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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:37037 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Hadi, Naji Said Aboud |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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