- / -

Τα ρετινοειδή αποτελούν μια μεγάλη οικογένεια οργανικών μορίων που μοιάζουν δομικά με τη βιταμίνη Α. Το all-trans ρετινοϊκό οξύ (atRA) είναι γνωστό πως ρυθμίζει ένα μεγάλο εύρος κυτταρικών βιολογικών διεργασιών μέσω της πρόσδεσής του και της ενεργοποίησης των υποδοχέων του, τους υποδοχείς ρετινοϊκού οξέος (RAR) και τους υποδοχείς ρειτνοειδών Χ (RXR). Κάθε κατηγορία υποδοχέων περιλαμβάνει τρία μέλη, α, β και γ. Τα ρετινοειδή χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία πολλών ασθενειών, από την κοινή ακμή ως την οξεία προμυελωτική λευχαιμία. Η χρήση τους, παρ’ όλα αυτά, περιορίζεται εξαιτίας των σοβαρών ανεπιθύμητων ενεργειών τους, και είναι επιτακτική ανάγκη να συντεθούν ανάλογα με λιγότερες ανεπιθύμητες δράσεις. Προς αυτήν την κατεύθυνση έχουν συντεθεί πολλά ανάλογα, ανάμεσα τους και το N12-bis(all-trans-retinoyl)spermine (RA2SPM), ένα σύζευγμα δύο μορίων atRA με σπερμίνη, το οποίο συντέθηκε από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή Δ. Παπαϊωάννου, στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η δράση του atRA και του RA2SPM στην αγγειογένεση και την ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων προστάτη. Το atRA ανέστειλε με δοσο-εξαρτώμενο τρόπο την αγγειογένεση στο μοντέλο της χοριοαλλαντοϊκής μεμβράνης (CAM) εμβρύου όρνιθας, παρόλο που η δράση του ήταν χαμηλότερη από αυτή που είχε δείξει παλιότερα το RA2SPM στο ίδιο σύστημα. Παρ’ όλο που το atRA προκάλεσε επαγωγή στην έκφραση του αγγειογενετικού αυξητικού παράγοντα πλειοτροπίνη (PTN) στην CAM, ανέστειλε την αλληλεπίδρασή της με τον υποδοχέα της RPTPβ/ζ, κάτι που συνάδει με μειωμένη επαγωγική δράση της PTN στην αγγειογένεση της CAM εμβρύου όρνιθας. Τα δύο ρετινοειδή μείωσαν των αριθμό των ανθρώπινων ενδοθηλιακών κυττάρων φλέβας ομφαλίου λώρου (HUVEC) και των προστατικών καρκινικών κυττάρων LNCaP και PC3, με δοσο-εξαρτώμενο τρόπο. Σε όλες τις περιπτώσεις, το RA2SPM ήταν πιο αποτελεσματικό σε σχέση με το atRA. Η δράση και των δύο ρετινοειδών στα καρκινικά κύτταρα προστάτη ήταν μεγαλύτερη από τη δράση τους στα ενδοθηλιακά κύτταρα. Αυτές οι δράσεις φαίνεται να σχετίζονται με αύξηση των επιπέδων του mRNA του ογκοκαταστατλικού γονιδίου RARβ και από τις δύο ουσίες που μελετήθηκαν. Ενδιαφέρον είναι ότι η δράση του atRA και του RA2SPM βρέθηκε να διαμεσολαβείται από τον RARα και ήταν μεγαλύτερη στα PC3 κύτταρα, τα οποία δεν εκφράζουν τον RARβ και θεωρούνται πιο επιθετικά. Στα κύτταρα που εκφράζουν τον RARβ, δηλαδή στα HUVEC και στα LNCaP, οι δύο ουσίες ήταν λιγότερο αποτελεσματικές. Τέλος, τόσο το atRA όσο και το RA2SPM μείωσαν τα επίπεδα mRNA και πρωτεΐνης της PTN, η οποία είναι γνωστό πως παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων προστάτη PC3. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας υποδεικνύουν ότι το RA2SPM φαίνεται να είναι πιο αποτελεσματικό από το atRA στην αναστολή της αγγειογένεσης και της ανάπτυξης των καρκινικών κυττάρων προστάτη. Επίσης, καταδεικνύουν τον RARα ως τον υποδοχέα μέσω του οποίου τα δύο υπό μελέτη ρετινοειδή προκαλούν αύξηση της έκφρασης του RARβ και αναστολή της ανάπτυξης των καρκινικών κυττάρων προστάτη. / Retinoids constitute a large family of organic compounds structurally related to the naturally occurring vitamin A. All-trans-retinoic acid (atRA) is known to modulate a wide range of cellular biological processes through binding to and activation of its specific receptors, retinoic acid receptors (RAR) and retinoid X receptors α, β and γ. Retinoids are being used for the treatment of various diseases, ranging from acne vulgaris to acute promyelotic leukemia. Their use however is limited due to serious adverse effects and there is a great need for analogues with minimized adverse effects. Towards this direction, many analogues are being synthesized, among which N1,N12-bis(all-trans-retinoyl)spermine (RA2SPM), a conjugate of all-trans retinoic acid with spermine, which has been synthesized by the research group of Prof. D. Papaioannou at the Dept. of Chemistry of the University of Patras. In the present work, the effect of atRA and RA2SPM on angiogenesis and prostate cancer cell growth has been studied. ATRA dose-dependently inhibited angiogenesis in the chicken embryo chorioallantoic membrane (CAM) model, although its effect was lower that the previously shown effect of RA2SPM on the same system. Although atRA increased the expression of the angiogenic growth factor pleiotrophin (PTN) in the CAM, it decreased its interaction with its receptor RPTPβ/ζ, in line with a possible decreased effect of PTN in stimulating CAM angiogenesis. Both retinoids decreased the number of human umbilical vein endothelial (HUVEC) and prostate cancer LNCaP and PC3 cells in a concentration-dependent manner. In all cases, RA2SPM was more effective and potent compared with atRA and the effect of both retinoids on prostate cancer cells was higher than their corresponding effect on endothelial cells. These effects seem to be related to an increase of the mRNA of the RARβ tumour repressing gene by both substances tested. Interestingly, the effect of atRA and RA2SPM was mediated by RARα and was higher in PC3 cells that do not express RARβ and are considered more aggressive; in cells that express RARβ, i.e. HUVEC and LNCaP, both substances were less effective. Finally, both atRA and RA2SPM decreased mRNA and protein levels of PTN, which is known to be significant for prostate cancer PC3 cell growth. These data suggest that RA2SPM seems to be more effective than atRA in decreasing angiogenesis and prostate cancer cell growth and identify RARα as the receptor through which it causes RARβ up-regulation and decrease of prostate cancer cell growth.

Η ριβονουκλεάση P (RNase P) είναι το ένζυμο που ευθύνεται για την ωρίμανση του 5΄ άκρου των πρόδρομων μορίων tRNA συμμετέχοντας έτσι στην πρωτεΐνοσύνθεση. H RNase P καταλύει την ενδονουκλεολυτική θραύση ενός φωσφοδιεστερικού δεσμού παρουσία ιόντων Mg2+ παράγοντας προϊόντα με 3΄ υδροξυλικά και 5΄ φωσφορικά άκρα. Η πλειοψηφία των RNase P ενζύμων που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα είναι ριβονουκλεοπρωτεΐνες αποτελούμενες από μια RNA και πρωτεϊνικές υπομονάδες. Η RNA υπομονάδα της βακτηριακής RNase P είναι ένα από τα πρώτα καταλυτικά RNA που μελετήθηκαν. Η RNase P και το ριβόσωμα είναι τα μόνα γνωστά ριβοένζυμα που είναι συντηρημένα και στις τρείς φυλογεννετικές περιοχές. Δεδομένης της ζωτικής σημασίας των λεμφοκυττάρων στην ακεραιότητα του ανοσολογικού συστήματος και στην παθογένεια ευρέος φάσματος δερματολογικών και μη νοσημάτων, σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την απομόνωση και τον καθαρισμό της RNase P από περιφερικά λεμφοκύτταρα υγιών μαρτύρων, ο προσδιορισμός της ενζυμικής της δραστικότητας, καθώς και η μελέτη της in vitro επιδράσεως δυο συνθετικών ρετινοειδών, του 13-cis ρετινοϊκού οξέος και της ασιτρετίνης, της αμινογλυκοσίδης νεομυκίνης Β, όπως και της διφωσφορικής χλωροκίνης στην δραστικότητα της λεμφοκυτταρικής RNase P. Το ένζυμο καθαρίστηκε με τη χρήση κατιοντοανταλλακτικής χρωματογραφίας φωσφοκυτταρίνης και προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες δραστικότητάς του.Μετά από μελέτη της επίδρασης των συνθετικών ρετινοϊδών και της νεομυκίνης Β στην δραστικότητα της RNase P, προέκυψε ότι και τα τρία προκαλούν μια δοσοεξαρτώμενη αναστολή της δραστικότητας της RNase Ρ των ανθρωπίνων λεμφοκυττάρων. Η διφωσφορική χλωροκίνη δεν επηρεάζει τη δραστικότητα της λεμφοκυτταρικής RNase P. Λεπτομερής κινητική ανάλυση έδειξε πως η αναστολή που προκαλείται από την ασιτρετίνη είναι συναγωνιστικού τύπου, ενώ αυτή από την νεομυκίνη Β είναι μη συναγωνιστικού τύπου.Η κινητική σταθερά Km της λεμφοκυτταρικής RNase P βρέθηκε ότι ισούται με 245 nM και η Vmax με 0.42 pmol/min. Συμπερασματικά, η απομόνωση της RNase P από ανθρώπινα περιφερικά λεμφοκύτταρα καθιστά δυνατή τη μελέτη της πιθανής ανάμιξης αυτού του ριβοενζύμου στους παθογενετικούς μηχανισμούς διαφόρων αυτοάνοσων, φλεγμονωδών και νεοπλασματικών δερματοπαθειών και μπορεί να διευκολύνει τη περαιτέρω ανάπτυξη της βασιζομένης στην RNase P τεχνολογίας για τη γονιδιακή θεραπεία δερματικών και μη παθήσεων. / Ribonuclease P (RNase P) is the enzyme responsible for the 5΄ maturation of the precursor tRNA molecules, participating in tRNA biogenesis and therefore in protein synthesis. It catalyses the endonucleolytic cleavage of a phosphodiester bond in the presence of Mg2+ and results in the production of molecules that bear 3΄ hydroxyl and 5΄ phosphoric ends. Most forms of RNase P are ribonucleoproteins consisting of an essential RNA and protein subunits. The RNA component of the bacterial RNase P was one of the first identified catalytic RNAs. So far, RNase P and the ribosome are the only ribozymes known to be conserved in all kingdoms of life (bacteria, archaea and eucarya). In view of the vital importance of lymphocytes for an effective immune system, we proceeded to the RNase P isolation from human peripheral lymphocytes. The enzyme was purified with cation exchange phosphocellulose chromatography and the optimal conditions were determined. Herein, it was investigated the effect of the synthetic retinoids (cis-retinoic acid and acitretin), neomycin B, as well as chloroquine diphosphate, on the RNase P activity. Cis-retinoic acid, acitretin and neomycin B exerted a dose-dependent inhibitory effect on RNase P activity from human lymphocytes, wlile the activity was not affected in the presence of chloroquine diphosphate. A detailed kinetic analysis showed that the inhibition caused by acitretin was of competitive type, whereas that caused by neomycin B was of noncompetitive type. The kinetic constant Km of RNase P activity isolated from lymphocytes for the tRNA maturation reaction has been estimated equal to 245 nM and the Vmax value has been estimated equal to 0.42 pmol/min. Finally, the isolation of RNase P from human peripheral lymphocytes will enable the study of the possible involvement of this ribozyme in the pathogenetic mechanisms of diverse autoimmune, inflammatory and neoplastic cutaneous disorders and may facilitate the further development of RNase P-based technology for gene therapy of infectious and neoplastic dermatoses.

Τα ρετινοειδή αποτελούν μια μεγάλη οικογένεια οργανικών μορίων που μοιάζουν δομικά με τη βιταμίνη Α. Το all-trans ρετινοϊκό οξύ (atRA) συμμετέχει σε μεγάλο εύρος βιολογικών διεργασιών μέσω της πρόσδεσής του και της ενεργοποίησης των υποδοχέων του, τους υποδοχείς ρετινοϊκού οξέος (RAR) και τους υποδοχείς ρειτινοειδών Χ (RXR). Κάθε κατηγορία υποδοχέων περιλαμβάνει τρία μέλη, α, β και γ. Τα ρετινοειδή χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία πολλών ασθενειών, από την κοινή ακμή ως την οξεία προμυελωτική λευχαιμία. Λόγω των σοβαρών ανεπιθύμητων ενεργειών τους, γίνεται προσπάθεια να συντεθούν ανάλογα με λιγότερες ανεπιθύμητες δράσεις ή/και καλύτερη αποτελεσματικότητα. Προς αυτήν την κατεύθυνση έχουν συντεθεί πολλά ανάλογα, ανάμεσα τους και αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία: RA2SPM (ένα σύζευγμα δύο μορίων atRA με σπερμίνη), ACI2SPM (ένα σύζευγμα δύο μορίων ασιτρετίνης με σπερμίνη), TRX2SPM (ένα σύζευγμα δύο μορίων τριοξαλενίου με σπερμίνη), ACI-SPM-TRX (σύζευγμα ασιτρετίνης και τριοξαλενίου με σπερμίνη), RA-SPM-ACI (σύζευγμα atRA και τριοξαλενίου με σπερμίνη). Τα ανάλογα αυτά συντέθηκαν από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή Δ. Παπαϊωάννου, στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η δράση των αναλόγων αυτών στην ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων προστάτη PC3 in vitro και έγινε μια αρχική διερεύνηση του μηχανισμού δράσης και της πιθανής εμπλοκής των υποδοχέων ρετινοειδών. Ως πρότυπη ένωση με την οποία συγκρίθηκαν όλες οι άλλες ενώσεις χρησιμοποιήθηκε το ανάλογο RA2SPM, Το ανάλογο ACI2SPM έχει την καλύτερη δράση σε σύγκριση με τα άλλα ανάλογα, αφού προκάλεσε δοσο-εξαρτώμενη μείωση του αριθμού των κυττάρων PC3 σε ποσοστό παρόμοιο με τη δράση του RA2SPM και είναι πιο δραστικό στη συγκέντρωση 10-6Μ σε σχέση με τα άλλα ανάλογα. Αυτή η δράση φαίνεται να σχετίζεται με αύξηση των επιπέδων του mRNA του ογκοκατασταλτικού γονιδίου RARβ, που όμως είναι μικρότερη από αυτήν που προκαλεί το ανάλογο RA2SPM. Ο εκλεκτικός ανταγωνιστής του RARα, Ro-41-5253, βρέθηκε ότι επίσης προκαλεί αύξηση των επιπέδων του mRNA του RARβ, ενώ δεν επηρεάζει τη δράση του ACI2SPM. Επιπλέον, το ανάλογο ACI2SPM μείωσε τα επίπεδα της πρωτεΐνης πλειοτροπίνης (PTN), η οποία είναι γνωστό πως παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων προστάτη PC3. Η μείωση είναι μικρότερη από αυτήν που προκαλεί το ανάλογο RA2SPM και δεν επηρεάζεται από τον ανταγωνιστή Ro 41-5253, ο οποίος έχει από μόνος του ανασταλτική δράση. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας υποδεικνύουν ότι το ανάλογο ACI2SPM είναι αποτελεσματικό στη μείωση του αριθμού των καρκινικών κυττάρων προστάτη PC3 και στη μείωση των επιπέδων της (PTN), αλλά η δράση του είναι μικρότερη από αυτήν του RA2SPM. Επίσης, καταδεικνύουν ότι ο εκλεκτικός αναστολέας του RARα Ro-41-5253, όπως έχει αναφερθεί ξανά στη διεθνή βιβλιογραφία, παρουσιάζει προβλήματα εκλεκτικότητας και πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή. / Retinoids constitute a large family of organic compounds structurally related to the naturally occurring vitamin A. All-trans-retinoic acid (atRA) is known to modulate a wide range of cellular biological processes through binding to and activation of its specific receptors, retinoic acid receptors (RAR) and retinoid X receptors α, β and γ. Retinoids are being used for the treatment of various diseases, ranging from acne vulgaris to acute promyelocytic leukemia. However, due to serious adverse effects, there has been a great effort to synthesize analogues with better efficacy or/and minimized adverse effects. Towards this direction, many analogues have been synthesized, among which those that have been used in the present work: RA2SPM (a conjugate of all-trans retinoic acid with spermine), ACI2SPM (a conjugate of 2 molecules of acitretin with spermine), TRX2SPM (a conjugate of 2 molecules of trioxalen with spermine), ACI-SPM-TRX (a conjugate of trioxalen and acitretin with spermine), RA-SPM-ACI (a conjugate of all-trans retinoic acid and acitretin with spermine). These analogues have been synthesized by the research group of Prof. D. Papaioannou at the Department of Chemistry of the University of Patras. The present work represents an initial investigation of the in vitro effects of these analogues on prostate cancer cell growth (PC3), as well as of their mechanism of action and the possible involvement of retinoid receptors. The analogue RA2SPM was used as a reference control. The analogue ACI2SPM decreased the number of prostate cancer PC3 cells in a concentration-dependent manner, being as effective as RA2SPM and more effective compared with the rest of the tested analogues. This effect seems to correlate with an increase of the mRNA levels of the RARβ tumour repressor gene; however, the RARβ tumour repressor mRNA levels decrease is smaller than that observed with RA2SPM. The RARa selective antagonist Ro 41-5253 also increases the RARβ mRNA levels, while it does not affect the ACI2SP-induced increase. Furthermore, the ACI2SPM analogue was found to decrease the protein levels of the growth factor pleiotrophin (PTN), which is known to play an important role in the growth of the prostate cancer cell line PC3. Similarly to the effect on RARβ, the decrease of the PTN levels achieved by ACI2SPM is smaller than the one achieved by RA2SPM and is unaffected by the antagonist Ro 41-5253. Ro 41-5253 decreased PTN levels by itself, supporting the increasing notion that it should be used with caution as a RARα antagonist. In conclusion, the results of this work suggest that the ACI2SPM analogue is efficient in decreasing the prostate cancer PC3 cell numbers and PTN protein levels but seems to be less effective than RA2SPM action. More work is required in order to define the mechanism(s) of action of the tested analogues, as well as to better specify their effectiveness and toxicity.

Η ασιτρετίνη, τα ψωραλένια και η μινοξιδίλη αποτελούν φάρμακα επιλογής για την αντιμετώπιση δερματικών ασθενειών (ψωρίαση, καρκίνος δέρματος, λεύκη, ανδρογενής αλωπεκία). Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν συγκλίνουσες συνθετικές μεθοδολογίες για την ολική σύνθεση αναλόγων της ασιτρετίνης με μεταβολές στο λιπόφιλο τμήμα της. Επιπλέον, τροποποιήθηκαν με χημικό τρόπο ψωραλένια, όπως το τριοξαλένιο, το μπερκαπτένιο και το ξανθοτοξένιο και συντέθηκε μια πληθώρα υβριδικών αναλόγων και συζευγμάτων τους με όξινα ρετινοειδή. Τέλος, αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για την ολική σύνθεση αναλόγων και συζευγμάτων της μινοξιδίλης με πολυαμίνες και άλλα βιοδραστικά μόρια. / Acitretin, Psoralens and Minoxidil are the drug of choice for the treatment of several dermatological disorders, such as psoriasis, vitiligo, cancer and adrogenic alopecia. In the context of the present thesis we developed efficient convergent synthetic methodologies for the total syntheses of acitretin analogs, incorporating changes in the lipophilic part. Moreover, psoralens, such as trioxsalen, bergapten and xanthotoxin, were chemically modified, in order to synthesize, hybrid analogs and conjugates with acidic retinoids. Finally, we developed efficient synthetic methodologies for the total synthesis of analogs and conjugates of Minoxidil with polyamines and other molecules with biological interest.

Vitamin A and its metabolites retinal and retinoic acid are important molecules for the regulation of normal cellular growth, differentiation and other important functions. Retinoids are known to exert mutagenic as well as antimutagenic activity, although conflicting reports are known. All-trans retinoic acid (ATRA) is used in the treatment of many diseases such as acne, psoriasis and ichthyosis. It is also used in differentiated therapy of acute promyelocytic leukemia; however, it is frequently observed that relapses occur when ATRA is prescribed as maintenance therapy. Therefore, understanding the mechanism of action of ATRA in cells would be helpful in the development of high potent and low toxic chemotherapeutic agents. EA-4 is a newly synthesized steroidal analogue of ATRA and is considered as a promising agent for the inhibition of human leukemic cell growth. The study of genotoxicity is an important parameter for the design and development of new chemotherapeutic agents. Genotoxic effects of anticancer drugs in non-tumour cells are of special significance due to their possibility of inducing secondary tumours in cancer patients. Therefore, it is important to determine the genotoxic potential of a drug that will be used in chemotherapy, particularly in native human cells. Taking into consideration the above referred, it would be of interest to evaluate the genotoxic potential of EA-4 in comparison to ATRA, as to their ability to provoke micronucleus (MN) generation, due to both chromosome breakage and chromosome delay. Micronuclei originate from chromosome fragments or whole chromosomes, which lag behind at anaphase during nuclear division. According to our knowledge, there is no information on the ability of all-trans retinoic acid (ATRA) to induce micronucleus formation. To investigate the ability of ATRA and its steroidal analogue EA-4 to enhance micronucleation on human lymphocytes cultured in vitro, the Cytokinesis Block MicroNucleus (CBMN) assay was conducted. By this assay, the cytotoxic effect of the two retinoids was also estimated. To clarify the mechanism by which micronuclei are generated due to ATRA and EA-4 treatment, CBMN was combined with Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) using an α-satellite pancentromeric probe to detect centromere inclusion and thus intact chromosome(s) in micronuclei or acentric chromosome fragments. ATRA and EA-4 were shown to be cytotoxic by decreasing CBPI (Cytokinesis Block Proliferation Index) to statistically significant levels in relation to untreated cells. A statistically significant increase in micronucleus frequency was also observed for both investigated compounds. ATRA generated micronuclei mainly via chromosome breakage while a mild effect on chromosome delay was also apparent. On the other hand, EA-4 generated micronuclei exclusively via chromosome breakage. To verify ATRA and EA-4 genotoxicity, micronucleation was investigated in a second biological system coming from a different organism, C2C12 mouse cells. Micronucleus analysis was achieved by α-tubulin/CREST immunostaining for the visualization of microtubules and the detection of kinetochore inside micronuclei and hence the inclusion of whole chromosome(s) or acentric chromosome fragments. Additionally the effect of ATRA and EA-4 on cell proliferation was investigated by the estimation of Mitotic Index (M.I.). We found that ATRA and EA-4 exerted cytotoxic activity in C2C12 mouse cells by reducing the cell proliferation rate at significant levels, as evaluated by the decrease of M.I. A statistically significant elevation in the frequency of interphase cells with micronuclei was shown. CREST analysis confirmed the clastogenic activity of the studied retinoids that was indicated in human lymphocytes. Micronucleation due to ATRA was mediated mainly by chromosome breakage and in a lesser extent by chromosome delay. EA-4 was shown to induce chromosome breakage as well as chromosome delay, as opposed to human lymphocytes at which only clastogenic effect was shown. These observations suggest that, ATRA and EA-4 are able to provoke chromosome fragmentation, but additionally and in a lesser extent to disturb chromosome segregation at anaphase due to chromosome lagging. Cell cycle analysis showed that ATRA and EA-4 accumulated cells at ana-telophase. The analysis of ana-telophases revealed micronucleation, nucleoplasmic bridges and multinucleation, phenomena that may explain the dual genetic activity of ATRA and EA-4. Multinucleated and multimicronucleated interphase cells were also apparent, the second ones generated due to both chromosome delay and breakage. To further investigate the mechanism of genotoxic activity of ATRA and EA-4 we proceeded our research on two axes based on their aneugenicity and clastogenicity. Thus we studied the effect of ATRA and EA-4: i) on the integrity of mitotic spindle, as a target of aneugens by using double immunofluorescence staining of β- and γ-tubulin in C2C12 mouse cell line, which is a convenient system to apply this experimental procedure, and ii) to investigate the ability of the studied retinoids to induce double-strand breaks on DNA by using neutral Single Cell Gel Electrophoresis (SCGE assay-Comet assay) in two different cell lines, C2C12 mouse cells and HL-60 human leukemic cells. Analysis of mitotic spindle has shown that the studied retinoids affect chromosome orientation during metaphase by inducing bipolar metaphases with non-congressed genetic material due to abnormal microtubule network. In addition defects on centrosome duplication and/or separation were observed due to the presence of monopolar metaphases. Ana-telophases as well as interphases with supernumerary centrosomes were also apparent. Additionally, interphase cells with abnormal microtubule network were observed. The above findings may explain aneugenic as well as clastogenic activity of the studied retinoids. Comet assay revealed that ATRA and its steroidal analogue EA-4 provoke DNA migration due to double strand DNA fragmentation in both C2C12 mouse cells and HL-60 human leukemic cells. EA-4 was shown to be the stronger inducer of DNA fragmentation. These results confirm the findings from FISH and CREST analysis indicating that the studied retinoids show high clastogenic activity. . Taking into account the above, we may say that our findings clarify the cytotoxic and genotoxic activity of retinoic acid and the mechanism of its action by indicating its ability to induce chromosome breakage via double-strand DNA breaks and secondary its ability to provoke chromosome delay due to defects in microtubule network and mitotic spindle integrity. / Η βιταμίνη Α και οι μεταβολίτες της, ρετινόλη και ρετινοϊκό οξύ είναι ισχυροί παράγοντες για τη ρύθμιση σημαντικών λειτουργιών, όπως της κυτταρικής ανάπτυξης, διαφοροποίησης και άλλων. Τα ρετινοειδή είναι γνωστά για την μεταλλαξιγόνο αλλά και αντιμεταλλαξιγόνο δράση τους, αν και έχουν αναφερθεί αντικρουόμενα ευρήματα. Το all-trans ρετινοϊκό οξύ (ATRA) χρησιμοποιείται στη θεραπεία πολλών ασθενειών, όπως η ακμή, ψωρίαση, ιχθύωση, αλλά και στη θεραπεία κακοηθειών όπως η μυελογενής λευχαιμία. Συχνά σε περιπτώσεις όπου το ATRA αποτελεί τη βασική θεραπεία παρατηρούνται υποτροπιάσεις Έτσι, η κατανόηση του μηχανισμού δράσης του ATRA στα κύτταρα θα αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο για την ανάπτυξη νέων, ισχυρών και μη-τοξικών θεραπευτικών παραγόντων προερχόμενων από αυτό. Το EA-4 είναι ένα πρόσφατα συντεθέν στεροειδικό ανάλογο του ATRA, που θεωρείται υποσχόμενος παράγοντας για την αναστολή της ανάπτυξης ανθρώπινων λευχαιμικών κυττάρων. Η μελέτη της γονιδιοτοξικότητας αποτελεί σημαντική παράμετρο για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών παραγόντων. Οι γονιδιοτοξικές επιπτώσεις αντικαρκινικών φαρμάκων σε μη-καρκινικά κύτταρα είναι ιδιαίτερης σημασίας, και αποτελούν πιθανή αιτία εμφάνισης δευτερογενών όγκων σε ασθενείς. Έτσι, είναι σημαντικό να μελετηθεί η γονιδιοτοξική δράση ενός φαρμάκου που θα χρησιμοποιηθεί στη χημειοθεραπεία. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, θεωρήθηκε ενδιαφέρον να εκτιμηθεί η γονιδιοτοξικότητα του EA-4 σε σύγκριση με το ATRA ως προς την ικανότητά τους να προκαλούν την εμφάνιση μικροπυρήνων (MN) είτε μέσω της χρωμοσωματικής θραύσης είτε μέσω της χρωμοσωματικής καθυστέρησης. Οι μικροπυρήνες προέρχονται από χρωμοσωματικά θραύσματα ή ολόκληρα χρωμοσώματα, τα οποία καθυστερούν κατά την ανάφαση της μείωσης ή της μίτωσης. Σύμφωνα με όσα μέχρι σήμερα γνωρίζουμε, δεν φαίνεται να υπάρχουν στοιχεία που αφορούν την ικανότητα του all-trans ρετινοϊκού οξέος (ATRA) να επάγει το σχηματισμό μικροπυρήνων. Για τη διερεύνηση της ικανότητας του ATRA και του στεροειδικού αναλόγου του EA-4 να επάγει την εμφάνιση μικροπυρήνων, πραγματοποιήθηκε η μέθοδος αναστολής της κυτταροκίνησης (CBMN assay) σε ανθρώπινα λεμφοκύτταρα in vitro. Με την ίδια μέθοδο εκτιμήθηκε και η κυτταροτοξικότητα των δύο ρετινοειδών. Για την διευκρίνιση του μηχανισμού δημιουργίας των μικροπυρήνων από τη δράση των ATRA και EA-4, η μέθοδος CBMN συνδυάστηκε με την in situ υβριδιποίηση με φθοροχρώματα (FISH) και χρήση α-δορυφορικού (α-satellite) πανκεντρομερικού ανιχνευτή για την επισήμανση του κεντρομέρους και την ανίχνευσή του σε μικροπυρήνες. Η παρουσία σήματος υβριδοποίησης στους μικροπυρήνες υποδηλώνει την ύπαρξη άθικτου χρωμοσώματος στο εσωτερικό τους. Το αντίθετο υποδεικνύει την παρουσία άκεντρου χρωμοσωματικού θραύσματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο χημικές ενώσεις προκαλούν στατιστικά σημαντική αύξηση της συχνότητας των μικροπυρήνων Το ATRA οδηγεί στην δημιουργία μικροπυρήνων κυρίως μέσω χρωμοσωματικής θραύσης, και σε ηπιότερο βαθμό μέσω χρωμοσωματικής καθυστέρησης. Αντίθετα, το EA-4 επάγει το σχηματισμό μικροπυρήνων αποκλειστικά μέσω χρωμοσωματικής θραύσης. Επίσης το ATRA και το EA-4 παρουσάζουν ισχυρή κυτταροτοξικότητα, όπως φάνηκε από τη στατιστικά σημαντική μείωση του κυτταρικού δείκτη πολλαπλασιασμού (CBPI), σε σύγκριση με τις καλλιέργειες του μάρτυρα. Προκειμένου να επιβεβαιωθεί η γονιδιοτοξικότητα του ATRA και του EA-4, διερευνήθηκε η ικανότητά τους να προκαλούν αυξημένες συχνότητες μικροπυρήνων σε ένα δεύτερο βιολογικό σύστημα, την κυτταρική σειρά ποντικού C2C12. Η ανάλυση των MN πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο διπλού ανοσοφθορισμού α-τουμπουλίνης/CREST, για την ανίχνευση σήματος κινητοχώρου στο εσωτερικό του μικροπυρήνα κι έτσι την παρουσία ολόκληρου χρωμοσώματος. Επίσης,η κυτταροτοξικότητα τους διερευνήθηκε με την εκτίμηση του μιτωτικού δείκτη. Με τη ίδια μέθοδο αναλύθηκε η πρόοδος του κυτταρικού κύκλου. Παρατηρήθηκε ότι το ATRA και το EA-4 παρουσιάζουν κυτταροτοξική δράση στα κύτταρα C2C12 μειώνοντας το ρυθμό κυτταρικού πολλαπλασιασμού σε στατιστικά σημαντικά επίπεδα. Επιπλέον αποκαλύφθηκε στατιστικά σημαντική αύξηση της συχνότητας κυττάρων με μικροπυρήνες. Η επισήμανση του κινητοχώρου επιβεβαίωσε τη θραυσματογόνο δράση των υπό μελέτη ρετινοειδών που παρατηρήθηκε στα ανθρώπινα λεμφοκύτταρα. Η δημιουργία μικροπυρήνων μέσω του ATRA ήταν αποτέλεσμα κυρίως χρωμοσωματικής θραύσης και σε μικρότερη έκταση χρωμοσωματικής καθυστέρησης, σε συμφωνία με τα ευρήματα από τα πειράματα στις καλλιέργειες ανθρώπινων λεμφοκυττάρων. Αντίθετα, παρατηρήθηκε ότι το EA-4, πλην της ισχυρής θραυσματογόνου δράσης, προκαλεί και χρωμοσωματική καθυστέρηση. Οι παρατηρήσεις αυτές υποδεικνύουν ότι το ATRA και το EA-4 είναι ισχυροί θραυσματογόνοι παράγοντες, αλλά σε μικρότερο βαθμό είναι ικανοί να διαταράξουν και τον χρωμοσωματικό αποχωρισμό κατά την πυρηνική διαίρεση. Η μελέτη του κυτταρικού κύκλου έδειξε ότι τόσο το ATRA και όσο και το EA-4 προκαλούν καθυστέρηση συσσωρεύοντας τα κύτταρα στα στάδια ανάφασης και τελόφασης της πυρηνικής διαίρεσης. Κύτταρα που συσσωρεύονται στα παραπάνω στάδια χαρακτηρίζονται από την εμφάνιση πυρηνοπλασματικών γεφυρών, την παρουσία περισσότερων του ενός πυρήνων, αλλά και την παρουσία μικροπυρήνων, φαινόμενα τα οποία είναι σύμφωνα με τη διττή γενετική δράση των ATRA και EA-4. Επίσης, παρατηρήθηκαν πολυπύρηνα μεσοφασικά κύτταρα και μεσοφασικά κύτταρα με πολλαπλούς μικροπυρήνες, με τον δεύτερο τύπο κυττάρων να προέρχεται τόσο από χρωμοσωματική θραύση όσο και από χρωμοσωματική καθυστέρηση. Έτσι, φαίνεται ότι τα δύο υπό μελέτη ρετινοειδή μπορούν να χαρακτηρισθούν μόρια με θραυσματογόνες αλλά και ανευπλοειδογόνες ιδιότητες. Για τη λεπτομερέστερη ανάλυση του μηχανισμού δράσης του ATRA και του EA-4 σχεδιάσθηκαν πειράματα σε δύο βασικούς άξονες που αφορούσαν την περαιτέρω μελέτη τόσο της ανευπλοειδογόνου όσο και της θραυσματογόνου δράσης τους. Έτσι, μελετήθηκε η επίδραση του ATRA και του EA-4 αντίστοιχα ως προς: α) την ακεραιότητα της μιτωτικής συσκευής, η οποία αποτελεί κυτταρικό στόχο ανευπλοειδογόνων ενώσεων. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στην κυτταρική σειρά C2C12, μέσω της μεθόδου διπλού ανοσοφθορισμού για τη β- και γ-τουμπουλίνη, δομικά στοιχεία των μικροσωληνίσκων και του κεντροσώματος, και β) την δημιουργία δίκλωνων ρηγμάτων στο DNA μέσω της μεθόδου ηλεκτροφόρησης μοναδιαίων κυττάρων (SCGE assay-Comet assay) σε δύο διαφορετικές κυτταρικές σειρές, στα κύτταρα ποντικού C2C12 και στα λευχαιμικά κύτταρα ανθρώπου HL-60. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι τα υπό εξέταση ρετινοειδή επηρεάζουν τον χρωμοσωματικό προσανατολισμό κατά τη μετάφαση με την εμφάνιση διπολικών μεταφάσεων με τα χρωμοσώματα μη-διατεταγμένα στο ισημερινό πεδίο, λόγω ανωμαλιών του δικτύου των μικροσωληνίσκων. Επίσης, φάνηκε ότι προκαλούν ανωμαλία στον πολλαπλασιασμό και πιθανόι στον αποχωρισμό των κεντροσωμάτων, παρατήρηση που δικαιολογείται από την παρουσία μονοπολικών μεταφάσεων, καθώς και ανάτελοφάσεων αλλά και μεσοφασικών κύττάρων με υπεράριθμο κεντροσωματικό αριθμό. Επιβεβαιώθηκε επίσης η επίδρασή τους στην πορεία του κυτταρικού κύκλου με συσσώρευση των κυττάρων στα στάδια ανάφασης-τελόφασης. Επιπρόσθετα, φάνηκε ότι το ΕΑ-4, στη μεγαλύτερη συγκέντρωση, διακόπτει τον κυτταρικό κύκλο στο στάδιο της μετάφασης. Παράλληλα, παρατηρήθηκε διαταραχή στη δομή του δικτύου των μικροσωληνίσκων. Όλα τα παραπάνω ευρήματα ερμηνεύουν τόσο την ανευπλοειδογόνο όσο και τη θραυσματογόνο δράση των δύο ρετινοειδών. Με τη μέθοδο ηλεκτροφόρησης μοναδιαίων κυττάρων δείχθηκε ότι το ATRA και το στεροειδικό του ανάλογο EA-4 προκάλεσαν τη δημιουργία «κομητών», δηλαδή πυρήνων με ανώμαλη μορφολογία μέσω του σχηματισμού δίκλωνων θραυσμάτων DNA. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε τόσο στα κύτταρα ποντικού C2C12 όσο και στα λευχαιμικά κύτταρα ανθρώπου HL-60, με το EA-4 να παρουσιάζει ισχυρότερη επαγωγή θραύσης του DNA. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τα ευρήματα των μεθόδων FISH και CREST, υποδεικνύοντας ότι τα υπό εξέταση ρετινοειδή παρουσιάζουν ισχυρή θραυσματογόνο δράση. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, μπορούμε να ισχυριστούμε ότι τα ευρήματά μας διευκρινίζουν την κυτταροτοξική και γονιδιοτοξική δράση του ρετινοϊκού οξέος. Υποδεικνύουν ιδιότητες ισχυρώς θραυσματογόνων παραγόντων μέσω δημιουργίας δίκλωνων ρηγμάτων στο DNA των κυττάρων. Δευτερογενώς μπορούν να χαρακτηρισθούν ως ήπιες ανευπλοειδογόνες ενώσεις που προκαλούν ανώμαλο χρωμοσωματικό αποχωρισμό μέσω ανωμαλιών τόσο του δικτύου των μικροσωληνίσκων όσο και της ακεραιότητα της μιτωτικής συσκευής.

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε γονιδιωματική ανάλυση της επίδρασης αντιψωριασικών φαρμάκων σε καλλιέργειες ανθρώπινων κερατινοκυττάρων με τη χρήση μικροσυστοιχιών DNA. Σε καλλιέργειες κυττάρων HaCaT χορηγήθηκαν τα παράγωγα του ρετινοϊκού οξέος all-trans retinoic acid (ATRA) και acitretin, σε διαβαθμισμένες δόσεις, προκειμένου να διαπιστωθεί η επίδραση τους στα κύτταρα. Μελετήθηκε η βιωσιμότητα των κυττάρων με τις δοκιμασίες της χρωστικής Trypan Blue και ΜΤΤ. Επιλέχθηκαν δύο συγκεντρώσεις (10^-6 και 10^-8 Μ) των φαρμάκων που αντιστοιχούσαν σε βιωσιμότητα κυττάρων περίπου 80%, οι οποίες χορηγήθηκαν εκ νέου σε καλλιέργειες κυττάρων HaCaT. Τα κύτταρα συλλέχθηκαν, έγινε εκχύλιση του RNA και έλεγχος της ποιότητας του με ηλεκτροφόρηση (Bioanalyzer). Το RNA χρησιμοποιήθηκε για την in vitro μεταγραφή cDNA που σημάνθηκε με φθοριοχρώματα και άμεσα ακολούθησε υβριδισμός σε πλακίδιο μικροσυστοιχιών (OneArray) το οποίο περιείχε ανιχνευτές για όλο το ανθρώπινο γονιδίωμα μαζί με τους κατάλληλους μάρτυρες. Σε κάθε πλακίδιο υβριδίστηκαν ταυτόχρονα cDNA από κύτταρα στα οποία είχε χορηγηθεί ρετινοειδές και κύτταρα στα οποία δεν είχε χορηγηθεί. Η επεξεργασία των δεδομένων της σαρώσεως με ειδικό λογισμικό ανέδειξε 700 περίπου γονίδια που ρυθμίζονται θετικά ή αρνητικά σε στατιστικά σημαντικό βαθμό. Για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις μικροσυστοιχίες, επιλέχθηκαν 34 γονίδια τα οποία συμμετέχουν σε βασικές βιολογικές διεργασίες όπως πρωτεϊνοσύνθεση, κυτταρική σηματοδότηση, πολλαπλασιασμός, κυτταρική διαφοροποίηση, κυτταρικός θάνατος, φλεγμονή. Επιπρόσθετα, επιλέχθηκαν 22 γονίδια τα οποία έχουν επίσης κομβικό ρόλο σε σηματοδοτικά μονοπάτια και κυτταρικές λειτουργίες. Η επιλογή αυτή έγινε για να μελετηθεί πιο σφαιρικά η επίδραση των φαρμάκων σε βασικούς κυτταρικούς μοριακούς μηχανισμούς. Στο σύνολο των επιλεγμένων γονιδίων έγινε ποσοτική Real-Time PCR και για το σκοπό αυτό έγινε σχεδιασμός ειδικών εκκινητών. Η qRT-PCR εν τέλει, επιβεβαίωσε τα αρ-χικά αποτελέσματα από τα microarrays. Διαπιστώθηκε ότι η κυτταρική απόκριση στη χορήγηση των ρετινοειδών, εξειδικευμένα για κάθε δραστική ουσία και για κάθε δόση δεν είναι μονοσήμαντη, αλλά ότι ταυτόχρονα επάγονται λειτουργικά μονοπάτια με διαφορετικούς ρόλους. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η μεταβολή κατά δύο τάξεις μεγέθους της δόσης που προσλαμβάνουν τα κύτταρα επάγει αντίρροπες κυτταρικές αποκρίσεις. Συγκεκριμένα, η ολιστική προσέγγιση της μεταβολής της γονιδιακής έκφρασης ανέδειξε ότι η χορήγηση ATRA σε συγκέντρωση 10^-6Μ στις κυτταροκαλλιέργειες ευνοεί την πρωτεϊνοσύνθεση και την διαφοροποίηση των κυττάρων ενώ ασκεί αντιφλεγμονώδη δράση. Η χορήγηση της δραστικής ουσίας ATRA στη δόση 10^-8Μ ευνοεί τη διαφοροποίηση των κυττάρων HaCaT σε μεγαλύτερο βαθμό από τον πολλαπλασιασμό τους. Επιπλέον, φαίνεται ότι σε αντίθεση με τη μεγαλύτερη δόση, ευνοείται η σύνθεση μορίων που επάγουν την φλεγμονή. Παρόμοια, η ασιτρετίνη στη δόση 10^-6Μ ευνοεί τη διαφοροποίηση των κυττάρων και την σύνθεση μορίων που επάγουν τη φλεγμονή. Η ασιτρετίνη στην μικρότερη δόση (10^-8 Μ) ευνοεί κύρια την διαφοροποίηση, λιγότερο τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων και φαίνεται ότι προάγει σε σημαντικό βαθμό την απόπτωση. Οι μεγαλύτερες δόσεις των ρετινοειδών που μελετήθηκαν φαίνεται ότι είναι απαγορευτικές για τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων σε αντίθεση με τις μικρότερες δόσεις. Επισημαίνεται ότι για τη θεραπεία της ψωρίασης όπου χρησιμοποιούνται, επιθυμητές δράσεις είναι η παραγωγή μορίων με αντιφλεγμονώδη δράση, ο περιορισμός του αυξημένου κυτταρικού πολλαπλασιασμού, αύξηση της κυτταρικής απόπτωσης και τέλος πολύ ση-μαντικό είναι η επιτυχής περάτωση της διαφοροποίησης των κυττάρων. Συμπερασματικά, η χρήση τεχνικών υψηλής απόδοσης, κύρια των μικροσυστοιχιών cDNA που επιτρέπουν την εκτεταμένη μελέτη του γονιδιώματος και της qRT-PCR για πιο στοχευμένη μελέτη, μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην εξακρίβωση μοριακών μηχανισμών. / In the current project we performed gene expression profiling, using cDNA microarrays, when specific doses of derivatives of retinoic acid were applied in HaCaT cell culture. These specific drugs are used in the treatment of psoriasis but their exact effect in molecular level remains elusive. All-trans retinoic acid and acitretin were applied in gradient doses. Cell viability was monitored using MTT and Trypan blue assays. Two specific doses (10^-6 & 10^-8 M), in which cell viability was approximately 80%, were chosen for the treatment of HaCaT cells. Subsequently, the treated cells were collected and RNA was extracted using standard methods. At a next step, RNA quality was examined by electrophoresis (Bioanalyzer) and spectrometry. High quality RNA showing no traces of degradation was used as template for in vitro transcription. Finally, synthesis of fluoro-labeled cDNA was performed from RNA derived from both treated and untreated samples and was immediately hybridized to DNA microarray slides (OneArray). Analysis of the hybridization data was performed using specific software. As a result, 700 genes (both up-regulated and down-regulated) were chosen for further analysis. Among them, 34 genes were chosen to validate the microarrays results by the use of quantitative Real-Time PCR. These genes appeared to play crucial role in basic cellular functions like protein synthesis, signal transduction, cell death, cell differentiation and proliferation. Furthermore, 22 additional essential genes that are related to the above processes were chosen in aim to examine drugs effects. The data processing revealed that the 10^-6 M dose of ATRA has a positive effect in protein synthesis, cell differentiation and anti-inflammatory action. Moreover ATRA at a concentration of 10^-8 M promotes differentiation more than proliferation and it has inflammatory effect as well as acitretin has in 10^-6 M dose. On the other, hand acitretin in 10^-8 M dose facilitates differentiation more than proliferation but mainly induces cell death. Generally, high doses (10-6 M) of the drugs inhibit cell proliferation more efficient than low doses (10-8 M). In fact, during psoriasis treatment, the anti-inflammatory action, inhibition of cell proliferation, induction of cell differentiation and cell death are considered desirable drug effects. Our study shows that cDNA microarray analysis represents a powerful tool that can be used for extended genomic studies and the results that are obtained can be validated and used for the elucidation of several molecular mechanisms.