Chemische Kanzerogenese - rechtsmedizin.uni-bonn.de · Chemische Kanzerogenese Dr. rer. nat. Cornelius Courts 28.05.2014 Institut für Rechtsmedizin Diese Folie ist Teil der Vorlesung

Chemische Chemische KanzerogeneseKanzerogeneseDr. rer. nat. Cornelius Courts28.05.2014

Institut fInstitut füür r RechtsmedizinRechtsmedizin

Diese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts

02.06.2014 Seite 2

Definitionen und BegriffeKrebs von griech. karkinos / lat. cancer

Tumor: Krebsgeschwulst

Bezeichnung maligner Tumoren mit Endung „-om“:

- Karzinom (Deckepithel)

- Sarkom (Stützgewebe)

- Lymphom (Blut/Knochenmark) Lungenkarzinom

„… und an der Brust sahen wir häufig Tumoren, die der Gestalt eines Krebses sehr ähnlich waren. So wie die Beine des Tieres an beiden Seiten des Körpers liegen, so verlassen die Venen den Tumor, der seiner Form nach dem Krebskörper gleicht.“

– Galenos von Pergamon


02.06.2014 Seite 3

Definitionen und Begriffe

Chemische Kanzerogenese:Initiation eines Prozesses von unkontrollierter Neubildung (Neoplasie) von Geweben infolge der Einwirkung krebserzeugender Stoffe.Karzinogene/Kanzerogene:Substanzen, die eine Umwandlung von normalen Zellen in Tumorzellen durch Veränderung der DNA und damit Initiation eines Tumors bewirken.

⇒ Krebs ist eine genetische Erkrankung


02.06.2014 Seite 4

Die sechs Kennzeichen von Krebs*

1.) Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren2.) Unempfindlichkeit gegen Hemmfaktoren3.) Immunität gegen Apoptose4.) Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung5.) fortgesetzte Angiogenese6.) Gewebeinfiltration und Metastasierung

7.) Deregulierung des Energiestoffwechsels 8.) Umgehen der Immunantwort

a) Genomische Instabilitätb) tumorfördernde Entzündungsreaktion

* Cell. 2011 Mar 4;144(5):646-74.

aktivierende Charakteristika

Kennzeichen „auf Probe“


02.06.2014 Seite 5

Krebs – Epidemiologiehäufigste Todesursachengruppen (2007, Deutschland)


02.06.2014 Seite 6

Krebs – EpidemiologieProzentanteil ausgewählter Tumorlokalisationen an allen Krebsneuerkrankungen (Deutschland)


02.06.2014 Seite 7

Krebs – EpidemiologieDie 20 häufigsten Krebstodesursachen 2007 Altersstandardisiert, pro 100.000

Männer Frauen


02.06.2014 Seite 8

Übersicht

• Zellzyklus und DNA• Der Ablauf der Kanzerogenese

- Drei-Stufen-Modell (veraltet)- Onkogene und Tumorsuppressorgene- Mehrstufen-Modell

• Die Auslöser (Kanzerogene)• DNA-Modifikationen: Schäden und Mutationen• Physikalische und biologische Kanzerogenese• Chemotherapie

→ demnächst hier: http://www.rechtsmedizin.uni-bonn.de/studium/


02.06.2014 Seite 9

Der Zellzyklus

Der Zellzyklus ist in mehrere Phasen unterteilt:

G0-Phase: Phase zwischen den ZellzyklenG1/G2-Phasen:

Ausdehnungsphasen mit NährstoffaufnahmeS-Phase: DNA-Replikation

(Chromatiden werden verdoppelt)M-Phase: Eigentliche Teilungsphase

(M: Mitose)

Die Steuerung des Zellzyklus‘ und damit der Zellteilung unterliegt einer strengen Kontrolle!


02.06.2014 Seite 10

Grundstruktur und Nomenklatur der DNA-Bausteine

Deoxythymidin-5-phosphat (dTMP)

Deoxycytidin-5-phosphat (dCMP)Deoxyguanosin-5-phosphat (dGMP)

Deoxyadenosin-5-phosphat (dAMP)

Pyrimidine Purine

Bindungspartner

Grundbauplan von

Nukleotiden

T = A

C ≡ G


02.06.2014 Seite 11

Ausschnitt aus einemDNA-Einzelstrang

» Orientierung von 5´-Phosphatende in Richtung 3´-OH-Ende (5‘→ 3‘)

» Verbindung der Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen: R-O- P- O-R

» Es gibt versch. Kurzschreibweisen für DNA-Ketten:

5‘-Ende

3‘-Ende

=O

-O


02.06.2014 Seite 12

DNA-Struktur: Doppelhelix

» Grundlagen für die Aufklärung der DNA-Struktur:– Chargaff´sche Regel der Basenverhältnisse:

(T + C) = (A + G)– Hinweis auf Komplementarität der Basenpaare A-T und G-C– Röntgenstrukturanalysen (durchgeführt v.a. durch Maurice

Wilkins u. Rosalind Franklin)

» Die beiden Stränge sind komplementär zueinander und antiparallel (5´-3´- bzw. 3´-5´- Strang)

» Implikationen aus der DNA-Struktur: Sequenz der Nukleotide für genet. Information verantwortlichReplikationsmodell wurde vorgeschlagen

» Nobelpreis 1962 für J. Watson u. F. Crick

» 2013: DNA wird 60!DNS-Doppelhelix nach James

Watson & Francis Crick, Nature, 1953

(34 Angström = 3,4 nm)


02.06.2014 Seite 13

Was hält die Doppelhelixzusammen?

I n s t i t u t f ü r R e c h t s m e d i z i n

ElektronegativitätΔ = 1,24


02.06.2014 Seite 14

Wasserstoffbrückenbindungen

I n s t i t u t f ü r R e c h t s m e d i z i n

3‘- Ende 5‘- Ende

5‘- Ende 3‘- EndeAngström

» Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren

2x

3x


02.06.2014 Seite 15

Struktur der DNA-Doppelhelix

Zucker-Phosphat-Rückgrat

2D3D


02.06.2014 Seite 16

Entstehung von Krebs„Drei-Stufen-Modell“ (veraltet)

Initiation

Promotion

Progression

Normale Zelle DNA-Schäden durch Chemikalien, Strahlung, Viren etc. (Mutationen sammeln sich an)

Initiierte Zelle(Selektive klonale Expansion)

Präneoplastische Läsion(genetische Veränderungen)

Bösartiger Tumor(Metastasierung)


02.06.2014 Seite 17

Chemische KanzerogeneseSchematisch

Nahrung

Kanzerogen

Co-Kanzerogen(Promotor)

DNADNA

mutierte DNA

KANZEROGENESE

K R E B S K R E B S

Zelltod

Reparatur

Antipromoter

enthält mutiert

leitet ein

führt zu

Promotion

Initiation

beschleunigt hemmt


02.06.2014 Seite 18

Beispiele für Promotoren

Saccharin 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin

Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) Phenobarbital Butylhydroxytoluol (BHT) E321

Ethanol !Männer: max. 24 g/d! Frauen: max 12 g/d!


Zusammenwirken von Initiation und Promotion


02.06.2014 Seite 20

Proto-onkogene und Onkogene

»Proto-Onkogene sind in jeder teilungsfähigen Zelle vorhanden»Proto-Onkogene steuern das ‚Teilungsverhalten‘ der Zellen; es

gibt mehrere Klassen (kodierte Proteine sind an Regulation der Proliferation und Differenzierung beteiligt)

»Proto-Onkogene mutieren zu Onkogenen krebsförderndeGene (erhöhte Expression oder Expression zur falschen Zeit sowie qualitative Veränderungen der Onkogenprodukte können krebsauslösend sein)

»Abweichung vom physiolog. Genexpressionsmuster trägt zur Umwandlung in Krebszelle mit ungehemmtem, destruierenden Wachstum bei

maligne Transformation


02.06.2014 Seite 21

Tumorsuppressorgene (TSG)

»TSG sind in jeder teilungsfähigen Zelle vorhanden

»TSG begrenzen das Zellwachstum, stoppen den Zellzyklus bei DNA-Schäden oder leiten den programmierten Zelltod ein

»Das TSG tp53 ist in ~50% aller menschlichen Tumore durch Mutationen deaktiviert!

»Die Deaktivierung von TSGs trägt zur Umwandlung Krebszelle mit ungehemmtem, destruierenden Wachstum und Immunität gegen den programmierten Zelltod bei

maligne Transformation


02.06.2014 Seite 22

Entstehung von Krebs„Mehrstufen-Modell“

KREBS

Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren

Immunantwort umgehen

Unempfindlichkeit gegen Hemmfaktoren

Immunität gegen Apoptose

Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung

tumorförderndeEntzündungsreaktion

Gewebeinfiltration und Metastasierung

fortgesetzte Angiogenese

Genomische Instabilität

Deregulierung des Energiestoffwechsels


02.06.2014 Seite 23

Die „Auto-Analogie“„Mehrstufen-Modell“

Bremsen kaputt

Gaspedal festgeklemmt

Motorabriegelung deaktiviert

Eigener Tanklaster

Lenkung außer Kontrolle

Verlassen der Strasse

Unabhängigkeit von Wachstums- u. Überlebensfaktoren

Unempfindlichkeit gegen Hemmfaktoren

Immunität gegen Apoptose

Unkontrolliertes Zellwachstum und Zellteilung

Gewebeinfiltration und Metastasierung

fortgesetzte Angiogenese


02.06.2014 Seite 24

Die Ursachen von Krebs

- Alter (Mutationen sammeln sich an)

- Vererbung (Prädispositionen)

- Umwelteinflüsse auf DNA (Karzinogene, Strahlen, Viren)

»Wirkungskumulation: Gesamtzeit des Kontaktes mit karzinogener Substanz bestimmt die Wahrscheinlichkeit der Krebsentstehung; Latenzperiode von 10-20 Jahren

AllgemeinesDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts

02.06.2014 Seite 25

» im Gegensatz zu Einzellern besitzen vielzellige Organismen komplexe Steuerungsmechanismen der Zellteilung(Regelkreise für koordiniertes Wachstum)

»Aufgaben der Ausgangszelle werden nicht (mehr) erfüllt (Hormonproduktion, Abwehr etc.): Zellen verlieren Identität (Entdifferenzierung)

»Stadium der Zunahme der Bösartigkeit (Malignität) durch Hinzukommen neuer mutativer Ereignisse = Progression


02.06.2014 Seite 26

» ca. 1016 Zellteilungen im Laufe eines Menschenlebens; spontane Fehlerrate bei 1:106 bis 1:108; jedes Gen hat 108 - 1010 mal die Chance spontan zu mutieren(+ fremdstoffinduzierte Mutationen)(Hinweis: der Zug einer Zigarette erzeugt bis zu 10.000 Punktmutationen!)

» pro Zelle müssen Ø 2-7 mutagene Ereignisse eintreffen, damit sie maligne entarten kann (Abhängigkeit vom Alter)

Die Wahrscheinlichkeit, an Krebs zu erkranken, steigt mit der Lebenserwartung an: Krebs ist eine Erkrankung des Alters!


02.06.2014 Seite 27

Wie häufig ist chemische Kanzerogenese?

> 65 % aller Krebstodesfälle!


02.06.2014 Seite 28

Krebsrisikofaktoren gem. WHO

⇒ Stoffe oder Prozesse, die im Tierversuch einen der folgenden Vorgänge induzieren:

• Inzidenz von spontanen Tumoren (ohne Zufuhr von kanzerogenen Substanzen) wird erhöht

• Tumore werden erzeugt, die nicht spontan beobachtet werden

• die Latenzzeit bis zum Auftreten eines Tumors wird verkürzt

• die Zahl der Tumore pro Einzeltier wird erhöht


02.06.2014 Seite 29

Typische Eigenschaften von KrebsrisikofaktorenKomplette Kanzerogene Bedingt krebs-

auslösende Faktoren

- Reagieren mit DNA; mutagen

- Reagieren nicht mit DNA; nicht mutagen

- lösen DNA-Reparatur aus - wirken proliferationssteigernd

- initiieren - promovieren

- Wirkung ist irreversibel und additiv

- Wirkung ist reversibel und kann additiv sein

- Keine Wirkungsschwelle - Wirkungsschwelle möglich


02.06.2014 Seite 30

Einteilung der chemischen KanzerogeneEinteilung der Chemischen Kanzerogene in drei Gefahrenkategorien(§ 1.4.2.1 GefStoffV Anhang 1 und Richtlinie 67/548/EWG)

• Kategorie 1 (T und R45 oder R49, je „canc cat. 1“)

- krebserzeugende Wirkung beim Menschen ist bekannt

- Kausalzusammenhang zw. Exposition und Krebsentstehung ist belegt

• Kategorie 2 (T und R45 oder R49, je „canc cat. 2“)

- begründeter Verdacht, daß Exposition zu Krebsentstehung führt (z.B. durch Langzeitversuche etc.)

• Kategorie 3 (R40)- möglicherweise krebserzeugend beim Menschen

- noch nicht genügend Information/Belege für Kat. 2


02.06.2014 Seite 31

Beispiele für chemische KarzinogeneKategorie 1Asbest

Benzol

Dieselabgase

Kategorie 2Acrylamid

Benzpyren

Ottokraftstoff

Kategorie 3Ozon

Oxazepam

Heizöl

(Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)4

Chrysotilasbest

Acrylamid

Benzol 3,4-Benzpyren

Oxazepam


02.06.2014 Seite 32

Nitrosamine, Nitrosamide

• N-Nitrosamine entstehen endogen im sauren Milieu des Magens aus sek. Aminen (diese entstehen aus Proteinen beim Kochen o. Braten) durch Umsetzung mit Nitrit (enthalten in Pökelsalz oder bakterielle Entstehung im Speichel aus Nitrat (Dünger); freigesetzte Amine werden nitrosiert (hemmbar durch Vit. C)

• Nitrosamide reagieren spontan, Nitrosamine erst nach enzym. Oxidation; gleiche Reaktion auch bei Hydrazin- und Azoxy-Verbindungen

• heute Aufnahme < 0,5 μg Nitrosamine/d; vor Jahren Bier mit 6,8 μg/L (Veränderung der Malzgewinnung und Verzicht auf Gerstentrocknung mit heißer Luft); Pökelfleisch mit 12 μg/kg (jetzt Ascorbinsäure)


02.06.2014 Seite 33

Kanzerogene Naturstoffe Mycotoxine (z.B. Aflatoxin)

»Vorkommen in Schimmelpilzen

»hochgradig karzinogen,lösen Leberkrebs aus

»Aufnahme durch verschimmelteNahrungsmittel (v.a. Brot, Nüsse, Getreide)

»Regional differentielle Aufnahmezw. 4-222 µg/kg KG, was gut mit Inzidenz von Lebertumoren korreliert (1-13 / 100.00 Einwohner / Jahr)


http://images.google.de/imgres?imgurl=www.trockenlegung.com/images/cbs31.jpg&imgrefurl=http://www.trockenlegung.com/problem_31.html&h=115&w=150&prev=/images%3Fq%3Dschimmelpilz%26start%3D80%26svnum%3D10%26hl%3Dde%26lr%3D%26sa%3DN

02.06.2014 Seite 34

Weitere chemische Karzinogene

• polyzyklische Aromaten; PAK (Benzol, 3,4-Benzpyren…)

• aromatische Amine (Oxazepam…)

• freie Radikale

• aliphatische Epoxide (Klebstoffe….)


02.06.2014 Seite 35

DNADNA--ModifikationenModifikationenSchSchääden und Mutationenden und Mutationen


02.06.2014 Seite 36

Maßstäbe von Mutationen

Die DNA kann auf verschiedenen Organisationsebenen mutiert werden:

GenommutationVeränderung des Chromosomensatzes durch Verlust/Zugewinn ganze Chromosomen (z.B. bei Fehlern in der Mitose)

Chromosomenmutation- Chromosomenbrüche und Verlust von Teilen - Chromosomentranslokation: Austausch von Chromosomenstücken

Genmutation- Einzelnukleotidaustausche, Insertion, Deletion, Inversion, Verdoppelungen

Maß

stab

-

+


02.06.2014 Seite 37

DNA-Schäden und Mutationen

- DNA-Schäden und DNA-Mutationen sind nicht identisch

- DNA-Schäden erzeugen nicht immer Mutationen- Schäden können erkannt und repariert werden

- bei schwersten Schäden zerstört sich die Zelle selbst

- Mutationen werden nicht immer durch DNA-Schäden erzeugt- Mutationen können spontan entstehen

- DNA-Schäden selbst lösen keinen Krebs aus; Mutationen können Krebs auslösen:

DNA-Schaden (→) DNA-Mutation (→) Krebs


02.06.2014 Seite 38

DNA-Veränderungen im Überblick

Bezeichnung Typ Beispiel

Basenmodifikation S

S

S

S

S

M

M

Deletion M AGCTAGCTA → AGCCTA

M

8-Oxo-7,8-Dihydroguanin , Thymindimere

Strangbruch Einzelstrangbruch, Doppelstrangbruch

AP-Läsion Verlust einer Base, z.B. Guanin

Quervernetzung Vernetzung zwischen Basen desselben Stranges oder zwischen den Strängen

Interkalation Einlagerung von Molekülen, die die Struktur der DNA verzerren

Substitution AGCTAGCTA → AGCTGGCTA

Insertion AGCTAGCTA → AGCATGTAGCTA

Inversion AGCTAGCTA → AGGATCCTA

S: Schädigung M: Mutation


02.06.2014 Seite 39

- DNA-Addukte durch Reaktion elektrophiler Fremdstoffe oder Fremdstoffmetabolite mit Basen

- Reaktion mit Sauerstoffradikalen

- Bestrahlung mit UV-Licht einer Wellenlänge, die von DNA absorbiert wird (Absmax: 260 nm)

- Spontane Basenmodifikation: z.B. Desaminierung von Cytosin zu Uracil (100x/Zelle/d); U ist komplementär zu A statt zu G: falsche Basenpaarung in Tochtergeneration

DNA-ModifikationBasenmodifikation


Die normale Basenpaarung (A:T und C:G)

Methylierung von Guaninzu O6-Methylguaninführt zur Paarung mit Thymin (statt Cytosin).

DNA-ModifikationBasenmodifikaton: Mutation durch Fehlpaarung

Thymin = Adenin Cytosin ≡ Guanin

Thymin ≡ O6-Methylguanin

Ein neu gebildeter Tochterstrangträgt also ein T statt ein C: Mutation!

-CH3


02.06.2014 Seite 41

DNA-ModifikationStrangbrüche

Strangbruch = Hydrolyse einer Zucker-Phosphat-Bindung eines Nucleotids

• Reaktion mit Sauerstoffradikalen(Bldg. u.a. durch Röntgen-, Gamma- und UV-Strahlung)

• Beeinflussung der Enzymaktivität von DNAsen, Topoisomerasen, und Endonucleasen durch Fremdstoffe

• Fremdstoffe, die die intrazelluläre Ca-Konzentration erhöhen und damit die Ca-abhängigien Endonucleasen aktivieren


02.06.2014 Seite 42

DNA-Modifikation AP-Läsionen

AP-Läsion = Hydrolyse glykosidischer Bindung und Verlust einer Base

• Alkylierende Fremdstoffe erleichtern die Hydrolyse von Guanin-Zucker-Bindungendurch N7-Substitution der Purine

• Bei radikalischem Angriff können oxidierte AP-Läsionen entstehen

⇒ Pro Tag gehen etwa 5000 Purinbasen aus dem Genom einer menschlichen Zelle durch therm. Hydrolyse der glykosidischen Bindung zur Desoxyribose verloren


02.06.2014 Seite 43

DNA-Modifikation Quervernetzung

Vernetzung- der beiden Stränge (interstrand-

crosslink)

- zweier Basen des gleichen DNA-Stranges (intrastrand-crosslink)

- zwischen Kernprotein (z.B. Histon)und DNA ( DNA-Protein-crosslink)

⇒ Ausgelöst durch bifunktionelle Elektrophile (Lost-Derivate, cis-Platin-Abkömmlinge)


02.06.2014 Seite 44

DNA-Modifikation Interkalation

Interkalation = Einlagerung von Fremdstoffen zwischen Basenpaare und Veränderung der räumlichen Anordnung

⇒ Flache, positiv geladenen Moleküle können mit den Phosphat-Resten der DNA wechselwirken und sich zwischen die Basenpaare einschieben

Interkalatoren: Ethidiumbromid(Fluoreszenzfarbstoff), Proflavin


02.06.2014 Seite 45

GenmutationMögliche Folgen

Basenmodifikation oder AP-Läsion kann von DNA-Polymerase fehlinterpretiert werden. Folge: Einbau einer falschen Basen

• Falsche Base führt nicht zu einer Änderung der codierten Aminosäure → stumme Mutation, keine schädlichen Folgen

• Falsche Base führt zu einer Änderung einer für die Proteinfunktion nicht-essentiellen Aminosäure → neutrale Mutation, keine schädlichen Folgen

• Falsche Base führt zu einer Änderung einer für die Proteinfunktion essentiellen Aminosäure → schädliche Mutation, möglicherweise gefährlich


02.06.2014 Seite 46

GenmutationMögliche Folgen

Basenmodifikation oder AP-Läsion kann von DNA-Polymerase fehlinterpretiert werden. Folge: Einbau einer falschen Basen

• Es wird eine Base übersprungen → Deletion (frame-shift); Protein ist stark verändert, sehr wahrscheinlich schädlich

• Es wird eine Base zuviel eingebaut → Insertion (frame-shift); Protein ist stark verändert, sehr wahrscheinlich schädlich

• Es wird eine Base betroffen, die an Rekombination beteiligt ist → irreguläre Rekombinationsprosse, Duplikation von DNA-Abschnitten, sehr wahrscheinlich schädlich


02.06.2014 Seite 47

ChromosommutationMögliche Folgen

DNA-Strangbrüche gehen voraus

• Chromosomenbruch → Teile gehen verloren

• Translokation → Teile werden auf anderes Chromosom übertragen


02.06.2014 Seite 48

Krebs durch TranslokationEin Beispiel

Blutkrebs: myeloische Leukämie Translokation von Chromosom 22

und Chromosom 9

» Auf Chromosom 9 liegt ein Proto-Onkogen, das vor allem im Rückenmark die Ausbildung weißer Blutzellen steuert

» Dieses wird durch die Translokation an einen Platz versetzt, der oft abgelesen wird

» Dadurch entsteht eine „Überdosis“des Proto-Onkogens und die Steuerung der Zellteilung wird dysreguliert ⇒ Blutkrebs


02.06.2014 Seite 49

GenommutationMögliche Folgen

• Verlust oder Erwerb eines ganzen Chromosoms → Kern wird aneuploid; immer schädlich


02.06.2014 Seite 50

Reparatur von DNA-Schäden?

Ja, aber nicht so!


02.06.2014 Seite 51

DNA-Reparatur

→ DNA-Reparatur: Bezeichnung für eine Vielzahl an Prozessen, durch die eine Zelle Schäden an der DNA detektieren und reparieren kann (man kennt mind. 34 vererbliche Mutationen in DNA-Reparatur-Genen, die das Krebsrisiko erhöhen)

→ Verschiedene Reparaturmechanismen für verschiedene Arten von Schäden

• Direkte Reparatur (Schaden wird „rückgängig“ gemacht; z.B. Thymin-Dimere durch Photolyase)

• Einzelstrangreparatur (BER, NER, MMR)

• Doppelstrangreparatur (NHEJ, MMEJ, HR)

• Transläsionale Reparatur („Drüberschreiben“)


02.06.2014 Seite 52

Reparatur von DNA-SchädenBeispiel: Einzelstrangreparatur, NER


02.06.2014 Seite 53

Wie schädigen Kanzerogene die DNA?

am Beispiel von

• Aliphatischen Epoxiden

• PCKWs

• kanzerogene Naturstoffen

• Aflatoxin B1

• Freie Radikalen


• Mischfunktionelle Oxygenase + spontane Umlagerung• das Chloracetaldehyd o. auch schon das Epoxid reagiert mit

nucleophilen Stellen an DNA-Basen (z.B. Adenin)

Aliphatische Epoxide(Vinylchlorid)


02.06.2014 Seite 55

Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)

» Entstehen beim Braten und Räuchern v.a. über offenem Feuer.» Sind auch in Farben und Lösungsmitteln enthalten

⇒ Wirken kanzerogen aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit den DNA-Basen

AdeninGuanin

PAK


02.06.2014 Seite 56

Kanzerogene Naturstoffe

können metabolisch zu direkt gentoxischenElektrophilen aktiviert werden


02.06.2014 Seite 57

Kanzerogene Naturstoffe Aflatoxin B1

Überwiegend Reaktion mit Guanin

Epoxi-dierung


02.06.2014 Seite 58

Freie Radikale

O2 + NADPH NADPHoxidase O2 + NADP + H+ +-

O2 + Fe O2 + Fe+++. - ++

O2 + 2 H H2O2. +-

H2O2 + Fe OH + OH + Fe+++-++ .

OH ist elektrophil und greift DNA-Basen an.


02.06.2014 Seite 59

Direkte (ultimate) und indirekte (proximale) Kanzerogene

»Direkte Kanzerogene sind aktiv ohne metabolische Aktivierung, reagieren direkt mit DNA

»Indirekte Kanzerogene werden erst nach metabolischerAktivierung aktiv (Kapazität der metabol. Aktivierung sowohl spezies- als auch individual- und organspezifisch, daher Spezies- und Organspezifität (z.B. Anilin - Harnblase; Vinylchlorid - Angiosarkom in Leber)


02.06.2014 Seite 60

Ursachen für Organotropie

»bevorzugte Aufnahme in bestimmte Zellen

»ultimates Kanzerogen (K.) wird extrazellulär nur unter best. Bedingungen gebildet (z.B. pH)

»proximales K. wird nur in best. Zellen zu ultimatem K. metabolisiert

»nur in best. Zellen mißlingt rechtzeitige Deaktivierungultimater K. (z.B. mit Glutathion)

»betroffenes Gen wird nur in best. Zellen exprimiert, ansonsten ist Repression zu stark

»K. ist unvollständig, für Promotor fehlt Rezeptor


02.06.2014 Seite 61

Wie entsteht Krebs durchDNA-Mutationen?

Zusammenfassung bisher: - Krebs = bösartiger Tumor: besteht aus entarteten

Zellen, die die Kontrolle über Teilung, Wachstum und Funktion verloren haben

- Bestimmte Chemikalien können die DNA schädigen- DNA-Schäden können Mutationen bedingen→ Mutationen können Krebs auslösen

⇒ Mutationen in verschiedenen Genen können unterschiedliche Auswirkungen auf die Zelle haben und alle Merkmale einer Krebszelle bedingen

z.B. Aktivierung von Proto-OnkogenenDeaktivierung von Tumorsuppressorgenen


02.06.2014 Seite 62

Andere Wege der Kanzerogenese

» Drei Klassen von Kanzerogenen - wobei zur kanzerogenen Wirkung noch eine mögliche familiäre Disposition hinzukommt:

Chemische Kanzerogene

Physikalische Kanzerogene

Biologisch-virale Kanzerogene


02.06.2014 Seite 63


Physikalische Kanzerogene sind zumeist Strahlen oder strahlende Stoffe:

• Ionisierende Strahlung, die Atombindungen zerstört (kürzerwelligals Licht, Röntgen-, Gammastrahlung)

• UV-Strahlung, die falsche Paarungen in der DNA auslöst, die die DNA-Raumstruktur verzerren


02.06.2014 Seite 64


Physikalische Kanzerogene sind zumeist Strahlen oder strahlende Stoffe:

• Radioaktive Strahlung (α- und β-Strahlung)

• Radionuklide, also Kontrastmittel für Röntgen-Untersuchungen, führten früher zur Ausbildung bösartiger Lebertumoren


02.06.2014 Seite 65

Was Strahlung in der DNA anrichtet

Chromosomen a und b

normaler Zustand

Chromosomenbrüche

Reparatur-mechanismus

hν

Reparierte Chromosomen

Translokation!

Physikalische KarzinogeneDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts

02.06.2014 Seite 66

Photocycloaddition

Was Strahlung in der DNA anrichtetPhysikalische Karzinogene


02.06.2014 Seite 67

Was Strahlung in der DNA anrichtetPhysikalische Karzinogene

Quervernetzung!


02.06.2014 Seite 68

Biologische Kanzerogenese

vor allem Viren und Bakterien!

Helicobacter pylori (Bakterium) verursacht chronische Gastritis und ist an der Entstehung der meisten Magenkarzinome beteiligt! Ca. 40-50% der Bevölkerung sind infiziert.

Viren werden mit 15% aller Krebsleiden in Verbindung gebracht.Bei 90% aller an Gebärmutterhalskrebs erkrankter Frauen wurde im

Tumorgewebe Erbsubstanz des Papillmovirus‘ (HPV) gefunden.Das Epstein-Barr-Virus kann u.a. Burkitt-Lymphome auslösen.


02.06.2014 Seite 69

Virale Kanzerogenese

»Viren binden spezifische Zelloberflächenantigene (z.B. CD4), fusionieren mit oder perforieren die Zellmembran und importieren ihre Erbsubstanz in die Wirtszelle

»Bei einigen Viren wird die DNA in die Wirtszell-DNA integriert, was kanzerogene Wirkung haben kann.

Biologische Kanzerogenese

Wirtszelle

Viren (viel kleiner)


02.06.2014 Seite 70

Zusammenfassung

» Es gibt viele Arten von DNA-Mutationen

» Kanzerogene (darunter bestimmte Chemikalien) können DNA-Mutationen auslösen

» Krebs entsteht, wenn DNA-Mutationen die Entartung einer Zelle bewirken (z.B. durch Transformation von Proto-Onkogenen zu Onkogenen oder die Deaktivierung von Tumorsuppressor-genen)

» Die Regulation der Zellteilung wird aufgehoben, die Zellen entdifferenzieren, wachsen und teilen sich unkontrolliert und bilden schließlich Tumore


02.06.2014 Seite 71

Ziel der Tumortherapie ist vollständige Elimination aller Tumorzellen.

Problembei jedem Behandlungsschritt wird nur ein bestimmter Anteil getroffen (Elimination nach Kinetik 1. Ordnung)

Bsp.: Tumor von 100 g enthält ca. 1011Zellen; wenn in mehreren Schritten 99% eliminiert sind, bleiben 109 Zellen übrig (1 g)→ Folge: zwar komplette Remission (keine klinischen Symptome), aber keine Heilung!!

ChemotherapieMedikamentöse Therapie von Tumoren


02.06.2014 Seite 72

Phasen-spezifisch wirksame Stoffe: Mitosehemmstoffe und Antimetabolite (Hemmung der Bereitstellung von Vorstufen für die DNA-Synthese)

Zyklus-spezifisch wirksame Stoffe: Alkylantien und Antibiotika wirken phasen-unspezifisch, evtl. abhängig von Proliferation

ChemotherapeutikaDiese Folie ist Teil der Vorlesung "Chemische Kanzerogenese" von Dr. C. Courts

1: Behandlung muß nach 4 erfolgreichen Applikationen unterbrochen werden, die verbleibenden Zellen wachsen weiter.

2: Wirksamkeit der Behandlung wird durch Resistenzentwicklung vermindert

3: Erfolgreich Behandlung in wenigen gleichbleibend wirksamen Schritten

ChemotherapieTypische Verläufe


02.06.2014 Seite 74

» außer Hormonen fungieren alle Chemotherapeutika als Zytostatika UND bewirken Zytolyse auch in normalen Zellen (vor allem betroffen sind Wechselgewebe wie Knochenmark, Magen-Darm-Epithel, Haut)

» bei intermittierender Chemotherapie werden Pausen eingelegt, wodurch gleichzeitig Synchronisationsprozesse gefördert werden (Rekrutierung aus G0-Phase)

» bei Stoßtherapie hohe Dosen in größeren Abständen (wenig resistente Zellen!)

» niedrig dosierte Dauertherapie ist der Erhaltungstherapie vorbehalten

ChemotherapieNebenwirkungen


02.06.2014 Seite 75

haben Affinität zu Enzymen der Biosynthese von Nukleinsäurebasen; wirken vor allem in S-Phase, da dort besonderer Bedarf an Nukleotidenbesteht

» Folsäure-AnalogeMethotrexat blockiert Umwandlung von Dihydrofolsäure zur Tetrahydrofolsäure (wichtig für Thymidin- und Purin-Synthese)

» Pyrimidin-Analoge5-Fluoruracil blockiert Thymidilatsynthethase

» Purin-AnalogeMercaptopuren hemmt ersten Schritt der Purinbiosynthese

ChemotherapieAntimetabolite


ChemotherapieAntimetabolite


02.06.2014 Seite 77

→ mit zytotoxischen Eigenschaften bes. in S-Phase (trifft sich schnell teilende Zellen)

» Dactinomycin interkaliert in DNA, wodurch RNA-Polymerase und Zellwachstum gehemmt werden

» Daunorubicin und Doxorubicin interkalieren, produzieren aber auch Sauerstoffradikalanionen für Einzel- u. Doppelstrangbrüche und Schwesterchromatidaustausch

» Bleomycin bildet Chelat mit Metallionen und erzeugt als Oxygenase Sauerstoffradikalanionen

ChemotherapieAntibiotika


Documents

Chemische Kanzerogenese - rechtsmedizin.uni-bonn.de · Chemische Kanzerogenese Dr. rer. nat. Cornelius Courts 28.05.2014 Institut für Rechtsmedizin Diese Folie ist Teil der Vorlesung