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Chemopreventive and sensitizing effects of phytochemicals in a cell culture model of colorectal cancer

Chemopräventive und chemosensibilisierende Effekte von sekundären Pflanzeninhaltsstoffen in einem Zellkulturmodell des kolorektalen Karzinoms

Kaminski, Bettina


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Sulforaphan , Resveratrol , kolorektales Karzinom , Chemoprävention , Chemosensibilisierung
Freie Schlagwörter (Englisch): Sulforaphan , Resveratrol , colorectal cancer , chemoprevention , chemosensibilisation
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Ernährungswissenschaften; Goethe Universität Frankfurt, Zentrum der Pharmazeutischen Chemie
Fachgebiet: Haushalts- und Ernährungswissenschaften - Ökotrophologie
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.03.2011
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 21.03.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Sulforaphan (SFN), ein natürlich vorkommendes Isothiocyanat, das
vorwiegend in Kreuzblütlern zu finden ist, gilt aufgrund seiner potenten antikanzerogenen
Wirkung als effektive, chemopräventiv wirkende Substanz. In früheren
Studien konnte über eine Modulation des Polyaminstoffwechsels, insbesondere
über eine Hemmung der biosynthetischen Ornithin Deacarboxylase
(ODC), eine Hemmung des Zellwachstums in kolorektalen Karzinomzellen beobachtet
werden. Ein Ziel unserer Arbeit war es daher, eine mögliche Sulforaphan-
vermittelte Regulation der ODC sowie die Rolle des Transforming
growth factor-beta (TGF-beta) in der SFN-induzierten Zellproliferationshemmung in
Kolonkarzinomzellen näher zu charakterisieren.
In der Behandlung solider Tumore limitieren sowohl die Ausbildung von Resistenzen
als auch die Toxizität der chemotherapeutischen Substanzen den Erfolg
der Therapie. Ein kombinierter Einsatz sekundärer Pflanzenstoffe mit konventionellen
Chemotherapeutika könnte durch synergistische Effekte auf verschiedene
Signaltransduktionswege sowohl eine Steigerung der antikarzinogenen
Wirkungen, sowie eine Verminderung von Chemoresistenzen bewirken. Resveratrol
ist ein natürlich vorkommendes Polyphenol, das vorwiegend in Trauben,
Erdnüssen und Rotwein zu finden ist. Neben kardioprotektiven und antiinflammatorischen
Wirkungen werden Resveratrol auch verschiedene chemopräventive
und chemotherapeutische Eigenschaften zugesprochen. Ein weiteres
Ziel war es daher, mögliche synergistische Wirkungen von Sulforaphan und
Resveratrol in Kombination mit Oxaliplatin in Kolonkarzinomzelllinien genauer
zu charakterisieren.
Sulforaphan [1-50myM] hemmte konzentrationsabhängig Zellwachstum
und –proliferation in Caco-2-Zellen. Weiterhin führte die Inkubation
mit SFN zu einer dosisabhängigen Verminderung von ODC-Protein und –
Aktivität nach 24 h, was eng mit den antiproliferativen Wirkungen korreliert. Zudem
verminderte SFN sowohl die Proteinlevel als auch die Transaktivierung
des Transkriptionsfaktors c-myc, der durch Bindung an eine spezifische DNASequenz
die ODC direkt reguliert. Eine Beteiligung des TGF-beta Signalweges
konnte durch die Zugabe des TGF-beta Rezeptor Kinase Inhibitors SB431542, der
die SFN vermittelten Wirkungen auf ODC und Zellwachstum weitestgehend
aufgehoben hat, weiter bestätigt werden.
Des Weiteren hemmten SFN und Res in Kombination mit Ox synergistisch das
Zellwachstum in Caco-2 Zellen. Nach kombinierter Behandlung mit SFN/Ox
oder Res/Ox konnten zudem ausgeprägte morphologische Veränderungen, u.a.
reduzierte ATP-Level, Caspase-3-Aktivierung und DNA Fragmentierung, die
typischerweise im Zusammenhang mit Apoptose auftreten, beobachtet werden.
Weiterhin konnte neben einer apoptotischen auch eine gesteigerte nekrotische
Zellpopulation nachgewiesen werden, die im Falle von Resveratrol mit einer
signifikant reduzierten Ausschüttung des anti-inflammatorischen Interleukin-10
einhergeht aus humanen Makrophagen. Ergänzend zeigten weder Sulforaphan
noch Resveratrol in Kombination mit Oxaliplatin zytotoxische Effekte in nichttransformiertem
Zellen.
Die vorliegenden Daten zeigen erstmals, dass SFN seine
antikanzerogenen Effekte, zumindest teilweise, über die Hemmung der ODC
vermittelt. Dabei scheint die TGF-beta-Signalkaskade eine regulatorische Schlüsselrolle
einzunehmen. Weitere Daten lassen darauf schließen, dass SFN und
Res in Kombination mit Oxaliplatin synergistisch das Zellwachstum von Kolonkarzinomzellen
durch Apoptose-Induktion hemmen. Diese in vitro Daten weisen
auf potente chemopräventive und –therapeutische Eigenschaften der sekundären
Pflanzeninhaltsstoffe Sulforaphan und Resveratrol hin, wodurch diese vielversprechende
Substanzen in der Entwicklung neuer Therapiekonzepte in der
Behandlung des kolorektalen Karzinoms darstellen.
Kurzfassung auf Englisch: Sulforaphane (SFN), a naturally occuring isothiocyante present in
cruciferous vegetables, is an attractive target due to its wide range of biological
and pharmacological properties. In addition to anti-inflammatory activities, potent
chemopreventive effects of SFN in various carcinogenesis models are described
whereas the underlying molecular mechanisms remain partially unknown.
Previous studies could demonstrate that modulation of polyamine metabolism
provides a chemopreventive strategy of different phytochemicals. Inhibition
of the biosynthetic key enzyme ornithine decarboxylase (ODC) is associated
with reduced cell growth in several human cancers. Thus, one aim of this
work was to elucidate a possible regulation of ODC by sulforaphane and to further
specify a possible role of the transforming growth factor-beta (TGF-beta)-
signaling pathway.
Chemotherapy plays an important role in the overall treatment of colorectal
cancer but the effectiveness is often limited by tumor drug resistance and severe
side effects. Thus, the use of natural agents in combination with traditional
chemotherapeutic drugs is a promising strategy for enhancing the therapeutic
outcome. Due to their anticarcinogenic properties and their low toxicity, multiple
phytochemicals may serve as potent agents for enhancing the therapeutic effect
of classical chemotherapeutics. Resveratrol (Res), a natural occurring polyphenol
present in red wine, peanuts and grapes, has been reported to exhibit a
wide range of biological and pharmacological properties. In addition to cardioprotective
and anti-inflammatory effects, also chemopreventive as well as
chemosensitizing activities of Res in various carcionogenesis models are described.
Therefore, another aim of this work was to investigate whether the isiothiocyante
sulforaphane and the polyphenol resveratrol may potentiate the
antitumor activities of the common chemotherapeutic oxaliplatin (Ox) in a cell
culture model of colorectal cancer.
SFN [1-50mymol/L] inhibites cell growth of Caco-2 cells in a dose- and
time-dependent manner, which closely correlates with a dose-dependent reduction
of ODC protein expression and activity after 24 h of incubation. This effect
seems to be due to reduced protein levels and transactivation activity of transcription
factor c-myc, a direct regulator of ODC expression, as a consequence
of SFN-induced TGF-beta/Smad signaling. The coherency of these results was
further confirmed by using TGF-beta receptor kinase inhibitor SB431542, which
largely abolished inhibitory effects of SFN on both, ODC enzyme activity and
tumor cell growth. Moreover, SFN, Res and Ox alone inhibited cell growth of
Caco-2-cells in a dose-dependent manner, an effect, which could be synergistically
enhanced, when cells were incubated with the combination of SFN/Ox or
Res/Ox. Co-treated cells further displayed distinctive morphological changes
that occurred during the apoptotic process, such as cell surface exposure of
phosphatidylserine, membrane blebbing as well as the occurence of cytoplasmic
histone-associated DNA fragments. Further observations thereby pointed
towards simultaneous activation of both extrinsic and intrinsic apoptotic pathways.
With increasing concentrations and treatment duration, a shift from apoptotic
to necrotic cell death could be observed. Furthermore, cytotoxic effects of
Res and Ox led to an altered cytokine profile of co-cultured macrophages. In
addition, combinatorial treatment did not affect normal cells as cytotoxicity was
not detected in human foreskin fibroblasts and in human platelets.
On the basis of these findings, diet-derived sulforaphane downregulated
ODC expression and activity in colorectal cancer cells, whereby activation
of the TGFbeta signaling pathway seemed to play a pivotal role. Since eleVI
vated ODC enzyme activity is associated with enhanced tumor development,
SFN thus may be a dietary phytochemical with potential to prevent carcinogenesis.
Moreover, sulforaphane as well as resveratrol enhanced oxaliplatin-induced cell
growth inhibition via induction of different modes of cell death without damaging
non-transformed cells. In addition, resveratrol also showed the peculiarity
to abrogate immunosuppressive properties of oxaliplatin-treated cells. Due
to these results both phytochemicals show great chemopreventive and therapeutic
potential in the treatment of colorectal cancer.