Protektive Wirkungen carotinoidreicher Nahrungsmittel vor DNA-Schäden aus Reaktionen chemisch induzierter Triplettzustände von Melaninderivaten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
UV-Exposition ist ein Hauptrisikofaktor für die Entstehung von Hauttumoren, wobei die photochemische Bildung von DNA-Schäden ein ursächliches Ereignis ist. Neben der Verwendung von Sonnencremes ist die Aufnahme von Nahrungsstoffen mit Lichtschutzwirkung eine ergänzende Maßnahme. Carotinoide und Flavonoide sind solche endogenen Lichtschutzmoleküle. Im vorliegenden Projekt wurden diese Verbindungen und Extrakte aus entsprechenden Nahrungsmitteln untersucht, wobei ein Schwerpunkt auf der Verhinderung von verzögert auftretenden DNA-Schäden (dark dimers) lag. Im Rahmen der Untersuchungen wurden Analysemethoden zur Bestimmung der Gehalte an Carotinoiden und Flavonoiden in Zellen und Pflanzenextrakten entwickelt und die entsprechenden Substanzen aus Pflanzenextrakten gewonnen. Weiter etabliert wurden analytische und biochemische Methoden zur Messung von lichtinduzierten Schäden in Modellsystemen und Zellkultur, die dann in Experimenten zur Evaluierung der Lichtschutzwirkung eingesetzt wurden. Neben den Carotinoiden Lycopin, β-Carotin und Lutein wurden die Flavonoide Luteolin, Tricetin, Nobiletin und Tangeretin auf UV-Schutzwirkung untersucht. Hierbei erwiesen sich insbesondere Tricetin und Luteolin als effektive Verbindungen, die sowohl in normalen als auch in künstlich gealterten Hautzellen Wirkungen zeigten. Im Rahmen der Studie wurde auch die Wirkung von UV-A-Strahlung auf artifiziell gealterten Zellen untersucht, mit unterschiedlichen Befunden zur Stressantwort. Unter UV-Stress zeigten gealterte Fibroblasten, im Vergleich zu normalen Hautzellen, eine gesteigerte Zellatmung, geringere Sensitivität gegenüber UV-A-Strahlung und eine gesteigerte basale Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies. Zum Nachweis von UV-induzierten „dunklen Dimeren“ wurden verschiedene Methoden etabliert (HPLC- MS/MS, Comet-Assay, immunchemischer Nachweis). Mit Hilfe der biochemischen Methoden konnten keine Effekte der Carotinoide auf die Bildung von „dunklen Dimeren“ nachgewiesen werden. Hier sind weitere Experimente mit sensitiveren Nachweismethoden notwendig. Ein Befund bei niedrig dosierter UV-A-Bestrahlung war die ausgeprägte Induktion des Enzyms Hämoxigenase-1 in Hautfibroblasten. Im Kontext mit den Befunden zu Effekten von UV auf die Zellatmung haben wir die mögliche Bedeutung des Enzyms als Generator von Kohlenmonoxid (CO) und die Effekte von CO als Signalmolekül im Energiestoffwechsel untersucht. Letzteres erfolgte mit CO-generierenden Substanzen (CORMs). Mit Hilfe von chemisch generiertem CO lassen sich CO-typische biologische Zellantworten provozieren, die man auch mit enzymatisch generiertem CO wiederfindet. Unter CO-Einwirkung wird langfristig die Atmungskette gehemmt und der resultierende ATP-Mangel durch erhöhte Glycolyse kompensiert. Von besonderem Interesse ist ein neu beobachteter Kurzzeiteffekt. Unter CO-Einwirkung findet eine transiente Verschiebung der Glucoseverwertung von der Glycolyse zum Pentosephosphatweg statt, was mit einer erhöhten Bildung von NADPH als Reaktion auf den UV-Stress interpretiert werden kann. Die vorliegenden Daten zeigen, dass mit Hilfe von Nahrungsinhaltstoffen endogener Lichtschutz bereitgestellt werden kann. Zum detaillierten Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen sind unterschiedlichste Messsysteme notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019) Carbon monoxide releasing molecule 401 (CORM-401) modulates phase I metabolism of xenobiotics. Toxicol in Vitro. 59: 215
Walter M, Stahl W, Brenneisen P, Reichert AS, Stucki D
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(2020) Bioavailability of naringenin chalcone in humans after ingestion of cherry tomatoes. Int J Vitam Nutr Res. 90: 411
Kolot C, Rodriguez-Mateos A, Feliciano R, Bottermann K, Stahl W
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(2020) Carbon monoxide - beyond toxicity? Toxicol Let 333: 251
Stucki D, Stahl W
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(2020) Carotenoids in human skin. BBA 1865: 158588
Zerres S, Stahl W
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(2020) Effects of frequently applied carbon monoxide releasing molecules (CORMs) in typical CO-sensitive model systems – A comparative in vitro study. ABB 687:108383
Stucki D, Krahl H, Walter M, Steinhausen J, Hommel K, Brenneisen P & Stahl W
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(2020) Endogenous carbon monoxide signaling modulates mitochondrial function and intracellular glucose utilization: impact of the heme oxygenase substrate hemin. Antioxidants 9: 652
Stucki D, Steinhausen J, Westhoff P, Krahl H, Brilhaus D, Massenberg A, Weber APM, Reichert AS, Brenneisen P, Stahl W
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(2021) Carbon monoxide exposure activates ULK1 via AMPK phosphorylation in murine embryonic fibroblasts. Int J Vitam Nutr Res.
Stucki D, Westhoff P, Brilhaus D, Weber APM, Brenneisen P, Stahl W
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(2021) Nutritional cognitive neuroscience of aging: focus on carotenoids and cognitive frailty. Redox Biol 44:101996
Polidori MC, Stahl W, Griffiths HR
