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Ihbe, Jutta Birgitta (2004): Entwicklung eines Modells zur Testung der Genotoxizität von Umweltstoffen anhand von Miniorgankulturen humaner nasaler Mukosazellen. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Umwelt- und Arbeitsstoffe stellen wichtige Faktoren bei der Kanzerogenese im menschlichen Körper dar. In der vorliegenden Arbeit wurden einige Vertreter von Umweltstoffen ausgewählt und auf ihre kanzerogene Wirkung hin untersucht: N-Nitrosodiethylamin (NDEA) für die Nitrosamine, Natriumdichromat (Na2Cr2O7) für die Chromverbindungen, Mono(2-Ethylhexyl)-Phthalat (MEHP) für die Phthalate und Benzo[a]pyren-Diolepoxid (BPDE) für die polyzyklischen Kohlenwasserstoffe. Als Negativkontrolle diente Dimethylsulfoxid (DMSO) und als Positivkontrolle N-Methyl-N‘-Nitro-N-Nitrosoguanidin (MNNG). Da viele dieser Stoffe über die Atemwege aufgenommen werden, ist die Schleimhaut des oberen Aerodigestivtraktes besonders exponiert. Als Untersuchungsmaterial diente deshalb humane nasale Schleimhaut. Um möglichst lebensnahe Bedingungen zu schaffen, wurden aus dieser ca. 1mm3 große Miniorgane gewonnen, die über eine Woche kultiviert wurden, was zu einer vollständigen Epithelialisierung führte. Die im natürlichen Zellverband verbliebenen Zellen konnten daraufhin mehrmals mit Fremdstoffen inkubiert werden. Die dazwischenliegenden Zeitintervalle ließen Reparaturvorgänge zu. Die Schädigungsmuster von Miniorganzellen wurden auch mit denen von Einzelzellen verglichen, die vor der Inkubation separiert worden waren. Dabei wurden sowohl Einzelzellen aus Frischbiopsaten und als auch Einzelzellen aus Miniorganen nach 7-tägiger Kultivierung getestet. Zur quantitativen Schädigungsanalyse wurde die alkalische Einzelzell-Mikrogelelektrophorese (Comet Assay) angewandt, bei der es zu einer Wanderung von gelösten DNA-Bruchstücken im elektrischen Feld kommt. Diese Wanderung konnte durch anschließende Anfärbung unter dem Fluroszenzmikroskop sichtbar gemacht werden. Die Ergebnisse zeigten unterschiedliche Fragmentierungen der DNA nach einmaliger und dreimaliger Fremdstoffinkubation: Die DNA-Schädigungen der Miniorgane blieben nach ein- und dreimaliger Inkubation mit NDEA und MEHP auf gleichem Niveau. Dagegen traten bei jeder Inkubation mit Na2Cr2O7, BPDE und MNNG zunehmende DNA-Fragmentierungen auf. Die aus Frischbiopsaten gewonnenen Einzelzellen zeigten bei jeder der getesteten Substanzen eine erhöhte Empfindlichkeit. Der direkte Vergleich zwischen Einzelzellen und Miniorganen nach 7 Tagen ergab eine gleich hohe Schädigung für NDEA. Bei den anderen getesteten Stoffen wiesen die Einzelzellen höhere DNA-Fragmentierungen auf. Es konnte gezeigt werden, dass alle getesteten Stoffe Schädigungen an der Erbsubstanz in Form von Einzelstrangbrüchen hervorrufen. Im Vergleich zwischen Miniorganen und Einzelzellen wiesen Einzelzellen überwiegend eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Fremdstoffen auf als die im epithelialen Strukturverband belassenen Zellen der Miniorgane. Das Miniorganmodell bot mehrfache Inkubationsmöglichkeiten und ließ so Reparaturphasen zu. Durch die Verwendung von Miniorgankulturen können lebensnahe Bedingungen geschaffen werden, die die Vorgänge im menschlichen Körper besser widerspiegeln als ein Einzelzellmodell. Die Verwendung von Miniorgankulturen eignet sich somit zur Untersuchung der metabolischen Kompetenz von Zellen und der DNA-Reparaturmechanismen. Dadurch kann die hier vorgestellte Methode zur Prävention von malignen Tumoren des oberen Aerodigestivtraktes einen wichtigen Beitrag leisten. Auch die hier erstmals in Verbindung mit Miniorganen eingesetzte alkalische Einzelzell-Mikrogelelektrophorese (Comet Assay) erwies sich als geeigneter Kurzzeittest zur Schädigungsanalyse. Das gezeigte Modell ermöglicht die Weiterentwicklung einer Screeningmethode für die Genotoxizität von Umweltstoffen unter Berücksichtigung individueller Empfindlichkeiten.