Chemische Karzinogenese

Definition: Karzinogen Agens, das durch eine Veränderung an der DNA eine Umwandlung von einer normalen Zelle in eine Tumorzelle bewirkt

Arten der Karzinogenese Chemische Karzinogenese: durch chemische Substanzen Physikalische Karzinogenese: durch Strahlen Biologische Karzinogenese: durch Viren

Historische Aspekte der chemischen Karzinogenese 1761 John Hill: Nasale Tumoren durch Schnupftabak 1775 Persival Pott: Scrotum Tumoren bei Schornsteinfegern 1895 Rehn: Blasenkrebs bei Anilin-Arbeitern 1915 Yamogiwa und Ichikawa: Hautkrebs bei Kaninchen durch Kohleteer 1930 Cook, Hewitt, Hieger: Identifikation von 3,4-Benzo(a)pyren in Kohleteer

Sarkomentstehung nach s.c. Injektion in C3H Mäusen (nach Bryan und Shimkin, 1943)

Weitere Definitionen Primäre Karzinogene: ohne metabolische Aktivierung krebserzeugend Sekundäre Karzinogene: erst durch Biotransformation krebserzeugend (= Präkanzerogene) Kokarzinogene: direkte Erhöhung karzinogener Effekte, z. B. durch Induktion biotransformierender Enzyme Promotoren: indirekte Erhöhung karzinogener Effekte durch Proliferationsreiz

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe Benzo(a)pyren 3-Methylcholanthren Benzanthracen Dibenzanthracen (nach Mutschler)

(4-Dimethylamino-azobenzol) Aromatische Amine NH2 NH2 H2N NH2 Diphenylamin (4-Aminophenyl) o-Toluidin Benzidin OH H N NH2 -Naphthylamin (2-Amino-naphthalin) 2-Acetylaminofluoren Buttergelb (4-Dimethylamino-azobenzol) (nach Mutschler)

N-Nitroso-Verbindungen N-N=O N-N=O Dimethylnitrosamin N-Nitroso-N-methylharnstoff (nach Mutschler)

Karzinogene Naturstoffe Aflatoxin B1 Safrol Aristolochiasäure (nach Mutschler)

Metabolische Aktivierung von Aflatoxin B1 Exo-Epoxid Endo-Epoxid DNA Bindung Konjugation mit Glutathion (nach Mutschler)

Alkylierende Substanzen H N O Ethylenoxid Stickstofflost Ethylenimin-Derivat Alkylsulfonsäureester (nach Mutschler)

DNA-Schädigung durch Karzinogene 1. Aktivierung von Proto-Onkogenen 2. Inaktivierung von Tumorsuppressorgenen 3. DNA-Schädigung in - Regulatorsequenzen - offenen Chromatinbereichen - nukleärer Matrix

Tumor Carcinogens Electrophiles DNA Damage Procarcinogens Phase II enzymes Phase I enzymes Glutathione S-transferase Carcinogens Electrophiles Promotion DNA Damage Tumor Lycopene, Lutein, Zeaxanthin and Beta carotene Initiation Oxidative damage Free radicals

Mehrstufen-Modell: Initiation, Promotion und Progression Umwelt KARZINOGEN Phase I enzymes Entgiftung/ Exkretion Elektrophile Produkte Binden an DNA, RNA und Proteine Persistierende DNA-Läsionen (initiierte Zelle) DNA-Reparatur/ Apoptose INITIATION DNA-Replikation Phase II enzymes Promotion Progression Präneoplastische Zelle neoplastische Zelle

Initiation und Promotion PPP -----------------------------> - IPPP ----------------------------> + PPPI ----------------------------> - I --------------------- PPP ------> + I ------ P ------ P ------ P ------> - I = Initiator P = Promotor

Epigenetische Mechanismen der Tumorinitiation 1. Bindung an Proteine - Wachstumsfaktoren und -rezeptoren - molekulare Chaperone - Transkriptionsfaktoren - Zellzyklusproteine 2. Bindung an RNA

Mutagenitätsnachweis mit dem Ames Test (Pitot und Dragan, 1996)

Promotion - Proliferation und klonale Expansion genotypisch und phänotypisch veränderter Zellen - Ursache für die Tumorheterogenität

Promotoren der Karzinogenese Tetradecanoyl Phorbolacetat (TPA) Phenobarbital 2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) Wy-14,643 (Tannock und Hill, 1998)

Eigenschaften der Tumorprogression 1. Genetische Instabilität erzeugt chromosomale Anomalien - Aneuploidie - Translokation - Genamplifikation - Deletion 2. Aggressivität - Invasion - Metastasierung

Experimentelle Karzinogenese-Modelle 1. mouse skin carcinogenesis Onkogen-Aktivierung Initiator Promotor Suppressor-Inaktivierung Haut -----> -----> benigne ----------------> Squamöse squamöse Zell- Papillome karzinome

Experimentelle Karzinogenese-Modelle 2. rat multistage liver carcinogenesis Initiator Promotor Leber- -------> präneo- --------> neo- -------> hepato- paren- plastischer plastischer zelluläres chym Knoten Knoten Karzinom

Genetisches Modell der kolorektalen Karzinogenese (Fearon und Vogelstein, 1990)

Onkogene - Klassifizierung: 1. Wachstumsfaktoren (int-1, sis) 2. Wachstumsfaktor-Rezeptoren (erbB) 3. Membran-assoziierte Tyrosinkinasen (abl,src) 4. Membran-assoziierte G-Proteine (ras) 5. Zytoplasmatische Serin/Threonin-Proteinkinasen (mos, raf) 6. Nukleäre Transkriptionsfaktoren (myc) 7. Andere (bcl-2)

ras Mutationen im Hautkarzinogenese-Modell der Maus 1. Tumor-spezifisch: A -> T (Codon 61) Tumorinitiation G -> T (Codon 13) Tumorprogression 2. Karzinogen-spezifisch: MNNG/MNU: G -> A (Codon 12) DMBA: A -> T (Codon 61) MCA: G -> T (Codon 13) A -> T (Codon 61) (Brown et al., 1990)

ras Mutationen in menschlichen Tumoren Pancreas Ca: 90 % Colon Ca: 50 % Thyroid Ca: 50 % Bronchial Ca: 30 % myeloische Leukämien: 30 % Ovarial Ca: 15 % Blasen Ca: 6 %

Tumorsuppressor-Gene Gen Tumor hereditäres Syndrom p53 verschiedene Li Fraumeni Syndrom RB1 Retinoblastom Retinoblastom APC Colon Ca FAP DCC Colon Ca hMSH2 Colorectal Ca HNPCC NF1 Fibrome Neurofibromatose Typ 1 NF2 Schwannome, Menningiome Neurofibromatose Typ 2 MEN1 Insulinom multiple endokrine Neoplasie 1 MEN2 Phäochromozytom multiple endokrine Neoplasie 2 WT1 Wilms‘ Tumor Wilms‘ Tumor VHL Renalzell Ca u.a. von Hippel Lindau Syndrom

Funktionen des Tumorsuppressors p53 DNA-Schädigung -> p53 Induktion -> Bindung an DNA (Transkriptionsfaktor-Funktion) -> Bindung an Proteine (Interaktion mit dem DNA-Replikationsapparat) -> Hemmung von Replikations- und Proliferationsgenen (PCNA, DNA Pol , c-myb, Histon H3) -> Zellzyklus-Arretierung -> DNA-Reparatur -> Hemmung anti-apoptotischer Gene (bcl-2) -> Apoptose -> Genetische Stabilität

p53 Mutationen in menschlichen Tumoren - Mutationen in ca. 50 % aller Tumoren - Mutationen besonders häufig in: kolorektalen Ca (70 %) Bronchial Ca (50 %) Mamma Ca (40 %) - Mutationen seltener in: Prostata Ca Cervix Ca Sekundärleukämien - Mutationen haben prognostische Relevanz - Mutationen sind spätes Ereignis in kolorektaler Karzinogenese - Mutationen sind frühes Ereignis in bronchialer Karzinogenese