Techn. Univ., Diss., 2010--München.

Tumore entstehen in einem mehrstufigen Prozess, der die Tumorinitiation, Promotion und Progression beinhaltet. Dabei spielen exogene Faktoren, wie Fremdstoffe, Umwelteinflüsse, Lebensgewohnheiten, Ernährungsverhalten oder Tabakkonsum eine wichtige Rolle. Für viele Fremdstoffe aus unserer Umwelt, die als Aerosole eingeatmet werden, stellen die Zellen des oberen und unteren Aerodigestivtrakts das primäre Kontaktorgan dar. Der Aerodigestivtrakt ist somit eine der wichtigsten Lokalisationen für Tabak assoziierten Karzinome. Dabei ist Nikotin nicht nur suchterzeugend, sondern spielt eine direkte Rolle bei der Entstehung und dem Wachstum von Tumoren. Um einen Beitrag zur Tumorprävention zu leisten, sollten in vitro Testsysteme etabliert werden, welche die Charakterisierung von Nikotin in seiner tumorinitiierenden und promovierenden Potenz ermöglichen. In dieser Arbeit wurden genotoxische Effekte von Nikotin an frisch isolierten Zellen, primären adhärenten Zellen und Miniorgankulturen der Glandula parotidea untersucht. Die Vitalität und Morphologie der Miniorgankulturen wurden mit histologischen Schnitten überprüft. Zur Charakterisierung der primären adhärenten Zellen wurden immunhistochemische Färbungen mit anti-α-Amylase durchgeführt. Die Erfassung nikotininduzierter DNA-Schäden erfolgte mit Hilfe des Comet Assays, des Mikrokerntests und des Chromosomenaberrationstests. Zur Untersuchung der Apoptoseinduktion durch Nikotin kam der Sandwich-ELISA-Test zum Einsatz. Methylmethansulfonat wurde dabei als Positivkontrolle verwendet. Während des ganzen Kultivierungszeitraums der Miniorgankulturen der Glandula parotidea konnten keine Anzeichen von Apoptosen oder Nekrosen festgestellt werden. Die Morphologie der Miniorgankulturen blieb während der Kultivierung intakt. Bei der Färbung der histologischen Schnitte gegen α-Amylase zeigte sich während der Kultivierung der Miniorgankulturen die typische α-Amylase im Zytoplasma der Zellen. Die immunhistochemische Färbung der primären adhärenten Zelllinie der Glandula parotidea zeigte die typische α-Amylase im Zytoplasma der Zellen. Im Comet Assay zeigte sich bei den frisch isolierten und den primären adhärenten Zellen der Glandula parotidea eine dosisabhängige DNA-Schädigung im einstündigen Inkubationsversuch durch Nikotin. Diese Schädigung war ab einer Konzentration von 0,25 mM Nikotin bei den frisch isolierten und ab 0,1 mM Nikotin bei den primären adhärenten Zellen signifikant. Im Mikrokerntest und im Chromosomenaberrationstest zeigten sich ein dosisabhängiger Anstieg der Mikrokerne, der sich ab 0,1 mM Nikotin als signifikant erwies, bzw. ein signifikanter Anstieg der Chromosomenaberrationen ab 0,001 mM Nikotin. Eine abfallende Apoptoserate war bei steigender Nikotinkonzentration im Sandwich-ELISA-Test zu beobachten. Ein signifikanter DNA-Schaden konnte nach ein- und dreistündiger Exposition mit Nikotin bei den Miniorgankulturen der Glandula parotidea nachgewiesen werden. Es zeigte sich weder ein signifikanter DNA-Schaden über die dreimalige Exposition mit Nikotin bei den Miniorgankulturen, noch konnte eine Reparatur der nikotininduzierten DNA-Schäden nachgewiesen werden. Bei der repetitiven Exposition mit der Positivkontrolle Methylmethansulfonat bei den Miniorgankulturen zeigte sich ein signifikanter Anstieg der OTM-Werte. Diese erhöhte Migration konnte nach einer 24-stündigen Regenerationsphase nicht nachgewiesen werden. Das Modell der Miniorgankulturen der Glandula parotidea erweist sich für genotoxikologische Untersuchungen als gut geeignet. Durch die Möglichkeit der mehrfachen Exposition mit anschließenden Regenerationsphasen ist eine Annäherung an reale Lebensbedingungen möglich. Ebenfalls konnten mit der Etablierung der primären adhärenten Zelllinie weitere Testsysteme, wie beispielsweise der Mikrokerntest, der Chromosomenaberrationstest und der Sandwich-ELISA-Test, zur Analyse der Genotoxizität von Nikotin angewendet werden. In der Zusammenschau dieser Testsysteme konnte ein Überblick der Genotoxizität von Nikotin gewonnen werden. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass Nikotin eine entscheidende Rolle bei der Initiation von tabakassoziierten Tumoren im Aerodigestivtrakt spielen kann. Zum Verständnis der intrazellulären Schädigungswege von Nikotin, insbesondere im Hinblick auf eine direkte DNA-Schädigung, sind weitere Untersuchungen notwendig. Dabei werden spezifische nikotinerge Acetylcholinrezeptor Ago-nisten wie Epibatidin oder Mecamylamin verwendet. / Tumor development is a multilevel process including initiation, promotion, and progression. It may be influenced by a multitude of exogenous factors, such as contact with foreign materials, various environmental conditions, lifestyle, diet, and the consumption of alcohol and tobacco. Cells of the upper aerodigestive tract represent the primary contact region for inhaled aerosols or harmful particles from the environment and are thus highly susceptible to the development of tobacco-induced malignancies. In this context, nicotine, which is known to be an addictive component in tobacco smoke, seems to play a crucial role in the initiation and progression of tumors. As an initial step towards effective tumor prevention, appropriate in vitro test systems must be established to allow for a detailed characterization of the cyto- and genotoxic properties of nicotine. In this study, we examined toxic effects of nicotine in freshly isolated cells in a primary developed salivary gland cell line as well as in mini organ cultures of human parotid gland tissue. Histological evaluations of mini organ cultures were performed to analyze the vitality and morphology of mini organ cultures during cultivation. Immunohistological staining using monoclonal antibodies against α-amylase were performed in order to functionally characterize the cultivated cells. DNA damage was assessed by the alkaline single cell microgel electrophoresis (comet) assay, the micronucleus test and the chromosomal aber-ration test. The sandwich ELISA test was also performed in order to analyze the expression of caspase 3 as a marker for apoptosis. Methylmethanesulphonate, a well-known genotoxic agent, served as an appropriate positive control. No apoptosis or necrosis was seen by histological examination of the mini organ cultures during the entire cell culture phase. In addition, immunohistological staining with anti-α-amylase showed the typical α-amylase in the cytoplasm of the mini organ cultures throughout the cultivation period. Moreover, α-amylase was detected immunohistologically in the primary parotid gland cell line. A dose-dependent increase in nicotine-induced DNA migration was demonstrated by the comet assay in freshly isolated parotid gland cells as well as in primary adherent cells of the parotid gland in a one-hour exposure experiment. A significant enhancement of DNA migration was observed at a nicotine concentration of 0.25 mM in freshly isolated cells, whereas significant effects were also seen at a concentration of 0.1 mM in primary adherent cells in comparison to the control. A dose-dependent increase in micronulei was induced at a concentration of 0.1 mM and chromosomal aberrations were observed at 0.001 mM nicotine. Regarding the induction of apoptosis, a decrease in caspase 3 activity was shown for increasing nicotine concentrations. Significant DNA migration could be seen after one- and three-hour exposures to nicotine. Neither significant DNA migration over time nor repair of the nicotine-induced DNA damage as expressed by a reduction of the DNA migration could be seen. In contrast, repetitive exposure to methylmethanesulphonate was shown to induce an enhanced DNA migration in mini organ cultures compared to a single exposure. This DNA migration was reduced after a 24-hour period of regeneration signalling DNA repair. The model of using miniorgans of the glandula parotidea seems to be suitable for genotoxicological analyses. The option of administering repetitive exposure and allowing for subsequent phases of DNA repair and regeneration provides a realistic comparison to the real life condition. Furthermore, the establishment of primary adherent cell lines allows for additional analyses to be performed with a variety of different test systems such as the micronucleus test, chromosomal aberration test and the sandwich ELISA test in order to better characterize the genotoxic potential of nicotine. The combined results of these various tests provide a comprehensive overview as to the genotoxicity of nicotine. Our data indicate that nicotine appears to play an essential role in the induction of tobacco-associated malignancies of the upper aerodigestive tract. However, to more clearly understand the processes involved in the intracellular damaging pathways, particularly with respect to direct DNA damage, further investigations are necessary. Future studies should clearly include the analysis of specific nicotinic acetylcholine receptor agonists such as epibatidine and mecamylamine.