Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Pyrrolizidinalkaloide (PA) sind sekundäre Pflanzenstoffe, welche über Nahrungsmittel in den menschlichen Organismus gelangen können. Zahlreiche Studien belegen, dass PA in der Leber verstoffwechselt und dabei in aktive genotoxische Metabolite umgewandelt werden. Diese verursachen vor allem in der Leber zelluläre Schäden, was sich klinisch in Form einer hepatischen venösen okklusiven Leberkrankheit, aber auch in der Entstehung von Tumoren zeigt. Die vorliegende Arbeit testet das genotoxische Potential der drei PA Lasiocarpin, Senecionin und Seneciphyllin anhand der Leberzelllinie Huh6 mit Hilfe des Mikrokerntests. Darüber hinaus wird die Wirkung von Lasiocarpin auf den intrazellulären Glutathion-Gehalt, die Superoxidproduktion und das mitochondriale Membranpotential analysiert. Zudem werden sowohl der eventuell negative Einfluss einer Glutathion Depletion, als auch die möglicherweise schützenden Effekte des pflanzlichen Antioxidans Delphinidin in Bezug auf die Genotoxizität von Lasiocarpin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass alle drei ausgewählten PA einen signifikanten Anstieg der Mikrokernfrequenz bewirken.Unsere Messungen zeigten für Lasiocarpin eine dezente Reduktion des Glutathion Gehalts. Dagegen führte eine Glutathion-Depletion in den Huh6 Zellen zu keiner Steigerung der Genotoxizität von Lasiocarpin. In Kombination mit dem Antioxidans Delphinidin zeigte sich für Lasiocarpin eine signifikante Reduktion der Mikrokernfrequenz. Abschließend ist anzumerken, dass in Zukunft vor allem die Wechselwirkung der PA untereinander und mit anderen (Pflanzen-)bestandteilen für eine verbesserte Risikoabschätzung der PA-Exposition untersucht werden sollte. / Pyrrolizidine alkaloids (PA) are secondary plant metabolites that can enter the human organism via food. Numerous studies showed that PA are metabolized in the liver and converted into active genotoxic metabolites. This causes cellular damage, particularly in the liver, which is clinically manifested in the "veno-occlusive-disease". It can also induce the development of tumors. This dissertation investigates the genotoxic potential of the three PA lasiocarpine, senecionine and seneciphylline in the liver cell line Huh6 using the micronucleus test. Furthermore, the effect of lasiocarpine on intracellular glutathione content, superoxide production and mitochondrial membrane potential are analyzed. In addition, the possible negative influence of glutathione depletion as well as the possible protective effects of the plant antioxidant delphinidin on the genotoxicity of lasiocarpine are investigated. It could be shown that all three selected PA cause a significant increase of the micronucleus frequency. Our measurements showed a small reduction of the glutathione content by treatment with lasiocarpine. In contrast, glutathione depletion in Huh6 cells did not lead to an increase in genotoxicity of lasiocarpine. In combination with the antioxidant delphinidin, micronucleus induction by lasiocarpine was reduced. In conclusion, it should be noted, that in the future, the interaction of different PA with each other, but also with other (plant-)components, should be investigated for an improved risk assessment of PA exposure.

PA sind natürliche Pflanzeninhaltsstoffe, die wegen ihres genotoxischen Potentials bekannt sind. Nach Applikation mikromolarer Konzentrationen können bei in vitro Untersuchungen von Leberzellen chromosomale Schäden detektiert werden. PA stehen im Verdacht nach Aufnahme bei Menschen hepatotoxische und kanzerogene Wirkungen nach sich zu ziehen. In dieser Studie wurden Lasiocarpin und Riddelliin an der humanen Leberkarzinomzelllinie Huh6 auf Genotoxizität getestet. Die ausgewählten Methoden waren der MK-Test, der alkalische und der FPG Comet Assay und die γ-H2AX-Färbung. In den Vorversuchen mit BaP und CPA wurde gezeigt, dass die Zellen durch Prodrugs genotoxisch geschädigt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Riddelliin und Lasiocarpin im MK-Test eine dosisabhängige, genotoxische Wirkung auf die Huh6 Zellen haben. Der Einfluss von Lasiocarpin war im MK-Test im Vergleich zum Einfluss von Riddelliin bei geringerer Konzentration detektierbar. Nach einer simultanen Behandlung der Huh6 Zellen mit verschiedenen PA kann konkludiert werden, dass keine signifikante Erhöhung an DNA-Schäden im Vergleich zu Behandlungen mit den Einzelsubstanzen festgestellt werden konnte, was möglicherweise auf eine Erschöpfung der metabolischen Kapazität der Zellen zurückzuführen ist. Insgesamt ist es den Ergebnissen zufolge wahrscheinlich, dass die Entstehung von Crosslinks durch Lasiocarpin und Riddelliin eher eine Rolle in der Genotoxizitätsinduktion auf Huh6 Zellen spielen als oxidativer Stress. Doppelstrangbrüche konnten nicht als sicherer Induktor von Genotoxizität identifiziert werden. Die Besonderheiten der Stoffwechselwege einzelner PA und die Spezifizierung einzelner, für die Metabolisierung relevanter Enzyme sollte in Zukunft Gegenstand der Forschung sein, um die kumulativen Wirkungen von PA besser nachzuvollziehen und die für den Menschen entstehenden Risiken durch die Aufnahme von PA konkretisieren zu können. / PA are naturally occurring secondary plant metabolites which are known for their genotoxic potential. In vitro studies can detect chromosomal damage after application of micromolar doses. Notoriously, some PA are suspected to cause hepatotoxicity and carcinogenicity in human beings as well as in animals. In this study the genotoxic effects of Lasiocarpin and Riddelliin were tested on the human hepatoma cell line Huh6. Therefore, the micronucleus test, the alkaline and the FPG Comet Assay and γ-H2AX Assay were performed. The genotoxic potential of these prodrugs on Huh6 cells was proven in preliminary tests with BaP and CPA. In conclusion, the selected PA Riddelliin and Lasiocarpin induced micronuclei in Huh6 cells in a dose-dependent manner. In comparison to Riddelliin, the influence of Lasiocarpin was detectable at lower concentrations in micronucleus test. After the simultaneous treatment with different structure types of PA it can be observed that there is no significant elevation of DNA damage compared to the single substance tests. Possibly the reason for this is a depletion of the metabolic capacity of the Huh6 cells. Overall, according to the findings of the performed toxicological tests with Lasiocarpin and Riddelliin, it is likely that the formation of crosslinks plays a more important role in the induction of genotoxicity on Huh6 cells than oxidative stress. Double-strand breaks could not be identified as a reliable inducer of genotoxicity in this study. The peculiarities of the metabolic pathways of individual PA and the specification of relevant enzymes for metabolization should be subject of future research to create a better understanding of the cumulative effects and the resulting risks to humans from the ingestion of PA.

Univ., Diss.--Erlangen-Nürnberg, 1993.

Cancer is one of the leading causes of death worldwide. Toxic contaminants in human food or medicinal products, such as substances like pyrrolizidine alkaloids (PAs), have been thought to contribute to cancer incidence. PAs are found in many plant species as secondary metabolites, and they may affect humans through contaminated food sources, herbal medicines, and dietary supplements. Hundreds of compounds belonging to PAs have been identified, differing in their chemical structures, either in their necine base moiety or esterification at their necic acid moiety. PAs undergo hepatic metabolism, and after this process, they can induce hepatotoxicity, genotoxicity, and carcinogenicity. However, the mechanism of inducing genotoxicity and carcinogenicity is still unclear and warrants further investigation. Therefore, the present study aims to investigate the mechanism of genotoxicity induced by selected PAs with different chemical structures in in vitro systems. Primarily, human hepatoma HepG2 cells were utilized, and in co-culture, metabolically active HepG2 cells were combined with non-metabolically active human cervical HeLa H2B-GFP cells. First, the genotoxicity of the PAs europine, lycopsamine, retrorsine, riddelliine, seneciphylline, echimidine, and lasiocarpine was investigated in the cytokinesis-block micronucleus (CBMN) assay. All seven selected PAs caused the formation of micronuclei in a dose-dependent manner, with the maximal increase of micronucleus formation ranging from 1.64 to 2.0 fold. The lowest concentrations at which significant induction of micronuclei was found were 3.2 µM for lasiocarpine and riddelliine, 32 µM for retrorsine and echimidine, and 100 µM for seneciphylline, europine, and lycopsamine. These results confirmed previously published potency rankings in the micronucleus assay. The same PAs, with the exception of seneciphylline, were also investigated in a crosslink-modified comet assay, and reduced tail formation after hydrogen peroxide treatment was found in all diester-type PAs. Meanwhile, an equimolar concentration of the monoesters europine and lycopsamine did not significantly reduce DNA migration. Thus, the crosslinking activity was related to the ester type. Next, the role of metabolic enzymes and membrane transporters in PA-induced genotoxicity was assessed. Ketoconazole (CYP 450-3A4 inhibitor) prevented lasiocarpine-induced micronucleus formation completely, while furafylline (CYP 450-1A2 inhibitor) reduced lasiocarpine-induced micronucleus formation, but did not abolish it completely. This implies that the CYP 450 enzymes play an important role in PA-induced genotoxicity. Carboxylesterase 2 enzyme (CES 2) is commonly known to be involved in the detoxification of xenobiotics. Loperamide (CES 2 inhibitor) yielded an increased formation of lasiocarpine-induced micronuclei, revealing a possible role of CES-mediated detoxification in the genotoxicity of lasiocarpine. Also, intracellular glutathione (GSH) plays an important role in the detoxification of xenobiotics or toxins in the cells. Cells which had been pretreated with L-buthionine sulfoximine (BSO) to reduce GSH content were significantly more sensitive for the induction of micronucleus formation by lasiocarpine revealing the importance of GSH in PA-induced genotoxicity. Quinidine (Q) and nelfinavir (NFR) are OCT1 and OATP1B1 influx transporter inhibitors, respectively, which reduced micronucleus induction by lasiocarpine (only quinidine significantly), but not completely, pointing to a relevance of OCT1 for PA uptake in HepG2 cells. Verapamil (V) and benzbromarone (Bz) are MDR1 and MRP2 efflux transporter inhibitors, respectively, and they caused a slightly increased micronucleus induction by lasiocarpine (significant only for benzbromarone) thus, revealing the role of efflux transporters in PA-induced genotoxicity. The mechanistic approach to PA-induced genotoxicity was further studied based on oxidative stress via the formation of reactive oxygen species (ROS) in HepG2 cells. Overproduction of ROS can cross-link cellular macromolecules such as DNA, leading to genomic damage. An equimolar concentration of 10 µM of lasiocarpine (open-diester PA), riddelliine (cyclic-diester PA), and europine (monoester) significantly induced ROS production, with the highest ROS generation observed after lasiocarpine treatment, followed by riddelliine and then europine. No significant increase in ROS production was found with lycopsamine (10 µM; monoester PA), even at a higher concentration (320 µM). The generation of ROS by these PAs was further analyzed for confirmation by using 5 mM of the thiol radical scavenger antioxidant N-acetyl cysteine (NAC) combined with lasiocarpine, riddelliine, or europine. This analysis yielded a significant decrease in ROS after combining NAC with lasiocarpine, riddelliine, and europine. In addition, lasiocarpine, riddelliine, and europine induced a loss of mitochondrial membrane potential, pointing to mitochondria as the source of ROS generation. In vivo, hepatic sinusoidal epithelial cells (HSECs) are known to be damaged first by PAs after hepatic metabolization, but HSECs themselves do not express the required metabolic enzymes for activation of PAs. To mimic this situation, HepG2 cells were used to metabolically activate PA in a co-culture with HeLa H2B-GFP cells as non-metabolically active neighbours. Due to the green fluorescent GFP label the HeLa cells could be identified easily based in the co-culture. The PAs europine, riddelliine and lasiocarpine induced micronucleus formation in HepG2 cells, and in HeLa H2B-GFP cells co-cultured with HepG2 cells, but not in HeLa H2B-GFP cells cultured alone. Metabolic inhibition of CYP 450 enzymes with ketoconazole abrogated micronucleus formation induced by the same PAs tested in the co-culture. The efflux transporter inhibitors verapamil and benzbromarone reduced the micronucleus formation in the co-culture. Furthermore, mitotic disturbances as an additional genotoxic mechanism of action were observed in HepG2 cells and in HeLa H2B-GFP cells co-cultured with HepG2 cells, but not in HeLa H2B-GFP cells cultured alone. Overall, we were able to show that PAs were activated by HepG2 cells and the metabolites induced genomic damage in co-cultured non-metabolically active green HeLa cells. Finally, in HepG2 cells as well as the co-culture, combinations of PAs lasiocarpine and riddelliine favoured an additive effect rather than synergism. Thus, this study therefore provides support that the assumption of dose-addition can be applied in the characterization of the genotoxicity risk of PAs present in a mixture. / Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Toxische Verunreinigungen in Lebensmitteln oder pflanzlichen Arzneimitteln, wie Pyrrolizidinalkaloide (PAs), können zur Krebsinzidenz beitragen. PAs kommen in vielen Pflanzenarten als Sekundärmetabolite vor. Menschen können diese über kontaminierte Nahrungsquellen, pflanzliche Arzneimittel und Nahrungsergänzungsmittel aufnehmen. Eine Vielzahl von Verbindungen, die zu pyrrolizidinalkaloidhaltigen Substanzen (PAs) gehören, wurden identifiziert. Diese unterscheiden sich in ihrer chemischen Struktur entweder durch ihre Necinbaseneinheit oder ihre Veresterung an der Necicsäureeinheit. Nach metabolischer Aktivierung in der Leber können PAs Hepatotoxizität, Genotoxizität und Karzinogenität induzieren. Jedoch ist der Genotoxizitätsmechanismus nicht vollständig aufgeklärt und erfordert weitere Untersuchungen. Das Ziel dieser Studie liegt in der Untersuchung des Mechanismus der Genotoxizität, die in vitro durch bestimmte PAs mit unterschiedlicher chemischer Struktur induziert wird. Hierbei wurden primär humane Hepatom-HepG2-Zellen verwendet sowie in Co-Kultur metabolisch aktive HepG2-Zellen und nicht-metabolisch aktive humane zervikale HeLa H2B-GFP-Zellen. Zunächst wurde die Genotoxizität der PAs Europin, Lycopsamin, Retrorsin, Riddelliin, Seneciphyllin, Echimidin und Lasiocarpin im Zytokinese-Block-Mikronukleus-Assay (CBMN) untersucht. Die sieben (7) ausgewählten PAs führten dosisabhängig zur Bildung von Mikrokernen. Der maximale Anstieg der Mikronukleusbildung lag für alle PAs im Bereich des 1,64- bis 2,0-fachen des Ausgangswertes. Die niedrigsten Konzentrationen, bei denen eine signifikante Induktion von Mikrokernen gefunden wurde, waren 3,2 μM für Lasiocarpin und Riddelliin, 32 μM für Retrorsin und Echimidin sowie 100 μM für Seneciphyllin, Europin und Lycopsamin. Diese Ergebnisse bestätigen zuvor veröffentlichte Potenz-Rankings im Mikronukleus-Assay. Die Genotoxizität der gleichen PAs, mit Ausnahme von Seneciphyllin, wurde zusätzlich mittels eines Crosslink-modifizierten Comet-Assay untersucht. Es wurde eine reduzierte Schweifbildung nach der Behandlung mit Wasserstoffperoxid in allen PAs des Diestertyps gefunden, während eine äquimolare Konzentration der Monoester Europin und Lycopsamin die DNA-Migration nicht signifikant reduzierte. Dies deutet darauf hin, dass die Vernetzungsaktivität von PAs auf der Ester-Einheit beruht. Als nächstes wurde die Rolle von Stoffwechselenzymen und Membrantransportern in der PA-induzierten Genotoxizität untersucht. Ketoconazol (CYP 450-3A4-Inhibitor) verhinderte die Lasiocarpin-induzierte Mikronukleusbildung vollständig, während Furafyllin (CYP 450-1A2-Inhibitor) die Lasiocarpin-induzierte Mikronukleusbildung reduzierte, aber nicht vollständig beseitigte. Dies deutet darauf hin, dass CYP 450-Enzyme eine wichtige Rolle bei der PA-induzierten Genotoxizität spielen. Es ist allgemein bekannt, dass das Enzym Carboxylesterase 2 (CES-2) an der Entgiftung von Xenobiotika beteiligt ist. Loperamid (CES-2-Inhibitor) führte zu einer erhöhten Bildung von Lasiocarpin-induzierten Mikrokernen, was auf eine mögliche Rolle der CES-vermittelten Entgiftung bei der Genotoxizität von Lasiocarpin hindeutet. Auch intrazelluläres Glutathion (GSH) spielt eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von Xenobiotika oder Toxinen. Zellen, die mit L-Buthioninsulfoximin (BSO) vorbehandelt worden waren, um den GSH-Gehalt zu reduzieren, waren signifikant empfindlicher für die Induktion der Mikronukleusbildung durch Lasiocarpin, was die Bedeutung von GSH für die PA-induzierte Genotoxizität zeigt. Chinidin (Q) und Nelfinavir (NFR) sind OCT1- bzw. OATP1B1-Influx-Transporter-Inhibitoren, die die Mikronukleus-Induktion durch Lasiocarpin reduzierten (nur Chinidin signifikant), aber nicht vollständig, was auf eine Relevanz von OCT1 für die PA-Aufnahme in HepG2-Zellen hindeutet.Verapamil (V) und Benzbromaron (Bz) sind MDR1- bzw. MRP2-Efflux-Transporter-Inhibitoren und verursachten eine leicht erhöhte Mikronukleus-Induktion durch Lasiocarpin (signifikant nur für Benzbromaron), was die Rolle von Efflux-Transportern bei der PA-induzierten Genotoxizität aufzeigt. Der Mechanismus der PA-induzierten Genotoxizität wurde auf der Grundlage von oxidativem Stress durch die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in HepG2-Zellen weiter untersucht. Eine Überproduktion von ROS kann zelluläre Makromoleküle wie DNA vernetzen, was zu genomischen Schäden führt. Eine äquimolare Konzentration von 10 μM von Lasiocarpin (Open-Diester PA), Riddelliin (Cyclic-Diester PA) und Europin (Monoester) induzierte signifikant die ROS-Produktion, wobei die höchste ROS-Erzeugung nach Lasiocarpin-Behandlung beobachtet wurde, gefolgt von Riddelliin und Europin. Mit Lycopsamin (10 μM; Monoester PA) wurde auch bei höherer Konzentration (320 μM) keine signifikante Steigerung der ROS-Produktion gefunden. Um die Beteiligung von ROS am Mechanismus der Genotoxizität einzelner PAs genauer zu betrachten und die bisherigen Ergebnisse zu bestätigen, wurden weitere Untersuchungen in Anwesenheit des Sauerstoffradikalfängers N-Acetylcysteine (NAC) in Kombination mit Lasiocarpin, Riddelliin oder Europin durchgeführt. Diese Analyse ergab eine signifikante Abnahme der ROS-Produktion nach der Kombination von NAC mit Lasiocarpin, Riddelliin und Europin. Darüber hinaus induzierten Lasiocarpin, Riddelliin und Europin Veränderungen im mitochondrialen Membranpotenzial. Dies deutet darauf hin, dass ROS vermehrt in den Mitochondrien der Zellen gebildet werden. Aus in vivo Daten ist bekannt, dass hepatische sinusoidale Epithelzellen (HSECs) die Zelltypen innerhalb der Leber sind, die nach der metabolischen Aktivierung von PAs zuerst geschädigt werden. Jedoch exprimieren HSECs nicht die erforderlichen Stoffwechselenzyme für die Aktivierung von PAs. Um diese Situation nachzuahmen, wurden HepG2-Zellen verwendet, um PAs in einer Kokultur mit HeLa H2B-GFP-Zellen als nicht-metabolisch aktive Nachbarn metabolisch zu aktivieren. Durch die grün fluoreszierende GFP-Markierung konnten die HeLa-Zellen in der Co-Kultur leicht identifiziert werden. Die PAs Europine, Riddelliin und Lasiocarpin induzierten die Bildung von Mikrokernen in HepG2-Zellen und in HeLa H2B-GFP-Zellen, die mit HepG2-Zellen kokultiviert wurden, jedoch nicht in HeLa H2B-GFP-Zellen, die allein kultiviert wurden. Die metabolische Hemmung von CYP 450-Enzymen mit Ketoconazol hob die Mikronukleusbildung, welche durch die zuvor getesteten PAs induziert wurde, auf. Die Efflux-Transporter-Inhibitoren Verapamil und Benzbromaron reduzierten die Mikronukleusbildung in der Kokultur. Darüber hinaus wurden mitotische Störungen als zusätzlicher genotoxischer Wirkmechanismus in der Co-Kultur aus HepG2-Zellen und in HeLa H2B-GFP-Zellen beobachtet, jedoch nicht in HeLa H2B-GFP-Zellen, die allein kultiviert wurden. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass PAs durch HepG2-Zellen bioaktiviert werden können und aus PAs gebildete Metabolite genomische Schäden in kokultivierten, nicht-metabolisch aktiven HeLa-Zellen induzierten. Abschließend zeigen Kombinationen der PAs Lasiocarpin und Riddelliin sowohl in HepG2-Zellen als auch in der Co-Kultur eher einen additiven Effekt als einen Synergismus. Diese Studie liefert daher Unterstützung für die Annahme, dass die Dosisaddition zur Charakterisierung des genotoxischen Risikos von in einem Gemisch vorhandenen PAs angewendet werden kann.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Braunschweig.

In jüngster Vergangenheit hat die potentielle Belastung von Lebens- und Futtermitteln mit PA wiederholt Aufmerksamkeit erregt. Eine Exposition des Menschen mit PA kann über den Genuss von Tees, Phytopharmaka, pflanzlichen Lebensmitteln (z.B. Salatmischungen) oder, im Fall einer Verfütterung von PA-Pflanzen an Tiere, als sekundäre Kontamination über tierische Lebensmittel erfolgen. Im ‚International Programme on Chemical Safety (IPCS)’ der WHO ist die grundsätzliche Gefährdung der menschlichen Gesundheit durch PA dokumentiert. Aus Gründen des vorbeugenden Verbraucherschutzes gibt es demzufolge Rechtsvorschriften zur Regulierung PA-haltiger Phytopharmaka. Für diese gilt in Deutschland seit 1992 ein Grenzwert von 1 µg PA/Tag für 1,2-ungesättigte PA und deren N-Oxide bei oraler Aufnahme und einer Anwendungsdauer von max. 6 Wochen. Geht die Anwendung darüber hinaus, beträgt der Grenzwert 0,1 µg PA/Tag. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine robuste, reproduzierbare und selektive analytische Methode basierend auf Zink-Staub-Reduktion, Festphasenextraktion (SCX-SPE), LiAlH4 Reduktion mit anschließender Silylierung sowie Kapillargaschromatographie-Massenspektrometrie (HRGC-MS)-Analytik erarbeitet. Durch ein solches Vorgehen werden die PA-N-Oxide in tertiäre PA überführt, so dass alle PA in ihrer tertiären Form vorliegen. Durch die anschließende chemische Reduktion werden alle Mono- und Diester-PA in die jeweiligen Necinbasen überführt. Durch die anschließende Derivatisierung zum di-TMS-Derivat, konnten über den Summenparameter Retronecin PA-Kontaminationen mit 1,2-ungesättigten PA-Strukturen verlässlich detektiert und hochselektiv mittels HRGC-MS im SIM-Modus angezeigt werden. Die Validierung der Methode erfolgte durch die Verwendung von Senecio vernalis-Extrakt sowie authentischen PA-Standards und deren N-Oxiden. Unter Modifikationen der Probenaufarbeitung war diese Methode sowohl für Honig und Pollen, als auch für honighaltige Lebensmittel einsetzbar. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Methode durch die Synthese des deuterierten Standards di-Butyroyl-[9,9-2H2]-Retronecin zur Stabilisotopen-Verdünnungsanalyse (SIVA) erweitert und optimiert. Die entwickelte Methode erlaubt erstmals, anders als bei bereits vorliegenden Arbeiten zur Bestimmung von PA in Pflanzenteilen, eine exakte und selektive Bestimmung von PA im Spurenbereich, unabhängig von deren botanischem Ursprung oder chemischer Struktur (tertiäres PA, N-Oxide). In einem breit aufgestellten Screening von 216 Honighandelsproben und 35 Forschungshonigen – letztere umfassten 27 Senecio- und 8 Echium-Honige - konnten zum Teil erhebliche Mengen an PA nachgewiesen werden. Die Belastungsrate der einzelnen Probensets reichte von 9 bis zu 100%. Die hierbei ermittelten Gehalte lagen, berechnet als Retronecin-Äquivalente, zwischen 0,019 µg/g und 4,66 µg/g. Ergänzt wurden die analytischen Daten durch die Erhebung von mellisopalynologischen Daten. Hierbei zeigte sich, dass eine Bestimmung von PA-Pflanzenpollen über die relative Pollenhäufigkeit nach DIN 10760 nur eine geringe Aussagekraft bei der Riskioabschätzung besitzt. Zwar war die Anwesenheit von PA-Pflanzenpollen immer ein Indikator für das Vorkommen von PA, jedoch konnten über den relativen Pollengehalt keine Aussagen über die Höhe der PA-Belastung getroffen werden. In einer weiteren Studie zu PA-Gehalten in Pollen und Pollenerzeugnissen sind in den nativen Pollen die erwartet hohen PA-Gehalte bestätigt worden. Aber auch die in Vollsortimentsupermärkten und Reformhäusern häufig vertretenen Pollenprodukte wiesen PA-Gehalte auf, die im Mittel weit über den bei Honig festgestellten Werten lagen. So ergaben sich für die nativen Pollen aller bedeutenden, PA-produzierenden Pflanzenfamilien PA-Gehalte von 0,57-4,07 mg/g, während sich für die Pollenprodukte Gehalte von 1,08-16,35 µg/g feststellen ließen. Eine zusätzliche Erhebung von mellisopalynologischen Daten bestätigte deren bereits bei den Honigproben festgestellte, eingeschränkte Aussagekraft hinsichtlich des PA-Gehaltes. Durch ein Screening von 60 honighaltigen Lebensmitteln mit unterschiedlichen Honiganteilen konnte eine potentielle Downstream-Kontamination durch den Einsatz von hoch PA-belasteten Honigen im Herstellungsprozess nachgewiesen werden. Bei einer Belastungshäufigkeit von 13% lagen die hierbei ermittelten PA-Gehalte, berechnet als Retronecin-Äquivalente, bei 0,010-0,484 µg/g. Abschließend ist in modellhaft durchgeführten Filtrationsversuchen gezeigt worden, dass PA-Pflanzenpollen erheblichen Einfluss auf den PA-Gehalt des Honigs ausüben. Dennoch stellt eine Honigfiltration, wie sie in Anlage 1 der Honigverordnung zulässig ist, keine Möglichkeit dar, hoch mit PA belasteten Honig im PA-Gehalt zu senken. Vielmehr ließ sich mit den durchgeführten Versuchen eine Diffusion der PA aus Pollen in den Honig nachweisen. / Recently, the potentially PA contamination of food and feeding stuff attracted high attention. Humans are exposed to these toxins by comsumption of herbal medicine, herbal teas, dietary supplements or food containing PA plant material. In the ´International Programme on Chemical Safety (IPCS) the WHO states the potential threath to human health by PA. In pharmaceuticals, the use of these plants is regulated by the German Federal Health Bureau to a total PA intake of 1 µg per day for 1,2-unsaturated PA and their N-oxides within a six-week period per year, or, if six weeks are surpassed, the level is reduced to 0.1 µg total PA content per day. With regard to food the DFG-Senate Commission on Food Safety (SKLM) passed an opinion that […] The existing data base dealing with the content of PAs in honey collected from PA-containing plants […] as well as the data base dealing with the exposure of consumers to PAs are judged to be inadequate […]. Furthermore, they reminded that […] The main goal of future research should be the careful analytical determination of the PA content of honey and pollen […]. Initiated by this, the essential intention of this work was to develop a reliable tool for selective and quantitative determination of PA in the relevant range of concentration at ≤ 0,1 ppm in this food. Furthermore, the generation of a broad dataset should be the basis for the estimation of the potential risk of PA. First of all, a robust, reproducable and selective method consisting of Zn-dust reduction, strong cation exchance solidphase extraction (SCX-SPE), chemical reduction with LiAlH4, subsequent silylation and capillary gas chromatography-mass spectrometry (HRGC-MS) using SIM mode was established. This procedure converted PA-N-oxides into their basic tertiary form and, due to the subsequent chemical reduction, all mono- and diester PA resulted in their particular necine backbones. The newly developed method represented a reliable tool to detect potential PA contamination with toxic 1,2-unsaturated PA structures using retronecine as sum parameter by capillary gas chromatography-mass spectrometry (HRGC-MS) in SIM mode. This procedure was validated using extracts of Senecio vernalis as well as authentic standards of PA and their N-oxides. This method was applicable to honey and, after some modifications, to pollen and honey-containing foods, respectively. Furthermore, the analytical method was optimised by synthesis of a deuterium labelled standard, di-Butyroyl-[9,9-2H2]-retronecine, used for stable isotope dilution assays. For the first time, the present method allows the exact and selective determination of toxic PA by simply detecting a sum parameter which contains the toxic principle of the PA (1,2-double bond), independently from botanical origin or the oxidation state of the PA (tertiary PA, N-oxides). The method was applied to 216 commercially available flower honey samples and 35 exploratory harvested honeys, comprising 27 Senecio- and 8 Echium-honeys. Among these honeys the contamination degree was between 9 and 100% and the measured PA content was in a range from 0.019 to 4.66 µg g-1, calculated as retronecine equivalents. These results were completed by mellisopalynological data, performed according to DIN 10760. In this context, only a marginal significance between identification and relative frequency of PA plant pollen and the amount of PA contamination could be proven. The presence of PA plant pollen can rather be a precursor for a presence of PA. In a further study, the expected high amounts of PA in pure, floral pollen were verified. Furthermore, pollen products, available as food supplements in various supermarkets and health food shops, showed a much higher PA contamination compared to honey. Within the pure, floral pollen of the major PA producing plant families showed a PA contamination of 0.57 to 4.07 mg g-1. The analysed pollen products revealed PA contaminations in a range of 1.08 to 16.35 µg g-1. An additional data acquisition of mellisopalynological data showed similar results referring the PA levels as it did within the honey samples. Additionally, the modificated method was applied to 60 honey-containing foods with various contents of honey. Thereby a downstream contamination caused by the usage of honey highly contaminated with PA could be proven. Among these foods the degree of contamination was about 13% and the products revealed PA contents in a range of 0.010 to 0.484 µg g-1. Finally, it could be proven by filtration experiments in a bench-scale model, that pollen of PA producing plants have a direct effect on the PA content in honey. Nevertheless, it is not possible to reduce the PA contamination in honey by filtration of the contaminated honey as it is allowed by the German honey-concerning legislation. In fact, PA diffuse from pollen to honey.

Beinwell enthält neben erwünschten Substanzen wie Allantion und Rosmarinsäure auch toxische Pyrrolizidinalkaloide (PA), die die Anwendung limitieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Expression des Gens für Homospermidinsynthase, ein zentrales Enzym der Biosynthese von PA, stark zu verringern. Dafür wurden künstliche microRNA verwendet. Dabei wurden Haarwurzelkulturen mit entsprechenden Transgenen erzeugt. Es wurden Daten zur mRNA-Menge, PA-Gehalt und Allantoingehalt sowie Wachstumsparameter erhoben und zueinander in Beziehung gesetzt.:1. Einleitung 1.1. Gattung Symphytum (Beinwell) 1.2. Pyrrolizidinalkaloide 1.3. Haarwurzeln als Modellsystem und Sekundärstoffproduzenten 1.3.1. Agrobacterium rhizogenes 1.3.2. Haarwurzelkulturen in der Biotechnologie 1.4. Zielstellung 2. Material und Methoden 2.1. Materialien 2.2. Erzeugung und Kultivierung der pflanzlichen Zell- und Organkulturen 2.3. Erzeugung der gentechnisch modifizierten Agrobacterium-Stämme 2.4. Qualitative und quantitative Untersuchungen an Nukleinsäuren 2.4.1. Nukleinsäurepräparation 2.4.2. Gelelektrophorese 2.4.3. Protokolle für die Polymerasekettenreaktion 2.5. Sekundärstoffanalytik 2.5.1. Allantoinbestimmung 2.5.2. Quantifizierung der Pyrrolizidinalkaloide 3. Ergebnisse 3.1. Erzeugung und Untersuchung der Haarwurzelkulturen 3.1.1. Herstellung der Kulturen 3.1.2. Wachstum und Biomasseakkumulation 3.2. Bestimmung der Expression von HSS und DHS mittels qPCR 3.2.1. Methodenetablierung 3.2.2. Expression von HSS und DHS in Haarwurzelkulturen 3.3. Analytik von Sekundärmetaboliten 3.3.1. Bestimmung des Allantoingehalts 3.3.2. Bestimmung des Pyrrolizidinalkaloidgehalts 3.4. Gibt es einen Zusammenhang zwischen HSS-Expression und Alkaloidgehalt? 4. Diskussion 4.1. Erzeugung und Wachstum von Symphytum-Haarwurzelkulturen mit und ohne zusätzliche Transgene 4.2. Produktion von Allantoin in Haarwurzelkulturen 4.3. Beeinflussen die miRNA-Konstrukte die Expression von HSS und DHS? 4.4. Beeinflußt die Regulation der HSS-Expression den PA-Gehalt? 4.5. Beurteilung der PA-Gehalte in Haarwurzelkulturen 4.6. Ausblick 5. Zusammenfassung 6. Verzeichnisse 7. Anhang