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Interactions of selected polyphenols with drugs and food contaminants
Georg Aichinger
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)
Betreuer*in
Doris Marko
DOI
10.25365/thesis.48755
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18519.51129.869472-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Polyphenole sind eine bedeutende Klasse von sekundären Pflanzenstoffen und vielen
Substanzen aus dieser Klasse werden antioxidative und chemopräventive Wirkungen
zugeschrieben. Während sich die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten intensiv mit diesen
Effekten und den zugrundeliegenden Mechanismen beschäftig hat, wurde weit weniger in die
Aufklärung der Frage investiert, inwieweit Polyphenole in der Lage sind, andere bioaktive
Substanzen in ihrer Wirkung zu beeinflussen.
Ein Bereich, in dem solche Wechselwirkungen von besonderer Signifikanz wären, ist die
Chemotherapie. Nachdem ihr Ziel darin besteht, das Wachstum von Krebszellen zu
unterbinden, wäre es unerwünscht, wenn Polyphenole diese beschützen würden. Umgekehrt
wäre eine Verstärkung der medikamentösen Effekte durch natürliche Komponenten mit sehr
geringen Nebenwirkungen von großem pharmazeutischen Wert. Außerdem wäre es denkbar,
dass Polyphenole mit sehr geringer Bioverfügbarkeit, wie z.B. Anthocyane, den
Gastrointestinaltrakt vor unerwünschten Nebenwirkungen der Chemotherapie schützen
könnten, aufgrund ihrer Abwesenheit in den Zielorganen aber den therapeutischen Erfolg
nicht schmälern würden.
Eine interessante, junge Klasse von Chemotherapeutika wirkt über die Hemmung von
Rezeptortyrosinkinasen (RTK), eine Familie von Rezeptoren, die vor allem für die Vermittlung
von Wachstumssignalen eine bedeutende Rolle spielen. Eine der wichtigsten RTKs ist der
epidermale Wachstumsfaktorrezeptor („epidermal growth factor receptor“, EGFR), der in
Tumorgewebe oft überexprimiert wird und dadurch zum Ziel für therapeutische Ansätze
wurde. Ein prominentes Beispiel für einen EGFR-inhibierenden Wirkstoff ist Erlotinib (ERL), der
bereits zur Behandlung von fortgeschrittenen Pankreas- sowie bestimmten Lungentumoren
zugelassen wurde. Auch für einige Polyphenole, wie z.B. für das Isoflavon Genistein (GEN), das
Anthocyanidin Delphinidin (DEL) bzw. für einen DEL enthaltenden Beerenextrakt wurde
kürzlich eine Hemmung des EGFRs nachgewiesen. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit
eventuelle Auswirkungen dieser Komponenten auf den zytostatischen Effekt von ERL an einer
humanen Krebszelllinie untersucht. Auf der Ebene der Zellwachstumshemmung konnten
mittels Sulforhodamin B (SRB) Assay antagonistische Wechselwirkungen eines
Heidelbeerextrakts, dessen Hauptanthocyans DEL-3O-Glukosid, DELs sowie GENs auf die
zytostatische Wirkung des Chemotherapeutikums nachgewiesen werden. Des Weiteren
konnte für GEN mittels SDS-PAGE/Western Blot als Mechanismus eine Beeinträchtigung der
Fähigkeit ERLs, die Phosphorylierung des EGFRs zu unterdrücken, belegt werden.
Eine weitere Gruppe von bioaktiven Substanzen, bei der Interaktionen mit Polyphenolen
denkbar sind, sind Lebensmittelkontaminanten, wobei insbesondere Mykotoxine von großer
Bedeutung sind. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, inwieweit Polyphenole in
der Lage sein könnten, Zellen vor toxischen Auswirkungen von durch Alternaria spp.
verursachten Kontaminationen zu schützen. Letztere bilden eine Gattung von ubiquitär
verbreiteten Schimmelpilzen, die abhängig von den Wachstumsbedingungen eine große
Anzahl verschiedener Mykotoxine produzieren. Besonders bedeutend ist Alternariol (AOH),
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ein Toxin, das sowohl oxidativen Stress verursacht als auch als Gift der Topoisomerase II
(Topo II), einem Enzym zur Regulation des Verdrillungsgrades der DNA, wirkt und dadurch
DNA-Schäden verursacht. Polyphenole werden generell mit antioxidativen Eigenschaften in
Verbindung gebracht, und einige Vertreter, z.B. DEL und GEN, sind darüber hinaus auch für
die Inhibierung der Topo II bekannt. Für DEL wurden außerdem bereits antagonistische
Wechselwirkungen mit chemotherapeutischen Topo II Hemmstoffen beschrieben. Daher
wurde der Einfluss von DEL und GEN auf die Zyto- bzw. Genotoxizität von AOH in humanen
Kolonkarzinomzellen untersucht. Während nur leichte Interaktionen auf der Ebene der
Zytotoxizität feststellbar waren, wurden auf Ebene der DNA-Schädigung mittels Einzelzell-
Gelelektrophorese („comet assay“) signifikante antagonistische Wechselwirkungen beider
Polyphenole mit AOH festgestellt. Die mechanistische Aufklärung ergab einen
antagonistischen Einfluss auf die Mykotoxin-induzierte Giftung der Topo II durch beide
Flavonoide, sowie eine deutliche Verringerung des induzierten oxidativen Stresses durch DEL.
Weiters wurde auch eine eventuell protektive Wirkung DELs gegenüber Altertoxin II (ATX-II),
das kürzlich als hauptgenotoxische Komponente in einem Extrakt aus auf Reis kultivierten
Alternaria alternata identifiziert wurde, untersucht. Hierbei war ein überraschend starker
protektiver Effekt DELs auf Ebene der Gentoxizität zu beobachten. Beim Versuch einer
mechanistischen Aufklärung dieses Effekts konnte mittels LC-MS gezeigt werden, dass eine
simultane Inkubation mit DEL und/oder dessen Abbauprodukten signifikant verringerte ATXII
Konzentrationen in wässrigen Lösungen zur Folge hat. Dieses Ergebnis deutet darauf hin,
dass eine direkte chemische Reaktion zwischen dem Polyphenol und dem Mykotoxin
stattfindet, die zur Verringerung der Toxizität führt.
Zusammenfassend demonstriert diese Doktorarbeit anhand ausgewählter Beispiele das hohe
Potential von Polyphenolen, die Wirkung anderer bioaktiver Verbindungen zu beeinflussen.
Die beobachteten Wechselwirkungen finden auf unterschiedlichen Ebenen statt. So konnte
ein Einfluss der untersuchten Polyphenole auf die Zytotoxizität, die Genotoxizität, die RTKund
Topo- Inhibierung, die Induktion von oxidativem Stress sowie auf die chemische Stabilität
der anderen Testkomponenten beobachtet werden. Generell deuten die Daten darauf hin,
dass Polyphenole meist einen antagonistischen, also abschwächenden Einfluss auf die
Toxizität anderer Substanzen ausüben. Dieser Umstand ist im Falle von
Lebensmittelkontaminanten sicherlich erfreulich, sollte jedoch mit Vorsicht bedacht werden,
wenn die Kombination pharmazeutische Wirkstoffe und insbesondere Chemotherapeutika
betrifft.
Abstract
(Englisch)
In recent years much research was dedicated to the impact of bioactive food constituents on
health and disease prevention. In particular, the class of polyphenols has been in the spotlight
as many compounds were found to possess anti-oxidative and chemopreventive properties
through a spectrum of different mechanisms. Yet until now, considerably less attention was
given to the possibility that this compounds might interact with other bioactive agents like
drugs or food contaminants.
One field where such interactions could have a tremendous impact is chemotherapy, where
the aim is to suppress the proliferation of cancer cells. If those were protected by food
constituents this might negatively influence the outcome of the therapy. But also beneficial
effects seem conceivable, as some polyphenols – for example anthocyanins - have a very low
systemic bioavailability, limiting their site of action mostly to the gut. Here, they might
hypothetically protect non-cancerous cells from severe side effects of drugs without
interfering with the therapy targeting a different organ. One interesting new family of
chemotherapeutic drugs is the class of receptor tyrosine kinase (RTK) inhibitors, which are
preventing those receptors to engage in growth signalling. But also some polyphenols, for
example the soy isoflavone genistein (GEN) or the berry anthocyanidin delphinidin (DEL), were
previously described to inhibit RTKs, including the epidermal growth factor receptor (EGFR).
Thus, in the frame of this thesis, in vitro experiments were conducted combining erlotinib
(ERL), an EGFR inhibitor approved for the treatment of late stage lung and pancreatic cancer,
with the latter polyphenols. The focus hereby lay on interactions at the level of cell growth
inhibition by conducting SRB assays and of the inhibition of EGFR phosphorylation by SDSPAGE/
Western blot. GEN, a polyphenol-rich bilberry extract, its major anthocyanin
delphinidin-3O-glucoside and the corresponding anthocyanidin DEL were observed to
antagonistically influence cell growth inhibition by erlotinib. For GEN this effect could be
related to an interference with EGFR inhibition, while for the other compounds a different
mechanism has to be considered.
But polyphenols might also alter the toxicity of food contaminants. For example, molds of the
genus Alternaria are frequently found to contaminate different foods and produce a wide
range of different mycotoxins, of which some have been found to be genotoxic. Alternariol
(AOH) was recently described to act both as an inducer of oxidative stress and as a poison of
topoisomerase II (Topo II), an enzyme crucial for maintaining DNA integrity, and thus to induce
DNA damage. Additionally, both GEN and DEL were previously described to inhibit Topo II. DEL
was also found to decrease the effects of Topo-poisoning chemotherapeutic agents like
irinotecan or doxorubicin. Thus, a similar protective effect of the latter polyphenols against
AOH-induced genotoxicity seemed conceivable, even more so as polyphenols in general and
especially anthocyanidins are also known to counteract oxidative stress. In vitro experiments
were conducted with HT-29 colon carcinoma cells to assess such interactions at the levels of
cytotoxicity with sulforhodamine B (SRB) and water soluble tetrazolium (WST-1) assays, of
genotoxicity with the comet assay, of topoisomerase poisoning with the in vivo complex of
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enzyme assay and of oxidative stress with the dichlorofluorescein assay. While only weak
interactions were observed regarding cytotoxicity, both polyphenols were found to interact
antagonistically with the DNA-breaking properties of AOH. Both polyphenols reduced the
amount of topoisomerase/DNA complexes stabilized by AOH in the ICE assay, thus interacting
with the mycotoxin’s prime mode of action, the topoisomerase poisoning. Furthermore, DEL
protected from the induction of oxidative stress by AOH in the DCF assay. Taken together, this
study gave a first insight in protective effects of polyphenols against an Alternaria-induced
toxic effects.
Another mycotoxin produced by Alternaria spp. is altertoxin II (ATX-II), which was recently
shown to be the main genotoxic compound of an extract from Alternaria alternata – infested
rice. When DEL was co-incubated with this toxin, its protective impact against ATX-II - induced
DNA damages by far exceeded the antagonistic effect with AOH in the comet assay
experiments. In search of a mechanism, DEL and its degradation products were found to
significantly decrease ATX-II levels in aqueous solutions, indicating a direct chemical reaction
with the mycotoxin.
Conclusively, this thesis demonstrates the high potential of polyphenols, in particular
anthocyanins, to interfere with other bioactive compounds. Interactions at a range of different
biological levels could be observed, including cytotoxicity, genotoxicity, EGFR activation,
topoisomerase poisoning, oxidative stress and chemical degradation. In general the collected
data indicates that polyphenols exert mainly antagonistic, i.e. protective, effects. While this
seems desirable when it comes to food contaminants it should be taken into account in case
of drug interactions, in particular with chemotherapy.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Polyphenole Erlotinib Mykotoxine Alternaria Interaktion Synergismus Antagonismus in vitro
Autor*innen
Georg Aichinger
Haupttitel (Englisch)
Interactions of selected polyphenols with drugs and food contaminants
Paralleltitel (Deutsch)
Wechselwirkungen ausgewählter Polyphenole mit Medikamenten und Lebensmittelkontaminanten
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
66 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Bettina Grasl-Kraupp ,
Margit Cichna-Markl
Klassifikation
35 Chemie > 35.99 Chemie: Sonstiges
AC Nummer
AC14539809
Utheses ID
43086
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |