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Authors: Dietrich, Karin
Title: Adaption an Fremdstoff-Exposition : Mechanismus multi-generationaler Effekte nach Xenosensor-Aktivierung
Online publication date: 2-May-2018
Language: german
Abstract: Eine wichtige Grundvoraussetzung für das Überleben ist die Fähigkeit zur Anpassung an dynamische Umweltfaktoren, welche eine unmittelbare Reaktion zur Aufrechterhaltung der Homöostase des endogenen Stoffwechsels erfordern. Einer dieser dynamischen Faktoren ist die Vielzahl der Fremdstoffe (Xenobiotika), denen jeder Organismus permanent ausgesetzt ist und welche potentiell gesundheitsbelastend oder toxisch sind. Um eine möglichst schnelle Ausscheidung schädlicher Substanzen zu gewährleisten werden Fremdstoffe beim Menschen und anderen Säugern durch die nukleären Rezeptoren CAR und PXR detektiert. Die Bindung von Xenobiotika an diese Rezeptoren aktiviert deren Aktivität als Transkriptionsfaktoren, wodurch die Expression von Enzymen und Transportern der Biotransformation in Leber und Dünndarm erheblich gesteigert wird. Diese Induktion ermöglicht die beschleunigte Metabolisierung und Exkretion von Fremdstoffen, beeinflusst jedoch auch diverse endogene Stoffwechselwege, da viele Metabolite wie Gallensäuren und Steroidhormone ebenfalls Zielstrukturen der Detoxifizierung sind. Bislang ging man deshalb davon aus, dass die Induktion des Xenobiotikametabolismus reversibel und auf die Expositionszeit begrenzt ist, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu minimieren. Eine aktuelle Veröffentlichung und die der vorliegenden Arbeit vorangegangene Forschungstätigkeit der Arbeitsgruppe zeigten jedoch anhaltende und multigenerationale Expressionssteigerung von Cyp2b10 nach einmaliger Exposition gegenüber TCPOBOP – einem murinen CAR-Liganden. Nach Bestätigung der Induktion auf biologisch aktiver Proteinebene konnte in dieser Arbeit durch Zoxazolamin-Paralyseversuche nachgewiesen werden, dass diese Expressionssteigerung sowohl in exponierten Tieren als auch in der Folgegeneration den Fremdstoffmetabolismus anhaltend beeinflusst. Um den endogenen Einfluss von CAR weiter zu charakterisieren, wurden im Verlauf dieser Arbeit auch Knochenhomöostase und Energiemetabolismus auf anhaltende und generationsübergreifende Effekte nach TCPOBOP Exposition untersucht. Mikro-CT-Untersuchungen von Tibien und Wirbelkörpern exponierter Tiere legten knochenanabole Prozesse nahe; parallele ELISA-Analysen von Serummarkern für Knochenauf- und –abbau bestätigten diese. Multigenerational waren jedoch keine strukturellen Unterschiede im Knochen zu erkennen. Lediglich die erhöhte Serumkonzentration des anabolen Markers und Osteoidbestandteils Osteocalcin konnte in beiden Generationen gezeigt werden. Versuche mit hochkalorischer Ernährung bestätigten für exponierte Tiere – jedoch nicht für die Folgegeneration - die in der Literatur bereits mehrfach beschriebene Protektion vor Übergewicht. Glukosetoleranztests und Untersuchungen der Serum-Lipidzusammensetzung mittels HPLC-Größenausschlusschromatographie zeigten parallel anhaltend und generationsübergreifend verbesserte Glukosetoleranz sowie reduzierte Konzentrationen von Gesamtcholesterin, HDL und LDL. In Anbetracht der somit breit gefächerten Konsequenzen der persistierenden multigenerationalen Aktivierung von CAR, war es eine zentrale Zielsetzung der vorliegenden Arbeit den zugrundeliegenden Übertragungsmechanismus zu identifizieren. Nachdem Versuche eine Übertragung durch die männliche Keimbahn ausgeschlossen hatten, konnte mit Hilfe von in-vitro Fertilisationen und Embryotransferexperimenten zunächst nachgewiesen werden, dass die Transmission in der weiblichen Linie post-konzeptionell erfolgt und nicht auf epigenetische Veränderungen der Eizellen zurückzuführen ist. Ergänzend durchgeführte Fremdpflegeversuche belegten, dass die Übertragung der Induktion überwiegend während der Brutpflege durch den TCPOBOP-Transfer mit der Muttermilch und nur zu geringen Anteilen intra-uterin erfolgt. Erste im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführte Tests zur Transmission klinisch genutzter Medikamente fielen negativ aus, da die verwendeten Pharmaka deutlich hydrophiler als TCPOBOP waren und entsprechend nicht im Fettgewebe akkumulieren konnten. Vergleichbare Effekte wie sie in den Tierversuchen mit TCPOBOP beobachtet wurden, sind dennoch auch beim Menschen durchaus vorstellbar, da zahlreiche in der Umwelt weit verbreitete Pestizide ähnliche physikochemische Stoffeigenschaften wie TCPOBOP aufweisen. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen somit nahe, dass persistierende lipophile Substanzen in der weiblichen Linie durch direkte Übertragung multigenerationale Effekte hervorrufen und die Gesundheit von Nachkommen auch bei Exposition lange vor der Schwangerschaft nachhaltig beeinflussen können. Entsprechend sollten Studien zur Risikobewertung lipophiler anthropogener Substanzen wie beispielsweise Pharmakovigilanzanalysen klinisch genutzter Wirkstoffe bei Frauen immer auch generationsübergreifende Untersuchungen einschließen.
A basic requirement for survival is the ability of adaption to dynamic environmental factors which demand an immediate reaction to maintain the homeostasis of the endogenous metabolism. One of these dynamic factors is the variety of potentially deleterious or even toxic xenobiotics that each organism is exposed to permanently. To ensure that harmful substances get eliminated as quickly as possible, xenobiotics in humans and other mammals are detected by the nuclear receptors CAR and PXR. Binding to these receptors activates their activity as transcription factor which induces the expression of enzymes and transporters of the biotransformation in liver and small intestine. This induction allows the accelerated metabolization and excretion of xenobiotics but also influences various endogenous metabolic pathways as many metabolites such as bile acids and steroid hormones are target of the detoxification as well. Up to now, it was assumed that the induction of the biotransformation is reversible and limited to the presence of xenobiotics to minimize disturbances of the endogenous metabolism. However, a recent publication and the previous research activities of our group showed persistent and multigenerational induction of Cyp2b10 after a single exposure to the murine CAR ligand TCPOBOP. Within the present work this induction was validated on biologically active protein level before it was demonstrated by means of zoxazolamine paralysis assays that the increase in expression influences the metabolism of xenobiotics both in exposed animals and in the subsequent generation. To further characterize the endogenous influence of CAR, bone homeostasis and energy metabolism were analyzed regarding persistent and cross-generational effects after TCPOBOP exposure. Micro-CT studies of tibias and vertebral bodies of exposed animals suggested anabolic processes in bone which was confirmed by concurrent ELISA analyses of serum markers for bone buildup and degradation. Multigenerational no structural differences in bone were found though. Only the increased serum concentration of the anabolic marker and osteoid component osteocalcin could be demonstrated in both generations. Experiments with high-fat-diet verified a protection against overweight as discussed in literature but only for exposed animals and not for the subsequent generation. Concurrent glucose tolerance tests and studies of the serum lipid composition by HPLC size exclusion chromatography showed persistently and cross-generationally improved glucose tolerance as well as reduced concentrations of total cholesterol, HDL and LDL. Considering the wide-ranging consequences of the persistent multigenerational activation of CAR, it was a central objective of the present work to identify the underlying transmission mechanism. After experiments had excluded transmission through the male germ line, it was possible to demonstrate by means of in vitro fertilization and embryo transfer that the transmission in the female line takes place post-conceptional and is not due to epigenetic changes in oocytes. Additional cross-fostering experiments proved transmission to be mediated predominantly via lactation and only to a minor part via intra-uterine exposure. First tests regarding the transmission of clinically relevant drugs were negative as the drugs used were distinctly more hydrophilic than TCPOBOP and did not accumulate in lipophilic tissue therefore. However, effects comparable to those observed in animal experiments with TCPOBOP are also conceivable in humans, since numerous pesticides widely used in the environment have similar physicochemical properties as TCPOBOP. Thus, the results of this work suggest that persistent lipophilic substances can evoke multigenerational effects by direct transmission of the xenobiotic substance in the female line resulting in lasting effects on the health of offspring even if exposure took place long before pregnancy. Accordingly, examinations for risk assessment of lipophilic anthropogenic substances such as pharmacovigilance analyzes of clinically used drugs in women should always include cross-generational studies.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 04 Medizin
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2662
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xii, 150 Seiten
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