Wirkung von Beta-Carotin auf primäre Lungenzellen

ß-Carotin, ein Precursor von Vitamin A, ist aufgrund seiner Radikalfänger-Eigenschaften ein breit angewandtes Antioxidans. Seine Verwendung wird darüber hinaus auch durch die nachgewiesenen antimutagenen Wirkungen unterstützt. Epidemiologische Studien konnten jedoch diese positive Wirkung von ß-Carotin nicht bestätigen. Zwei `large-scale` Chemopräventions-Studien, die Alpha-Tocopherol Beta-carotene-Cancer prevention (ATBC) und die Beta-CArotene and RETinol Efficacy (CARET) Studie ergaben nämlich eine erhöhte Lungenkrebshäufigkeit für Raucher und Asbestarbeiter, die ß-Carotin einnahmen. Als mögliche Erklärung wurde daher angenommen, dass starker oxidativer Stress zu einem Abbau von ß-Carotin führt, und dass die dabei entstehenden Abbauprodukte wie 5,6-Epoxi-ß-ionon, Ionen, ß-cyclocitral, ß-Ionone, Dihydro-actinidiolide und apo-Carotenale pro-oxidative Eigenschaften besitzen. Diese Hypothese wurde an Stoffwechsel-kompetenten primären Ratten-Hepatocyten durch Applikation von ß-Carotin, einem Gemisch von ß-Carotin Abbauprodukten und apo8`-Carotenal - einem Hauptabbauprodukt - getestet. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen, dass ß-Carotin selbst keine cyto- oder gentoxischen Effekte in vitro bis zu einer Konzentration von 10 M induziert, während sowohl die Abbauprodukte als auch apo8`-Carotenal signifikante gentoxische Wirkungen schon bei nanomolaren Konzentrationen induzieren. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass ß-Carotin unter oxidativem Stress, z.B. durch Hypoxie/Reoxygenierung, zu einer von der ß-Carotin Konzentration abhängigen Zunahme der Gentoxizität führt. Obwohl diese Beobachtungen auf eine klare Beziehung zwischen der induzierten Mutagenität und den ß-Carotin Abbauprodukten hinweisen, ist noch abzuklären, wie die Zielzellen in der Lunge auf ß-Carotin unter oxidativem Stress reagieren. Daher ist das Ziel dieses Projektes die Etablierung von Primärkulturen alveolärer Typ II Pneumocyten von Ratte und Mensch und die Bestimmung allfälliger schädigender Effekte (Cytotoxizität, Gentoxizität) von ß-Carotin unter oxidativem Stress. Parallel dazu soll die Bildung von ß-Carotin Abbauprodukten über analytisch-chemische Methoden bestimmt werden. Zusätzlich soll auch die protektive Wirkung anderer Antioxidantien, insbesondere Vitamin E und C ermittelt werden, sowie allfällige Unterschiede der Empfindlichkeit gegenüber ß-Carotin Abbauprodukten abhängig vom Alter und Geschlecht der Versuchstiere.

Beta-Carotin, ein Precursor von Vitamin A, ist aufgrund seiner Eigenschaften als Radikalfänger ein breit angewandtes Antioxidans. Seine Verwendung ergibt sich darüber hinaus auch durch die nachgewiesenen antimutagenen Wirkungen. Epidemiologische Studien konnten jedoch diese positive Wirkung von Beta-Carotin nicht bestätigen. Zwei large-scale Chemopräventions-Studien, die Alpha-Tocopherol Beta-carotene-Cancer prevention (ATBC) und die Beta-CArotene and RETinol Efficacy (CARET) Studie ergaben nämlich eine erhöhte Lungenkrebshäufigkeit für Raucher und Asbestarbeiter, die Beta- Carotin einnahmen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass starker oxidativer Stress zum Abbau von Beta-Carotin führt, wobei eine größere Menge unterschiedlicher Abbauprodukten mit prooxidativen Eigenschaften entsteht, wie etwa die Apo-Carotenale. Gemische dieser Abbauprodukte, die über Hypochloritbehandlung von Beta-Carotin hergestellt wurden, und Apo-8-Carotenal (Apo-8), eines der Hauptabbauprodukte, erwiesen sich in weiterer Folge als gentoxisch in Kulturen primärer Rattenhepatocyten. Darüber hinaus ergab sich auch für Beta-Carotin unter oxidativem Stress eine gentoxische Wirkung, was auf die gebildeten Abbauprodukte zurückgeführt werden könnte. Um das toxikologische Potential von Beta- Carotin unter oxidativem Stress im Bezug auf das beobachtete Lungenkrebsrisiko zu untersuchen, wurden Primärkulturen von Rattenpneumocyten mit Beta-Carotin Abbauprodukten und Apo-8 sowie Beta-Carotin unter oxidativem Stress (induziert durch Dimethoxynaphthoquinone (DMNQ) oder Hypoxie/Reoxygenierung) behandelt. Während der COMET-Assay eine dosisabhängige Zunahme von DNA-Strangbrüchen nach Behandlung mit den Beta-Carotin Abbauprodukten und Apo-8, und eine signifikante Zunahme der DNA- Schäden in der Reoxygenierungsphase in Anwesenheit von Beta-Carotin ergab, zeigte sich im Mikrokern-Assay kein direkter Hinweis auf Mutagenität. Stattdessen wurden bei der höchsten Beta-Carotin Konzentration (50 M) bei oxidativem Stress durch DMNQ signifikant erhöhte Apoptoseraten sowie signifikant reduzierte Zelldichten und Teilungsraten nachgewiesen, was darauf hinweist, dass die zunehmende Cytotoxizität die Mikrokernbildung maskiert. Aufgrund dieser Beobachtungen kann man sich folgende Wirkweise bei der Krebsentstehung vorstellen: Die beim Rauchen inhalierten Partikel führen in der Lunge zu einer Aktivierung von Alveolarmakrophagen und Neutrophilen, welche zur Bildung von reaktiven Sauerstoffradikalen führt, die zusammen mit den im Tabakrauch enthaltenen Radikalen unterschiedlicher Reaktivität (ungefähr 1015 Radikale pro Zug) zu einer chronischen Schädigung der Lunge führen. Die Konsequenz sind chronisch entzündliche Prozesse, die zur Lungenkrebsentstehung beitragen. In der Anwesenheit von ß-Carotin können die gebildeten Sauerstoffradikale zusätzlich zur Bildung von toxischen Abbauprodukten führen, die die entzündlichen Prozesse verstärken und somit das Krebsrisiko erhöhen. In Vorversuchen mit aktivierten Alveolarmakrophagen konnte die Bildung von toxischen Beta- Carotin -Abbauprodukten bereits analytisch verifiziert werden.