Beim Zigarettenrauchen als der häufigsten Form des Tabakkonsums stellt das respiratorische Epithel des oberen und unteren Aerodigestivtraktes das primäre Kontaktorgan der zyto- und genotoxischen Inhaltsstoffe dar. Nikotin, das Hauptalkaloid des Tabaks, ruft nicht nur eine starke Abhängigkeit hervor, sondern kann in Anbetracht früherer Studien auch zum Tabak assoziierten Krebsrisiko beitragen. Neben tumorproliferativen Effekten wie etwa der Angioneogenese, der Zellproliferation oder einer Apoptoseinhibition ist die Rolle der tumorinitiierenden Wirkung von Nikotin durch eine direkte Schädigung der DNA noch unzureichend untersucht. Ziele dieser experimentellen Arbeit waren deshalb, Nikotin induzierte DNA-Schäden an frisch isolierten sowie rekultivierten humanen Lymphozyten mit Hilfe des alkalischen Einzelzell-Mikrogelelektrophorese (Comet) Assays darzustellen, den Nachweis dieser Schäden durch Koinkubation mit dem Reparaturenzyminhibitor Aphidicolin (APC) zu sensitivieren sowie oxidativ geschädigte Basen durch die Formamidopyrimidin-Glykosylase (Fpg) aufzuzeigen. Durch Koinkubation mit Epibatidin, einem Subtyp spezifischen und kompetitiven Agonisten am nikotinergen Acetylcholinrezeptor (nAChR), wurde die Rolle der rezeptorvermittelten Mechanismen Nikotin induzierter DNA-Schäden an Lymphozyten und nasalen Mukosazellen untersucht. Auch der Frage, ob Rauchen zu einer erhöhten basalen Schädigung an nasalen Mukosazellen führe, wurde nachgegangen. Nach der Zellisolierung der humanen nasalen Schleimhautzellen und peripheren Lymphozyten erfolgte zum Ausschluss zytotoxischer Effekte jeweils vor und nach der einstündigen Fremdstoffinkubation mit Nikotin (1 µM bis 1000 µM), APC (2,5 µg/ml), Epibatidin (1 µM bis 100 µM) und MMS (100 µM) die Bestimmung der Zellvitalität mit dem Trypanblau-Ausschlusstest. Durch Inkubation mit Fpg nach der Lyse zellulärer Membranen erfolgte die Augmentation oxidativ geschädigter Basen. Potentielle DNA-Schäden in Form von Einzelstrangbrüchen und alkalilabilen Stellen der DNA wurden mit dem Comet Assay erfasst. An frisch isolierten Lymphozyten konnte nach ein-stündiger Inkubation mit Nikotin ab 100 µM ein signifikanter DNA-Schaden festgestellt werden. Mit dem Einsatz von Fpg kam es ab 10 µM Nikotin zu einem signifikanten Anstieg der DNA-Fragmentierung. An rekultivierten Lymphozyten konnte nach Kryokonservierung bei einstündiger Inkubation mit Nikotin bereits ab 1 µM eine signifikante DNA-Schädigung nachgewiesen werden, die sich ebenfalls bei Koinkubation mit APC ab 1 µM darstellte. Durch Koinkubation von Nikotin (1000 µM) mit Epibatidin in aufsteigender Konzentration konnte an frisch isolierten Lymphozyten nur in einer Konzentration (10 µM) die Nikotin induzierte DNA-Fragmentierung gesenkt werden. Hierbei zeigte Epibatidin selbst einen DNA-Schaden in niedriger Konzentration (1 µM und 10 µM). An nasalen Mukosazellen konnte der Nikotin induzierte DNA-Schaden durch die Koinkubation mit Epibatidin nicht gesenkt werden. Auch an nasaler Mukosa rief Epibatidin ab 1 µM einen signifikanten DNA-Schaden hervor. Bezüglich einer Einflussgröße durch das Rauchen auf die Ergebnisse im Comet Assay konnte kein Unterschied der basalen als auch der durch Nikotin induzierten DNA-Fragmentierung zwischen der Gruppe der Raucher und Nichtraucher festgestellt werden. Nikotin verursachte bereits bei einer einstündigen Expositionsdauer DNA-Schäden an humanen Lymphozyten und nasalen Mukosazellen. Der Nachweis oxidativ geschädigter Basen an Lymphozyten zeigt auf eine Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) durch Nikotin hin. Die Aktivierung des homomeren α7 nAChR durch Nikotin soll hierbei eine wichtige Rolle als Auslöser der intrazellulären Signaltransduktion der Radikalbildung spielen. Epibatidin als ein starker Agonist am α7 Rezeptor führte bereits in geringen Konzentrationen zu einer signifikanten DNA-Fragmentierung. Bei fehlender Reparatur dieser DNA-Schäden und einer ausbleibenden Elimination der geschädigten Zelle können diese Mutationen akkumulieren und zur Tabak assoziierten Krebsentstehung beitragen. Eine Substitutionstherapie mit Nikotin zur Raucherentwöhnung muss bei solchen Ergebnissen äußerst kritisch betrachtet werden. / Respiratory epithelia of the upper and lower aero digestive tract are in first contact with cyto- and genotoxic components of tobacco smoke. Nicotine, being the main alkaloid of tobacco, is responsible for addiction to tobacco and contributes to tobacco carcinogenesis, too. While mechanisms of tumor proliferation caused by nicotine, such as stimulation of angiogenesis and cell proliferation or inhibition of apoptosis, are well accepted, the role of direct DNA damage by nicotine as a potentially tumor initiating factor is in focus of the present study. This experimental study demonstrates DNA damage in freshly isolated and cryo-preserved human lymphocytes after exposure to nicotine with the alkaline single-cell microgel electrophoresis (comet) assay. Co-incubations with aphidicolin (APC), an inhibitor of repair enzymes, and formamidopyrimidine-glycosylase (Fpg), an enzyme to detect oxidative damaged bases, were performed. Epibatidine as a subtype-specific and competitive agonist of the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) correspondent to nicotine was implemented to evaluate the role of receptor associated mechanisms of DNA damage. Furthermore, the influence of the smoking-status on the DNA damage of nasal mucosa cells was evaluated. Cytotoxic effects were investigated before and after one hour of exposure to nicotine (1 µM to 1000 µM), APC (2,5 µg/ml), epibatidine (1 µM to 100 µM) and methyl methane sulfonate as control (100 µM) in the trypan blue exclusion test. After lysis of cellular membranes, oxidative damaged bases of DNA were detected by incubation with Fpg. DNA damage like single strand brakes and alkali labile sites of DNA were investigated with the aid of the comet assay. Freshly isolated lymphocytes showed at 100 µM nicotine a significant DNA damage. Applying Fpg, a significant increase in DNA fragmentation could already be detected at 10 µM nicotine. Cryopreserved lymphocytes showed a significant DNA damage at 1 µM nicotine both with and without the co-incubation of APC. The co-incubation of 1000 µM nicotine with epibatidine showed in a single concentration (10 µM) a reduction of nicotine induced DNA damage in lymphocytes. Epibatidine itself caused DNA damage at lower concentrations (1 µM and 10 µM) in lymphocytes. In nasal mucosa cells epibatidine did not reduce the nicotine induced DNA damage but caused itself DNA damage at 1 µM. The smoking-status of the participants had no influence on basal and nicotine induced DNA fragmentation. Nicotine induced DNA damage to cells of human blood and nasal mucosa just after one hour of exposure. The evidence of oxidative damaged bases of DNA in lymphocytes shows the development of reactive oxygen species (ROS) by nicotine. The activation of the homomeric α7 nAChR by nicotine seems to be relevant to the intracellular transduction for generating ROS. Epibatidine, as a strong agonist on the α7 nAChR, caused significant DNA fragmentation in low concentrations, already. By insufficient repair of the DNA damage and inhibited elimination of damaged cells, mutations can accumulate and contribute to tobacco carcinogenesis. Hence, nicotine in a replacement therapy should be considered very critically.
Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:4482 |
Date | January 2010 |
Creators | Koch, Roland |
Source Sets | University of Würzburg |
Language | deu |
Detected Language | English |
Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
Format | application/pdf |
Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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