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Electron emission and biological consequences of hormones in polar media, studied on testosterone, progesterone, 17 beta-Estradiol and Genistein

Heike Schittl

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Nikola Getoff

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DOI

10.25365/thesis.15444

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29596.50921.945053-1

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In den letzten Jahrzehnten wurde ein rascher Anstieg von Brust- und Prostatakrebsfällen in den westlichen Ländern beobachtet. Neben Lifestyle-Faktoren wie Ernährung usw., rückten auch immer mehr die Sexualhormone und ihre Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Karzinomen ins Zentrum des wissenschaftlichen Interesses, hierbei v.a. die spezifische Wirkung ihrer Metaboliten. In diesem Zusammenhang wurde kürzlich erstmals nachgewiesen, dass Sexualhormone wie 17β-Östradiol (E2) und Progesteron (P4) in der Lage sind, in polarem Medium Elektronen zu emittieren, wenn sie in ihrem Singlett-Zustand angeregt werden. Die dabei entstehenden Hormontransienten führen daraufhin zur Bildung von Metaboliten, von denen manche neoplastische Prozesse einleiten. Daher ist es von großem Interesse, weitere Sexualhormone in dieser Hinsicht zu erforschen und das Verhalten der resultierenden Transienten zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass das Sexualhormon Testosteron (T), gelöst in 60% Ethanol und 40% dreifach destilliertem Wasser, auch Elektronen emittiert, wenn es in seinem Singlett-Zustand angeregt wird. Die Anregung erfolgte hierbei durch UV-Bestrahlung mit monochromatischem Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm. Ebenso wurde für das Phytohormon Genistein (GEN) gezeigt, welches ursächlich mit dem relativ niedrigen Auftreten von Brustkrebs in Asien in Verbindung gebracht wird, dass es in der Lage ist, Elektronen zu emittieren. Die aus der Elektronenabgabe resultierenden Hormonprodukte konnten ebenso Elektronen emittieren, aber mit geringerer Quantenausbeute an solvatisierten Elektronen (Q(e-aq)), wie aus den gefundenen zweiten und dritten Maxima der Elektronenemissionskurven festzustellen war. Interessanterweise verminderte sich Q(e-aq) mit steigender Hormonkonzentration, was auf die Bildung von Hormonassoziaten zurückzuführen ist. Da T und GEN dazu fähig sind, sowohl Elektronen zu emittieren als auch aufzunehmen, wurden sie als „Elektronenmediatoren“ klassifiziert. Im Vergleich der Elektronenemission von T und P4 stellte sich heraus, dass Q(e-aq) von T 3,6mal höher ist. Eine Erklärung hierfür liegt in der unterschiedlichen Molekularstruktur der beiden Hormone: Während T eine Hydroxylgruppe an Position 17 von Ring D trägt, welche die Elektronenemission begünstigt, ist bei P4 an gleicher Stelle eine Karbonylgruppe, welche einen Teil der emittierten Elektronen von T aufnimmt. Hierdurch kam es zu einer partiellen Widerherstellung von T. In weiterer Folge wurde anhand von Vitamin C (vitC), welches ein gutes Beispiel für einen starken Elektrondonor darstellt, mithilfe der HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie) gezeigt, dass die aus der Elektronenemission resultierenden Hormontransienten zumindest teilweise regeneriert werden können durch Elektronentransfer, sofern sie sich noch in ihrem „Status nascendi“ befinden. Hierbei konnte aus den erhaltenen anfänglichen Quantenausbeuten berechnet werden, dass unter den gegebenen experimentellen Bedingungen T zu 58,6% durch vitC regeneriert werden kann. Desweiteren wurde festgestellt, dass sich der Abbau von T in Gegenwart von vitC erheblich verzögert. Durch die Regeneration von Hormonen wird erwartet, dass sich nur vermindert krebserregende Metaboliten bilden. Die Auswirkung von oxidierenden und reduzierenden freien Radikalen auf Hormonmetaboliten wurde mithilfe von In vitro Experimenten mit Escherichia coli Bakterien simuliert. Durch die Sättigung der Bakterien enthaltenden Lösungen mit verschiedenen Gasen vor der γ-Bestrahlung konnten definierte Konzentrationen und Arten von freien Radikalen als Produkte der Wasserradiolyse hergestellt werden: In lufthältigem Medium waren dies 46% OH• und 54% O2•-, in N2O-gesättigtem Medium 90% OH• und 10% H• und luftfreiem Medium (gesättigt mit Argon) 44% e-aq, 10% H• und 46% OH•. Im Rahmen der Experimente wurde festgestellt, dass wasserlösliches E2 (wsE2), welches als Komplex mit 2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HBC) vorliegt, ein sehr wirksamer Fänger von OH• und O2•- ist. Unter dem Einfluss von reduzierenden Radikalen (e-aq, H•) zeigte sich eine starke, antiproliferative Wirkung von wsE2 auf die Bakterien. Konträre Ergebnisse wurden für wasserlösliches P4 alleine (wsP4, im Komplex mit HBC) und im Gemisch mit wsE2 gefunden, was darauf hindeutet, dass eine Kombination der beiden Hormone zu einer erheblichen Reduzierung der karzinogenen Metaboliten von wsE2 führen könnte. T und vitC wurden auch im Rahmen von In vitro Experimenten mit Escherichia coli Bakterien untersucht. Allen Medien wurde hierbei 4x10-2 mol/L Ethanol zugesetzt, da T nicht in reinem Wasser löslich ist. Da Ethanol ein guter Fänger von allen primären freien Radikalen außer e-aq ist, waren in lufthältigem Medium nur oxidierende Radikale vorhanden und in Medien gesättigt mit N2O oder Argon überwiegend reduzierende Spezies. Die aus dem Angriff von oxidierenden Radikalen entstehenden Zwischenprodukte von T zeigten eine schwach zytotoxische Wirkung auf die Bakterien. Unter dem Einfluss von reduzierenden Radikalen induzierte T hingegen starke Proliferation. VitC intensivierte den jeweiligen Effekt von T. Die erhaltenen Ergebnisse ermöglichen einen tieferen Einblick in das biologische Verhalten von Sexualhormonen und ihren Metaboliten. Mögliche Reaktionsmechanismen von Hormonen mit freien Radikalen werden präsentiert, aber es sind weitere strahlenbiologische Untersuchungen vonnöten, da die Reaktionsmechanismen sehr kompliziert sind und mit vielen anderen biologischen Prozessen überlappen. Die Pulsradiolyse-Methode könnte bedeutend zur Aufklärung dieser Prozesse beitragen. Die Experimente mit Hormon-vitC-Kombinationen könnten neue Ansätze zur Anwendung von Hormonen in der Medizin aufzeigen.

Abstract

(Englisch)

In recent years, a rapid increase of breast and prostate cancer incidence was observed in the Western countries. Besides lifestyle factors like nutrition etc., sexual hormones and their role in the initiation and progression of cancer development became a centre of interest, especially the action of their individual metabolites. Recently, it was proven that the sex hormones 17β-estradiol (E2) and progesterone (P4) are able to eject electrons (e-aq) in polar media, when excited in their singlet state. The originating hormone transients are subsequently forming metabolites, some of which can initiate neoplastic processes. Therefore, it is of interest to investigate other sex hormones in this respect and to examine the fate of the resulting transients. Now, testosterone (T) is found for the first time to eject electrons in a solvent mixture of 60% ethanol and 40% triply-distilled water, when excited to its singlet state by UV-irradiation with monochromatic light of 254 nm wavelength. The phytoestrogen genistein (GEN), which contributes to the comparatively low breast cancer incidence in Asian countries, emits electrons from its excited singlet state, as well. The resulting hormone products can likewise eject e-aq, but with lower quantum yields of solvated electrons, Q(e-aq), as can be seen by the observed 2nd and 3rd maxima of electron emission. Due to the formation of hormone associates, Q(e-aq) is decreasing with increasing concentration of hormones. As T and GEN are able to emit and to consume electrons, they are classified as “electron mediators”. Comparing the electron emission of T and P4, Q(e-aq) from T turns out to be 3.6 times higher. This fact is due to the different molecular structures of the hormones at position 17 of ring D: T carries a hydroxyl group favouring the electron emission, and P4 a carbonyl group, which consumes a part of the emitted e-aq from T, leading to a partial regeneration of T. Using vitamin C (vitC) as representative for potent electron donors, it is further shown by high performance liquid chromatography (HPLC) that hormone transients resulting from electron emission can be partly regenerated, if they are still in “status nascendi”, by transfer of electrons from an electron donor. T can be regenerated to 58.6% by vitC, which is calculated from the obtained initial quantum yields. Furthermore, the degradation of T is delayed in the presence of vitC. As a consequence of the regeneration of hormones, a decreased formation of carcinogenic metabolites is expected. In experiments in vitro using Escherichia coli (E. coli) bacteria as a model, the effect of the simultaneously generated oxidizing and reducing free radicals on the metabolites of different hormones is simulated. Saturation of the bacteria containing medium with various gases before γ-irradiation allows the production of certain concentrations and kinds of primary free radicals as a result of water radiolysis: in aerated medium 46% OH• and 54% O2•-, in medium saturated with N2O 90% OH• and 10% H•, and in medium with argon 44% e-aq, 10% H• and 46% OH•. Hereby, water-soluble E2 (wsE2) with incorporated 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HBC) is found to be a very powerful scavenger of OH• and O2•- radicals. Under the attack of reducing species (e-aq, H•) wsE2 exhibits strong anti-proliferative properties. Water-soluble P4 (wsP4) with incorporated HBC and mixtures of wsE2 and wsP4 exhibit contrary effects compared to wsE2, indicating that a combination of wsP4 and wsE2 may strongly reduce the number of carcinogenic metabolites of wsE2. T, vitC and their mixture are investigated in a medium containing 4x10-2 mol/L ethanol, which has a strong scavenging ability for all primary free radicals except e-aq. However, in aerated media oxidizing species are operating, whereas in media saturated with argon or N2O reducing species predominate. T intermediates resulting from attack of oxidizing free radicals show weak cytotoxic properties, but under reducing conditions, T induces strong proliferation of E. coli bacteria. These effects are both intensified, when T is combined with vitC. The present results offer a deeper insight in the biological behaviour of sex hormones and their metabolites. Possible reaction mechanisms of hormones and free radicals are presented, but further radiobiological investigations are required, as the reaction mechanisms are very complicated and overlap with many other biological processes. The pulse radiolysis method could essentially contribute to the elucidation of these processes. The combination experiments with vitC might show new approaches for the application of hormones in medical therapies.

Autor*innen

Heike Schittl

Haupttitel (Englisch)

Electron emission and biological consequences of hormones in polar media, studied on testosterone, progesterone, 17 beta-Estradiol and Genistein

Paralleltitel (Deutsch)

Die Elektronenemission von Hormonen in polarem Medium und daraus resultierende biologische Konsequenzen, untersucht an Testosteron, Progesteron, 17β-Estradiol und Genistein

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

VII, 108 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Jean-Paul Jay-Gerin ,

Christian Schneeberger

Klassifikationen

35 Chemie > 35.74 Enzyme, Hormone, Vitamine ,

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.14 Strahlenbiologie ,

44 Medizin > 44.89 Endokrinologie

AC Nummer

AC08795257

Utheses ID

13861

Studienkennzahl

UA | 091 | 442 | |

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