fraction containing cyclophosphamide, required metabolic activation for mutagenicity. The other fraction did not require activation for mutagenicity.^ The chemical and mutagenic stability of these urines at room temperature was assayed over a 14 day period. The parent compound degraded within the first seven days, but the urines remained mutagenic. Cis-platinum was chemically stable in the urine; however, the urine decreased in mutagenicity. The decrease was probably the result of stable ligands binding to the platinum.^ Inactivation methods were developed to reduce the genotoxic hazard. Urine containing cisplatin was inactivated by complexing the cisplatin with diethyldithiocarbamate (DDTC). Oxidation with NaOCl of urines containing mitomycin and doxorubicin (sodium thiosulfate must be added to the doxorubicin urine) results in mutagenic inactivation. Inactivation of urine containing cyclophosphamide requires oxidation with alkaline potassium permaganate and trapping of active degradation products with sodium thiosulfate. Urines containing these drugs can be inactivated, but not always by the same method that inactivates the drug alone in solution. Therefore, in the future development of inactivation methods, both chemical and mutagenic assays are necessary to determine effectiveness. Methods of inactivation of mutagenic excreta developed in this study are both effective and practical. ^