Interaction of alcohol and smoking in the pathogenesis of upper digestive tract cancers - possible chemoprevention with cysteine

Background: Alcohol consumption and smoking are the main causes of upper digestive tract cancers. These risk factors account for over 75% of all cases in developed countries. Epidemiological studies have shown that alcohol and tobacco interact in a multiplicative way to the cancer risk, but the pathogenetic mechanism behind this is poorly understood. Strong experimental and human genetic linkage data suggest that acetaldehyde is one of the major factors behind the carcinogenic effect. In the digestive tract, acetaldehyde is mainly formed by microbial metabolism of ethanol. Acetaldehyde is also a major constituent of tobacco smoke. Thus, acetaldehyde from both of these sources may have an interacting carcinogenic effect in the human upper digestive tract. Aims: The first aim of this thesis was to investigate acetaldehyde production and exposure in the human mouth resulting from alcohol ingestion and tobacco smoking in vivo. Secondly, specific L-cysteine products were prepared to examine their efficacy in the binding of salivary acetaldehyde in order to reduce the exposure of the upper digestive tract to acetaldehyde. Methods: Acetaldehyde levels in saliva were measured from human volunteers during alcohol metabolism, during tobacco smoking and during the combined use of alcohol and tobacco. The ability of L-cysteine to eliminate acetaldehyde during alcohol metabolism and tobacco smoking was also investigated with specifically developed tablets. Also the acetaldehyde production of Escherichia coli - an important member of the human microbiota - was measured in different conditions prevailing in the digestive tract. Results and conclusions: These studies established that smokers have significantly increased acetaldehyde exposure during ethanol consumption even when not actively smoking. Acetaldehyde exposure was dramatically further increased during active tobacco smoking. Thus, the elevated aerodigestive tract cancer risk observed in smokers and drinkers may be the result of the increased acetaldehyde exposure. Acetaldehyde produced in the oral cavity during ethanol challenge was significantly decreased by a buccal L-cysteine -releasing tablet. Also smoking-derived acetaldehyde could be totally removed by using a tablet containing L-cysteine. In conclusion, this thesis confirms the essential role of acetaldehyde in the pathogenesis of alcohol- and smoking-induced cancers. This thesis presents a novel experimental approach to decrease the local acetaldehyde exposure of the upper digestive tract with L-cysteine, with the eventual goal of reducting the prevalence of upper digestive tract cancers.

LKB1 tumor suppression in Peutz-Jeghers Syndrome

Kasvainten, ajatellaan syntyvän yksittäisen solun perimän mutaatioista, jonka seurauksena tuon solun kasvu häiriintyy. Ruoansulatuskanavan polyyppien syntyä käytetään usein mallina siitä, miten nämä epiteelisoluun kerääntyvät mutaatiot aiheuttavat asteittain pahenevan kasvuhäiriön. Peutz–Jeghersin oireyhtymä (PJS) on perinnöllinen polypoosisyndrooma, jossa oireita aiheuttavat erityisesti maha-suolikanavan hamartomatoottiset polyypit. Noin puolella PJS potilaista havaitaan mutaatioita LKB1 kasvunrajoite geenissä. Hiirille joilta toinen Lkb1 alleeli on poistettu (Lkb1+/-) kehittyy PJS-tyypin maha-suolikanavan polyyppeja, joissa on epiteelin liikakasvun lisäksi merkittävä sileälihaskomponentti, aivan kuten PJS polyypeissa. Kuten myös muissa ruoansulatuskanavan polypooseissa, sekä PJS että hiirten polyypeissa Cyclo-oxygenaasi-2:n (COX-2) määrä on usein kohonnut. PJS-polyyppien kehittymisen molekulaarinen mekanismi on kuitenkin selvittämättä. Koska vain osa PJS potilaista kantaa LKB1 mutaatioita, mutaatiot jossakin toisessa lokuksessa saattaisivat selittää osan PJS tapauksista. Jotta PJS:n geneettinen tausta selviäisi, seulottiin kolmen LKB1:n kanssa interaktoivan proteiinin (BRG1, STRADα ja MO25α) geenit PJS potilaista joilla ei ole havaittu LKB1 mutaatioita. Yhdessäkään tutkituista geeneistä ei havaittu tautia aiheuttavia mutaatioita. Näiden kolmen geenin pois sulkeminen, ja uusien menetelmien ansiosta kasvanut havaittujen Lkb1 mutaatioden määrä viittaavat LKB1:n olevan useimpien PJS tapausten taustalla. COX-2:n estäjien käyttö on tehokkaasti vähentänyt polyyppien määrää familiaarisessa adenomatoottisessa polypoosissa. Tästä johtuen COX-2:n eston tehokkuutta tutkittiin PJS polypoosissa. PJS-tyypin polypoosin havaittin pienenevän merkittävästi Lkb1+/- hiirissä, joilta oli lisäksi poistettu toinen tai molemmat COX-2:n alleeleista. Lisäksi farmakologinen COX-2:n esto Celecoxib:lla vähensi polypoosia tehokkaasti. Näin ollen COX-2:n eston tehokkuutta tutkittiin seuraavaksi PJS potilaissa. Kuuden kuukauden Celecoxib hoidon jälkeen polypoosin havaittiin vähentyneen merkittävästi osalla potilaista (2/6). Nämä tulokset osoittavat COX-2:n roolin PJS-polyyppien kehityksessä, ja viittaavat COX-2:n eston vähentävän polypoosia. Kasvunrajoitegeenin klassisen määritelmän mukaan kasvaimen kehitys vaatii perinnöllisen mutaation lisäksi geenin toisenkin alleelin mutaation, mutta PJS-polyyppien häiriintyneestä epiteelistä ei kuitenkaan systemaattisesti löydy toista LKB1:n mutaatiota. Havainto johti tutkimukseen, jossa selvitettiin voisiko LKB1:n kasvun rajoitus välittyäkin epäsuorasti tukikudokseksi ajatelluista sileälihassoluista. Tätä tutkittiin kehittämällä poistogeeninen hiirimalli jossa Lkb1 on mutatoitunut vain sileälihassoluissa. Näille hiirille kehittyi polyyppeja, jotka ovat kaikin tavoin PJS-polyyppien kaltaisia. Lkb1:n menettäneiden solujen havaittiin tuottavan vähemmän transformoivaa kasvutekijä beetaa (TGFß), joka aiheutti solujen välisen viestinnän heikentymisen ja mahdollisesti viereisten epiteelisolujen liikakasvun. Vastaava häiriö havaittiin myös PJS-potilaiden polyypeissa, mikä viittaa siihen, että potilaillakin sileälihassolujen häiriö on polyyppien taustalla. Havainto suuntaa täten hoitokohteiden etsintää ja osoittaa että LKB1 toimii kasvunrajoittajana epätyypillisellä tavalla pitäen naapurisolujen kasvun kurissa.