Der brustgewebsspezifische Metabolismus des weiblichen Sexualhormons 17β-Estradiol (E2) spielt eine wichtige Rolle bei der Brustkrebsentstehung. In der Brust wird E2 durch die humanen Cytochrom P450-abhängigen Monooxygenasen (CYP) Isoenzyme 1A1 (hCYP1A1) und 1B1 (hCYP1B1) zu 2-Hydroxy (2-OH) und 4-HO-E2 oxidiert und vorrangig durch die Catechol-O-Methyltransferase (COMT) entgiftet. Bei unzureichender O-Methylierung können diese Catecholestrogene zu elektrophilen Chinonen oxidiert werden, welche mit der DNA reagieren und somit Mutationen induzieren können. Eine niedrige COMT-Aktivität, durch Polymorphismen und/oder durch Nahrungsbestandteile, die mit dem Enzym selbst oder seiner Genexpression wechselwirken, könnte daher die Mutagenität von E2 und dessen Catecholestrogenen beeinflussen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Hemmung der COMT-Aktivität auf die Mutagenität von E2 und dessen Catecholestrogenen untersucht. Zu diesem Zweck wurden der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase (HPRT)-Test und der Mikrokern-Test eingesetzt. Die Untersuchungen erfolgten in kultivierten Lungenfibroblasten des Chinesischen Hamsters (V79-Zellen) und in V79-Zellen, die mit hCYP1A1 transfiziert wurden. Begleitend zu den Mutagenitätsuntersuchungen wurde das Metabolitenprofil der Testsubstanzen anhand von Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie bestimmt. Nach Inkubation mit 0,08 µM 2 HO-E2 wurde dieses vollständig zu dessen Methylcatecholen umgesetzt, ab 2,5 µM hingegen war zusätzlich 2 HO-E2 im Medium nachweisbar. Demnach war die Hemmung der COMT-Aktivität bei der Inkubation mit 0,08 µM 2 HO-E2 vollständig und ab 2,5 µM partiell. Mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität war 2 Methoxyestradiol der Hauptmetabolit. 2-HO-E2 induzierte im Konzentrationsbereich 0,08 µM - 5 µM, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, keine Erhöhung der Mutantenfrequenz im hprt-Lokus von V79-Zellen. Im Gegensatz hierzu induzierte 2 HO-E2 ab 2,5 µM, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, mindestens eine Verdreifachung der Mikrokernrate im Vergleich zur Kontrollpopulation, wobei dieser Effekt ohne Inhibierung der COMT-Aktivität stärker ausgeprägt war. Über den gesamten getesteten Konzentrationsbereich (5 - 40 µM) wurde 4 HO-E2 zu dessen beiden Methylcatecholen umgesetzt, wobei 4-Methoxyestradiol den größten Anteil der detektierten Verbindungen (≥ 86%) ausmachte. Nach der Behandlung mit 3,5-Dinitrocatechol waren keine Methylierungsprodukte mehr nachweisbar, weswegen von einer vollständigen Hemmung der COMT-Aktivität im gesamten getesteten Konzentrationsbereich auszugehen war. 4-HO-E2 induzierte über den gesamten getesteten Konzentrationsbereich keine Genmutationen im hprt-Lokus. Erst nach Hemmung der COMT-Aktivität und Behandlung mit 20 µM 4 HO-E2 wurde eine Verdreifachung der Mutantenfrequenz im Vergleich zur Kontrollpopulation beobachtet. Mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität induzierte 4 HO E2 ab 20 µM eine Verdopplung der Mikrokernrate im Vergleich zur Kontrollpopulation. Im Kulturmedium der V79 hCYP1A1-Zellen, die mit 0,1 und 1 µM E2 für bis zu drei Wochen behandelt wurden, machten über die gesamte Versuchsdauer E2 (> 86%) und Estron (> 10%, bezogen auf die Summe aller Peakflächen) den größten Anteil der detektierten Verbindungen aus. Wie erwartet, waren nach Hemmung der COMT-Aktivität keine Methylierungsprodukte mehr nachweisbar. Die durchgehende, zwei- und dreiwöchige Behandlung mit jeweils 0,1 und 1 µM E2 bewirkte keine Induktion von Genmutationen im hprt-Lokus. Demgegenüber erhöhte sich die Mutantenfrequenz nach Hemmung der COMT-Aktivität und dreiwöchiger Behandlung mit 0,1 µM E2 um Faktor 4 im Vergleich zur Kontrollpopulation. Was die Mikrokerninduktion betrifft, so wurde nach 24-stündiger Inkubation mit 0,1 und 1 µM E2, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, keine Erhöhung der Mikrokernrate im Vergleich zur Kontrollpopulation beobachtet. Über die gesamte Dauer der Mutagenitätstests von E2 und dessen Catecholestrogenen unterschieden sich die Zellzyklusverteilung, die Wachstumskurven und die Koloniebildungsfähigkeit zum Zeitpunkt der Selektion, mit und ohne Hemmung der COMT-Aktivität, nicht statistisch signifikant von denjenigen der Kontrollpopulationen. Demnach war von einer sicheren Detektion von Mutationen im HPRT-Test und im Mikrokerntest auszugehen. Zusammenfassend bestätigen die durchgeführten Untersuchungen, dass die zelluläre COMT-Aktivität eine essentielle Rolle zur Entgiftung mutagener Catecholestrogene spielt. Eine hundertprozentige Inhibierung der Aktivität dieses Enzyms führt zur Induktion von Genmutationen durch 4 HO-E2 in V79-Zellen ohne CYP-Aktivität und durch E2 in V79-Zellen, die hCYP1A1 exprimieren. Demnach könnte eine Reduktion der COMT-Aktivität durch Polymorphismen und/oder durch Nahrungsbestandteile, die mit dem Enzym selbst oder seiner Genexpression wechselwirken, die Induktion von Genmutationen durch E2 und dessen Catecholestrogenen begünstigen. / Oxidative metabolism of the female sex hormone 17β-estradiol (E2) is considered to play a major role in the initiation of hormone-induced carcinogenesis. In extrahepatic tissues, E2 undergoes metabolic activation by human cytochrome P450-dependent monooxygenase (CYP) isozymes 1A1 (hCYP1A1) and 1B1 (hCYP1B1) to 2-hydroxy (HO)- and 4-HO-E2. If not conjugated these catecholestrogens can further oxidize to electrophilic quinones, which may react with DNA and induce thereby mutations. Conjugation of these catechols in extrahepatic tissues is mainly catalyzed by catechol-O-methyltransferase (COMT). A low COMT activity, caused for example by polymorphisms and certain food components, which influence the enzyme activity or its gene expression, may therefore enhance quinone formation and thereby the induction of mutations. The aim of the present work was to determine the effect of inhibition of COMT on the mutagenic potential of a) the catechols 2- and 4-HO-E2 in V79 wild type cells without CYP activity and b) E2 in V79 cells expressing hCYP1A1. 3,5-dinitrocatechol (20 μM) served as COMT inhibitor. Gene and chromosomal mutations were assessed using the hypoxanthine-guanine-phosphoribosyltransferase (HPRT) and the micronuclei assay. In addition, the metabolite profile of E2 and its catechols in the culture medium was analyzed via gas chromatography/mass spectrometry. After incubation of V79 cells with 2-HO-E2, 2-methoxyestradiol was the major metabolite, whereas in the presence of the COMT inhibitor, disappearance (0.08 μM) and a decreased amount (2.5 μM or more) of methylated inactivation products was observed. Treatment of V79 cells with 0.08 μM – 5 μM 2-HO-E2, neither with nor without inhibition of COMT activity induced a significant increase in mutant frequency at the hprt locus. In contrast, at concentrations above or equal to 2.5 μM 2-HO-E2, at least a 3-fold increase of the micronuclei rate compared to control cells was observed with and without inhibition of COMT activity. Over the entire concentration range (5-40 μM) 4-HO-E2 was mainly converted to its methylation products, 4-methoxyestradiol being the major metabolite (≥ 86%) of the detected compounds. After treatment with 3,5-dinitrocatechol no methylation products were detected, thus indicating a complete inhibition of COMT over the entire concentration range. 4-HO-E2 did not induce gene mutations at the hprt locus in V79 cells with active COMT. Yet, after inhibition of COMT and treatment with 20 μM 4-HO-E2, a 3-fold increase in the mutant frequency was observed in comparison to control cells. Like 2-HO-E2, induction of micronuclei by 20 µM 4-hydroxyestradiol and more, was not affected by inhibition of COMT. In the culture medium of V79 cells expressing hCYP1A1, which were incubated with 0.1 and 1 μM E2 for up to three weeks, over the entire assay duration, E2 and estrone (86% and 10% of the sum of all peak areas, respectively) were the major metabolites. As expected, no methylation products were detected after inhibition of COMT. Treatment of V79 cells expressing hCYP1A1, for two and three weeks with 0.1 and 1 μM E2 did not induce gene mutations at the hprt locus. In contrast, a 4-fold increase in mutant frequency was observed in comparison to control cells after inhibition of COMT and treatment with 0.1 μM E2 for three weeks. With and without inhibition of COMT, no increase in micronuclei rate compared to control cells was observed after incubation with 0.1 and 1 μM E2 for 24 hours. Over the entire duration of the mutagenicity assays of E2 and its catechols, cell cycle distribution, cell growth and plating efficiency at the time of mutant selection, with and without inhibition of COMT, did not differ statistically significant from control cells; therefore a reliable detection of mutations in the micronuclei and the HPRT assay can be assumed. The present work confirms that cellular COMT is essential for the inactivation of mutagenic catechols. Complete inhibition of its enzyme activity results in the induction of gene mutations by 4-HO-E2 in V79 wildtype cells without CYP activity and also by E2 in cells expressing hCYP1A1. Polymorphisms and food components lowering COMT activity could therefore mediate the potential of E2 and its metabolites to induce gene mutations.

<P align=justify>Aromatische Amine und Amide (aAA) sind aufgrund ihrer starken Verbreitung in der menschlichen Umwelt und ihres kanzerogenen Potenzials von großer toxikologischer Bedeutung. Die Kanzerogenität der aAA wird durch die Mutagenität hochreaktiver Stoffwechselprodukte vermittelt, die in zwei sequenziellen katalytischen Reaktionen entstehen. Die erste ist meistens eine <I>N</I>-Hydroxylierung, die oft durch Cytochrom P450 1A2 (CYP1A2) katalysiert wird. Daran schließt sich eine <I>O</I>-Konjugation durch Sulfotransferasen (SULT) oder <I>N</I>-Acetyltransferasen (NAT) an. Die Bioaktivierung ist ein kritischer Parameter für die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Tiermodellen auf den Menschen. </P><P align=justify>Rekombinante <I>in vitro</I> Systeme, die fremdstoffmetabolisierende Enzyme verschiedener Spezies exprimieren, ermöglichen die vergleichende Untersuchung der Bioaktivierung im Menschen und in Versuchstieren. Ziel des Projektes war die Aufklärung der Bioaktivierung der aAA durch humane Enzyme. Im Vordergrund stand die Untersuchung der Rolle humaner SULT in diesem Prozess. Es wurden rekombinante <I>in vitro</I> Systeme, konstruiert, die CYP1A2 und SULT des Menschen koexprimieren. SULT-cDNAs wurden in den Säugerzell Expressionsvektor pMPSV kloniert und in Standardindikatorzellen für Mutagenitätsuntersuchungen (V79 Zellen aus dem Chinesischen Hamster) transfiziert. Das Expressionsniveau von CYP1A2 und SULT wurde mittels Immunblotanalyse und radiometrischen Aktivitätsmessungen charakterisiert. In den rekombinanten Zellen wurden vier aAA als Modellsubstanzen (2-Acetylaminofluoren, 2-Aminoanthracen, 3&prime;-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol, 2,4-Diaminotoluol) auf ihre Mutagenität am <I>hprt</I>-Locus hin untersucht.</P><P align=justify>Die aAA waren in Zellen, die keine rekombinanten Enzyme oder lediglich CYP1A2 exprimierten, nicht mutagen. In Zellen, die CYP1A2 und SULT der Subfamilie 1A koexprimierten, erzeugten sie bereits in geringen Konzentrationen klare mutagene Effekte (0,3 &#181;M für 2-Acetylaminofluoren <br /> und 3&prime;-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol; 0,1 &#181;M für 2-Aminoanthracen; 10 &#181;M für 2,4-Diaminotoluol). Die stärkste Aktivierung von 2-Acetylaminofluoren und 3&prime;-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol erfolgte in der Zelllinie, die CYP1A2 und SULT1A2 koexprimierte; die stärkste Aktivierung von 2,4-Diaminotoluol und 2-Aminoanthracen erfolgte in der Zelllinie, die CYP1A2 und SULT1A1 koexprimierte. </P><P align=justify>Sowohl SULT1A1 als auch SULT1A2 sind im Menschen genetisch polymorph. Ein unterschiedlich starkes Aktivierungspotenzial der Alloenzyme könnte eine individuell unterschiedliche Suszeptibilität für die durch aAA ausgelöste Kanzerogenese bedingen. In HPRT-Mutationsuntersuchungen mit rekombinanten Zellen zeigten die allelischen Varianten der SULT1A2 starke Unterschiede in ihrem Aktivierungpotenzial. Nur in der Zelllinie, die das Alloenzym SULT1A2*1 mit CYP1A2 koexprimierte, wurde 2-Acetylaminofluoren zum Mutagen aktiviert. Zur Aktivierung von 3&prime;-Methyl-4-dimethylaminoazobenzol waren jedoch sowohl das Alloenzym SULT1A2*1 als auch das Alloenzym SULT1A2*2 in der Lage. Die Alloenzyme der SULT1A1 zeigten ein ähnlich gutes Aktivierungspotenzial für aAA. </P><P align=justify>In früheren Studien wurde gezeigt, dass die SULT1C1 der Ratte eine wichtige Rolle bei der Aktivierung der aAA in dieser Spezies spielt. Dahingegen war die humane SULT1C1 nicht in der Lage die untersuchten aAA zu aktivieren. Die Kenntnis solcher Spezieunterschiede könnte wichtig sein um unterschiedliche Organotropismen aAA in Menschen und Tiermodellen zu erklären, da SULT mit starker Gewebespezifität exprimiert werden und das Expressionsmuster für die einzelnen SULT-Formen in Menschen und Ratten sich stark unterscheidet.</P><br> / <P align=justify>Aromatic amines and amides (aAA) represent a group of chemicals with great toxicological importance due to their wide distribution in the environment and their carcinogenic potency. The carcinogenicity of aAA is mediated by the mutagenic action of highly reactive metabolites. They are frequently formed by <I>N</I>-hydroxylation of the exocyclic amino group, usually catalysed by cytochrome P450 1A2 (CYP1A2) and subsequent <I>O</I>-conjugation by phase-II enzymes e.g. sulfotransferases (SULT) or <I>N</I>-acetyltransferases. </P> <P align=justify>The bioactivation constitutes a critical parameter for the transfer of results from animal models on man. Recombinant <I>in vitro</I> systems expressing xenobiotic metabolizing enzymes of different species allow the comparative study of the bioactivation in humans and animal models. <BR>The aim of this project was to elucidate the bioactivation of aAA by human xenobiotic enzymes. The investigation focused on the role of SULT in this process. SULT-cDNAs were cloned into the mammalian expression vector pMPSV and transfected in V79 Chinese Hamster cells, which represent standard indicator cells for mutagenicity tests. Selected SULT-cDNAs were also co-expressed with human CYP1A2. These cells were able to catalyse internally both enzymatic reactions that are necessary for the bioactivation of aAA. The expression level of CYP1A2 and SULT in the co-expressing cell clones was characterised by immunoblot analysis and radiometric SULT-activity measurement. The mutagenicity of four aAA model compounds, 2-aminoanthracene, 2-acetylaminofluorene, 3'-methyl-4-dimethylaminoazobenzene and 2,4-diaminotoluene, at the <I>hprt</I> locus of the recombinant cell lines was investigated.</P><br /> <P align=justify>These aAA were not or only marginally mutagenic in wild type cells or in recombinant cells expressing CYP1A2 alone. If CYP1A2 was co-expressed with SULT forms of the 1A subfamily clear mutagenic effects occured in low concentrations of the aAA (0,3 &#181;M for 2-acetylaminofluorene and 3&prime;-methyl-4-dimethylaminoazobenzene; 0,1 &#181;M for 2-aminoanthracene; 10 &#181;M for 2,4-diaminotoluene). The strongest activation of 2-acetylaminofluorene and 3'-methyl-4-dimethylaminoazobenzene was mediated by SULTA2 and of 2-aminoanthracene and 2,4-diaminotoluene by SULT1A1. </P><br /> <P align=justify>SULT1A1 and SULT1A2 are expressed polymorphically in humans. Differences in the activation potency of distinct alloenzymes for aAA may cause divergent individual susceptibilities for cancer induced by aAA. Briefly, the allelic variants of SULT1A2 showed substantial differences regarding their activation potencies for the investigated aAA. Only alloenzyme SULT1A2*1 was able to activate 2-acetylaminofluorene to a mutagen whereas 3&prime;-methyl-4-di-methylaminoazobenzene was activated by alloenzymes SULT1A2*1 and SULT1A2*2. The investigated alloenzymes of SULT1A1 showed equal activation potencies for aAA. </P><br /> <P align=justify>In previous studies it had been shown that the SULT1C1 plays an important role in the activation of aAA in rats. However, the human SULT1C1 was not able to activate the investigated aAA in the study presented here. Such species differences might be important for the elucidation of divergent organotropisms of aAA in humans and animal models, since SULT are expressed with strong tissue specificities and the pattern of expression in humans and rats is severely different.</P><br>

Hohe Partikelemissionen und starke mutagene Wirkungen wurden nach der Verbrennung von Pflanzenöl in Dieselmotoren beobachtet. Diese Studie untersuchte die Hypothese, dass diese Ergebnisse durch die Menge der ungesättigten oder mehrfach ungesättigten Fettsäuren aus pflanzlichen Ölen beeinflusst werden und dass Mischungen aus Dieselkraftstoff und Pflanzenöl mutagen sind. Drei verschiedene Pflanzenöle (Leinöl, LÖ; Palmöl, PÖ; Rapsöl, RÖ), Mischungen von 20% Pflanzenöl und 80% Dieselkraftstoff (B20) und 50% Pflanzenöl und 50% Dieselkraftstoff (B50) sowie herkömmlicher Dieselkraftstoff (DK) wurden in einem Dieselmotoren verbrannt. Die Abgase wurde auf partikuläre Emissionen und die mutagene Wirkung im Vergleich zu Emissionen von DK untersucht. Der Motor wurde im European Stationary Cycle betrieben. Die Partikelmasse wurde gravimetrisch gemessen während die Mutagenität unter Verwendung des bakteriellen Rückmutationsversuchs mit Tester Stämmen TA98 und TA100 bestimmt wurde. Bei der Verbrennung von LÖ entstand die größte Partikelmasse (PM). Im Vergleich zu DK war die lösliche organische Fraktion (LOF) besonders hoch. RO präsentiert die zweithöchste PM und LOF, gefolgt von PÖ, die kaum über DK lag. B50 zeigte die niedrigste Menge an PM während B20 so hoch lag wie DK. RÖ zeigte die höchste Anzahl an Mutationen der Pflanzenöle gefolgt von LÖ. PÖ war weniger mutagen, aber immer noch stärker als DK. B50 zeigte ein höheres mutagenes Potential als B20. Während PM und LOF stark mit dem Gehalt an mehrfach ungesättigten Fettsäuren in den Pflanzenölen korrelierten hatte die Mutagenität eine signifikante Korrelation mit der Menge der gesamten vorhandenen ungesättigten Fettsäuren. Pflanzenölblends scheinen weniger mutagen als die reinen Öle zu sein und das mutagene Maximum im Vergleich zu Blends mit Biodiesel und DK verschobenen. Diese Studie unterstützt die Hypothese, dass die Zahl der Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäuren von Pflanzenölen Bei Verbrennung in Dieselmotoren die Menge der emittierten Partikel und die Mutagenität des Abgases beeinflussen. Das Maximum der Mutagenität verschiebt sich bei Pflanzenölblends im Vergleich zu Biodieselblends. Weitere Untersuchungen müssen die kausalen Zusammenhang aufzuklären und wo das Maximum der Pflanzenölblends liegt.

Gewässer sind Lebensgrundlage, jedoch gleichzeitig Schadstoffsenken für eine Vielzahl von Kontaminanten. Biologische Wirkungstests und das Biomonitoring aquatischer Proben sind daher besonders wichtig, um Umwelt-Gefahrenpotenziale erkennen zu können. Der "Comet Assay" (Einzelzell-Gelelektrophorese) ist ein Indikator von DNA-Strangbrüchen und wurde hier als Test auf gentoxische Wirkungen erprobt und angewandt. Mit bekannten, gentoxischen Substanzen wurden Nachweisgrenzen und Dosis-Wirkungs-Beziehungen für die Zelllinien RTG-2 und RTL-W1 (aus der Regenbogenforelle, Oncorhynchus mykiss) in vitro ermittelt und methodische Parameter an die Zellen angepasst. Der Test reagierte sehr sensitiv auf 4-Nitrochinolin-1-oxid. Die Substanz war daher geeignet, um in weiteren Versuchen als Positivkontrolle zu dienen. Zur Bewertung der Messdaten wurde ein geeignetes statistisches Verfahren gefunden, das auch historische Kontrollen mit einbezog. Der zeitliche Verlauf der DNA-Schädigung des Testsystems mit RTG-2-Zellen wurde ermittelt, und durch Inhibition der DNA-Reparatur mit Aphidicolin wurden Zusammenhänge zwischen der Entstehung von DNA-Strangbrüchen, der DNA-Reparaturkapazität sowie der Metabolisierungskapazität untersucht. In einer zweiten Phase wurden unbehandelte Wasserproben aus Rhein, Elbe sowie weitere Oberflächenwasserproben mit dem Comet Assay an RTG-2-Zellen getestet. Bei 15 von 49 Proben zeigten sich gentoxische Effekte. In einer dritten Phase wurden Erythrozyten von freilebenden Döbeln, Leuciscus cephalus, aus der Mosel mit dem Comet Assay untersucht. Die Fische von drei Messstellen zeigten erhöhte Werte von DNA-Schädigungen, gegenüber einer vierten, stromabwärts gelegenen Messstation. Korrelationen mit den Ergebnissen zusätzlicher Biomarker ergaben sich nur teilweise. Chemische Analysen von Wasser- oder Gewebeproben ließen keine Rückschlüsse auf verursachende Kontaminanten zu - gerade dies unterstreicht jedoch die Wichtigkeit biologischer Tests bei komplexen Proben. / Bodies of Water are both vital resources and pollutant sinks for a multitude of contaminants. Therefore, biological effect tests and biomonitoring of aquatic samples are of particular importance to detect potential environmental hazards. The "comet assay" (single cell gel electrophoresis) is an indicator for DNA strand breaks and was explored and applied as a genotoxicity test in the present study. Known genotoxic substances were used to determine the detection limits and dose-response relationships for the cell lines RTG-2 and RTL-W1 (from rainbow trout, Oncorhynchus mykiss) in vitro, and to adapt methodological parameters to the cells. The test was very sensitive to 4-Nitroquinoline-1-oxide. This substance was therefore well-suited to serve as positive control in further experiments. In order to evaluate the measurement data, an appropriate statistical procedure was developed, which also took "historical" controls into account. The time course of DNA damage in the test system using RTG-2 cells was determined, and relationships between the origin of DNA strand breaks, DNA repair capacity and the metabolizing capacity of the cells was investigated by means of inhibition of DNA repair with Aphidicoline. In the second stage, native water samples from the rivers Rhine and Elbe and further surface waters were tested with the comet assay, using RTG-2 cells. 15 out of 49 samples showed genotoxic effects. In a third stage, erythrocytes of feral chub, Leuciscus cephalus, from the Moselle river were examined with the comet assay. The fish from three measuring stations showed elevated values of DNA damage compared to fish sampled from a downstream station. There were only partly correlations with the results from additional biomarkers. Chemical analyses of water and tissue samples did not permit conclusions on effect-causing substances.However, this emphasizes the importance of biological tests in dealing with complex environmental samples.