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.

Antigenotoxic Effects of Piquia (Caryocar villosum) in Multiple Rat Organs

This study investigated the in vivo genotoxicity of piquia pulp (Caryocar villosum) and its potential antigenotoxicity on doxorubicin (DXR)-induced DNA damage by comet assay and micronucleus test. In addition, the phytochemicals present in piquia pulp were determined. Piquia fruit pulp (75, 150 or 300 mg/kg b.w.) was administered by gavage to Wistar rats for 14 days, and the animals received an injection of saline or DXR (15 mg/kg b.w., i.p.) 24 h before they were euthanized. The phytochemical analysis revealed the presence of carotenoids; phenolic compounds, including flavonoids; tannins and alpha-tocopherol in piquia pulp. No statistically significant differences were observed in the evaluated parameters, demonstrating the absence of cytotoxic and genotoxic effects of piquia pulp at all tested doses. In liver, kidney, cardiac and bone marrow cells, piquia significantly reduced the DNA damage induced by DXR. Our results showed that the lowest piquia dose caused the largest decrease in DNA damage and the highest dose caused the smallest decrease, demonstrating an inverse dose-response of piquia pulp. Furthermore, we observed a difference in the potential antigenotoxic effects in several tissues. In conclusion, our results demonstrated that piquia pulp was not genotoxic and inhibited the genotoxicity induced by DXR, but some of the protective effects that were observed depended on the doses and experimental conditions. Therefore, further investigations are needed to clarify how piquia pulp positively affects human health.

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.

Mikania glomerata Sprengel (Asteraceae) influences the mutagenicity induced by doxorubicin without altering liver lipid peroxidation or antioxidant levels

As shown in numerous studies, natural compounds may exert adverse effects, mainly when associated with some drugs. The hydroalcoholic extract of Mikania glomerata is the pharmaceutical form present in commercially available syrup used for the treatment of respiratory diseases in popular Brazilian medicine. The objective of the present investigation was (1) to evaluate the preventive effects of standardized hydroalcoholic extract of M. glomerata (MEx) against antitumoral drug doxorubicin (DXR)-induced micronucleated polychromatic erythrocytes (MNPCE) in a subchronic assay in mice, and (2) to determine the liver content of malondialdehyde (MDA) and the antioxidants glutathione (GSH) and vitamin E (VE). Male Swiss mice were treated for 30 d with MEx added to drinking water, combined or not with DXR (90 mg/kg body weight) injected intraperitoneally (ip) 24 h before analysis. The results demonstrated that MEx produced no genotoxic damage, but significantly increased the frequency of MNPCE induced by DXR, indicating a drug-drug interaction. This rise was not accompanied by lipid peroxidation or antioxidants level reduction, as measured by MDA, GSH, and VE. Despite the presence of coumarin (a known antioxidant), MEx may exert adverse effects probably in association with mutagenic compounds, although this effect on DNA damage did not involve oxidative stress.

DNA Dosimetry Assessment for Sunscreen Genotoxic Photoprotection

Background: Due to the increase of solar ultraviolet radiation (UV) incidence over the last few decades, the use of sunscreen has been widely adopted for skin protection. However, considering the high efficiency of sunlight-induced DNA lesions, it is critical to improve upon the current approaches that are used to evaluate protection factors. An alternative approach to evaluate the photoprotection provided by sunscreens against daily UV radiation-induced DNA damage is provided by the systematic use of a DNA dosimeter. Methodology/Principal Findings: The Sun Protection Factor for DNA (DNA-SPF) is calculated by using specific DNA repair enzymes, and it is defined as the capacity for inhibiting the generation of cyclobutane pyrimidine dimers (CPD) and oxidised DNA bases compared with unprotected control samples. Five different commercial brands of sunscreen were initially evaluated, and further studies extended the analysis to include 17 other products representing various formulations and Sun Protection Factors (SPF). Overall, all of the commercial brands of SPF 30 sunscreens provided sufficient protection against simulated sunlight genotoxicity. In addition, this DNA biosensor was useful for rapidly screening the biological protection properties of the various sunscreen formulations. Conclusions/Significance: The application of the DNA dosimeter is demonstrated as an alternative, complementary, and reliable method for the quantification of sunscreen photoprotection at the level of DNA damage.

Bixin and norbixin protect against DNA-damage and alterations of redox status induced by methylmercury exposure in vivo

Populations in the Amazon are exposed to organic mercury via consumption of contaminated foods. These ethnic groups consume a specific plant seed annatto which contains certain carotenoids. The aim of this study was to find out if these compounds (bixin, BIX and norbixin, NOR), protect against DNA-damage caused by the metal. Therefore, rats were treated orally with methylmercury (MeHg) and with the carotenoids under conditions that are relevant to humans. The animals were treated either with MeHg (30 mu g/kg/bw/day), BIX (0.110 mg/kg/bw/day), NOR (0.011.0 mg/kg/bw/day) or combinations of the metal compound and the carotenoids consecutively for 45 days. Subsequently, the glutathione levels (GSH) and the activity of catalase were determined, and DNA-damage was measured in hepatocytes and leukocytes using single cell gel electrophoresis assays. Treatment with the metal alone caused a decrease in the GSH levels (35%) and induced DNA damage, which resulted in increased DNA migration after electrophoresis in liver and blood cells, whereas no effects were seen with the carotenoids alone. When BIX or NOR were given in combination with organic mercury, the intermediate and the highest concentrations of the carotenoids (1.0 and 10.0 mg/kg/bw/day BIX and 0.1 and 1.0 mg/kg/bw/day NOR) protected against DNA-damage. Furthermore, we found with both carotenoids, a moderate increase in the GSH levels in both metal-treated and untreated animals, while the activities of catalase remained unchanged. Our results indicate that consumption of BIX and NOR may protect humans against the adverse health effects caused by exposure to organic mercury. Environ. Mol. Mutagen., 2012. (c) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Cinnamic acid induces apoptotic cell death and cytoskeleton disruption in human melanoma cells

Anticancer activities of cinnamic acid derivatives include induction of apoptosis by irreversible DNA damage leading to cell death. The present work aimed to compare the cytotoxic and genotoxic potential of cinnamic acid in human melanoma cell line (HT-144) and human melanocyte cell line derived from blue nevus (NGM). Viability assay showed that the IC50 for HT-144 cells was 2.4 mM, while NGM cells were more resistant to the treatment. The growth inhibition was probably associated with DNA damage leading to DNA synthesis inhibition, as shown by BrdU incorporation assay, induction of nuclear aberrations and then apoptosis. The frequency of cell death caused by cinnamic acid was higher in HT-144 cells. Activated-caspase 3 staining showed apoptosis after 24 hours of treatment with cinnamic acid 3.2 mM in HT-144 cells, but not in NGM. We observed microtubules disorganization after cinnamic acid exposure, but this event and cell death seem to be independent according to M30 and tubulin labeling. The frequency of micronucleated HT-144 cells was higher after treatment with cinnamic acid (0.4 and 3.2 mM) when compared to the controls. Cinnamic acid 3.2 mM also increased the frequency of micronucleated NGM cells indicating genotoxic activity of the compound, but the effects were milder. Binucleation and multinucleation counting showed similar results. We conclude that cinnamic acid has effective antiproliferative activity against melanoma cells. However, the increased frequency of micronucleation in NGM cells warrants the possibility of genotoxicity and needs further investigation.

Citotoxicidade e genotoxicidade de nanotubos de carbono

There are many controversies regarding the cyto- and genotoxicity of carbon nanotubes (CNTs). In this work, we discuss that many of the incongruous arguments are probably associated with the poor physical-chemical characterization of the CNT samples used in many publications. This manuscript presents examples of carbon nanostructures observed under high resolution electron microscopy that can be found in typical CNT samples, and shows which roles in cyto- and genotoxicity need to be better investigated. Issues concerning chemical treatment are addressed and examples of misunderstandings that can occur during the studies of cyto- and genotoxicity of CNT samples are given.

Bioremediation of PAHs - Limitations and soultions

Introduction 1.1 Occurrence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in the environment Worldwide industrial and agricultural developments have released a large number of natural and synthetic hazardous compounds into the environment due to careless waste disposal, illegal waste dumping and accidental spills. As a result, there are numerous sites in the world that require cleanup of soils and groundwater. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are one of the major groups of these contaminants (Da Silva et al., 2003). PAHs constitute a diverse class of organic compounds consisting of two or more aromatic rings with various structural configurations (Prabhu and Phale, 2003). Being a derivative of benzene, PAHs are thermodynamically stable. In addition, these chemicals tend to adhere to particle surfaces, such as soils, because of their low water solubility and strong hydrophobicity, and this results in greater persistence under natural conditions. This persistence coupled with their potential carcinogenicity makes PAHs problematic environmental contaminants (Cerniglia, 1992; Sutherland, 1992). PAHs are widely found in high concentrations at many industrial sites, particularly those associated with petroleum, gas production and wood preserving industries (Wilson and Jones, 1993). 1.2 Remediation technologies Conventional techniques used for the remediation of soil polluted with organic contaminants include excavation of the contaminated soil and disposal to a landfill or capping - containment - of the contaminated areas of a site. These methods have some drawbacks. The first method simply moves the contamination elsewhere and may create significant risks in the excavation, handling and transport of hazardous material. Additionally, it is very difficult and increasingly expensive to find new landfill sites for the final disposal of the material. The cap and containment method is only an interim solution since the contamination remains on site, requiring monitoring and maintenance of the isolation barriers long into the future, with all the associated costs and potential liability. A better approach than these traditional methods is to completely destroy the pollutants, if possible, or transform them into harmless substances. Some technologies that have been used are high-temperature incineration and various types of chemical decomposition (for example, base-catalyzed dechlorination, UV oxidation). However, these methods have significant disadvantages, principally their technological complexity, high cost , and the lack of public acceptance. Bioremediation, on the contrast, is a promising option for the complete removal and destruction of contaminants. 1.3 Bioremediation of PAH contaminated soil & groundwater Bioremediation is the use of living organisms, primarily microorganisms, to degrade or detoxify hazardous wastes into harmless substances such as carbon dioxide, water and cell biomass Most PAHs are biodegradable unter natural conditions (Da Silva et al., 2003; Meysami and Baheri, 2003) and bioremediation for cleanup of PAH wastes has been extensively studied at both laboratory and commercial levels- It has been implemented at a number of contaminated sites, including the cleanup of the Exxon Valdez oil spill in Prince William Sound, Alaska in 1989, the Mega Borg spill off the Texas coast in 1990 and the Burgan Oil Field, Kuwait in 1994 (Purwaningsih, 2002). Different strategies for PAH bioremediation, such as in situ , ex situ or on site bioremediation were developed in recent years. In situ bioremediation is a technique that is applied to soil and groundwater at the site without removing the contaminated soil or groundwater, based on the provision of optimum conditions for microbiological contaminant breakdown.. Ex situ bioremediation of PAHs, on the other hand, is a technique applied to soil and groundwater which has been removed from the site via excavation (soil) or pumping (water). Hazardous contaminants are converted in controlled bioreactors into harmless compounds in an efficient manner. 1.4 Bioavailability of PAH in the subsurface Frequently, PAH contamination in the environment is occurs as contaminants that are sorbed onto soilparticles rather than in phase (NAPL, non aqueous phase liquids). It is known that the biodegradation rate of most PAHs sorbed onto soil is far lower than rates measured in solution cultures of microorganisms with pure solid pollutants (Alexander and Scow, 1989; Hamaker, 1972). It is generally believed that only that fraction of PAHs dissolved in the solution can be metabolized by microorganisms in soil. The amount of contaminant that can be readily taken up and degraded by microorganisms is defined as bioavailability (Bosma et al., 1997; Maier, 2000). Two phenomena have been suggested to cause the low bioavailability of PAHs in soil (Danielsson, 2000). The first one is strong adsorption of the contaminants to the soil constituents which then leads to very slow release rates of contaminants to the aqueous phase. Sorption is often well correlated with soil organic matter content (Means, 1980) and significantly reduces biodegradation (Manilal and Alexander, 1991). The second phenomenon is slow mass transfer of pollutants, such as pore diffusion in the soil aggregates or diffusion in the organic matter in the soil. The complex set of these physical, chemical and biological processes is schematically illustrated in Figure 1. As shown in Figure 1, biodegradation processes are taking place in the soil solution while diffusion processes occur in the narrow pores in and between soil aggregates (Danielsson, 2000). Seemingly contradictory studies can be found in the literature that indicate the rate and final extent of metabolism may be either lower or higher for sorbed PAHs by soil than those for pure PAHs (Van Loosdrecht et al., 1990). These contrasting results demonstrate that the bioavailability of organic contaminants sorbed onto soil is far from being well understood. Besides bioavailability, there are several other factors influencing the rate and extent of biodegradation of PAHs in soil including microbial population characteristics, physical and chemical properties of PAHs and environmental factors (temperature, moisture, pH, degree of contamination). Figure 1: Schematic diagram showing possible rate-limiting processes during bioremediation of hydrophobic organic contaminants in a contaminated soil-water system (not to scale) (Danielsson, 2000). 1.5 Increasing the bioavailability of PAH in soil Attempts to improve the biodegradation of PAHs in soil by increasing their bioavailability include the use of surfactants , solvents or solubility enhancers.. However, introduction of synthetic surfactant may result in the addition of one more pollutant. (Wang and Brusseau, 1993).A study conducted by Mulder et al. showed that the introduction of hydropropyl-ß-cyclodextrin (HPCD), a well-known PAH solubility enhancer, significantly increased the solubilization of PAHs although it did not improve the biodegradation rate of PAHs (Mulder et al., 1998), indicating that further research is required in order to develop a feasible and efficient remediation method. Enhancing the extent of PAHs mass transfer from the soil phase to the liquid might prove an efficient and environmentally low-risk alternative way of addressing the problem of slow PAH biodegradation in soil.

Entwicklung neuer Biomarker zur Detektion von Umweltbelastung

Es wurde bis heute meist mit relativ aufwendigen Methoden nach dem Vorkommen von Strangbrüchen in der DNA gesucht. Die hier verwendete Fast-Micromethod steht jetzt neben mehreren bereits etablierten Methoden zur qualitativen und quantitativen Erfassung von DNA-Strangbrüchen zur Verfügung. Die Methode wurde zur schnellen und empfindlichen Messung von DNA-Schäden und deren Reparatur unter Verwendung von PicoGreen, einem spezifisch an DNA-Einzelstränge bindenden Fluoreszenzfarbstoff, durchgeführt. Die Methode wurde in der vorliegenden Arbeit für verschiedene Zellarten wie HeLa-Zellen und Schwamm-Zellen mit Schwermetallionen verwendet. Sie wurde ebenfalls bei verschiedenen Strangbruch-induzierenden Stoffen wie NQO und physikalischen Faktoren wie UV-Bestrahlung und Gammastrahlung erfolgreich eingesetzt. Die Strangbrüche wurden bei HeLa-Zellen mit 10 µM NQO nach 90 Minuten Inkubation und ebenso bei Gammastrahlung mit 16 Gy gemessen. An Schwammzellen wurden Effekte von Schwermetallionen und UV, auch einschließlich nachgeschalteter Reparaturaktivität, gemessen. Dabei war die Reparatur jedoch nicht ganz vollständig. Durch die Fast-Micromethod wurde DNA-Schädigung durch UV-Bestrahlung und Gentoxizität von Schwermetall-Ionen an HeLa-Zellen nachgewiesen. Die Schwammzellen wurden mit verschiedenen Schwermetall-Ionen in verschiedenen Konzentrationen getestet und mit UV bei verschiedenen Dosen bestrahlt. Teilweise wurde nach dem Einfluss die DNA-Reparatur erfasst. Schwammzellen wurden in den drei häufig verwendeten Medien CMFSW, CMFSW+EDTA und Seewasser aufgenommen. Im Seewasser waren die Zellen nach 60 Minuten Inkubationszeit aggregiert (Primmorphe). Im CMFSW+EDTA Medium lagen dagegen nur Einzellen vor, da die Zellen im EDTA-Medium dissoziiert wurden und auch nicht mehr proliferierten.

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