@phdthesis{Lang2021,
  author    = {Lang, Florian},
  title     = {Analyse des Einflusses ausgew{\"a}hlter Polyphenole auf Funktionalit{\"a}t und Genexpression von p-Glykoprotein im CaCo-II-Zellkulturmodell},
  doi       = {10.25972/OPUS-25186},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-251866},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Die Permeabilit{\"a}t von Substanzen {\"u}ber Biomembranen erfolgt auf Basis ihrer Gr{\"o}ße und Lipophilie, wird jedoch auch zu einem großen Anteil vom aktiven Transport bestimmt. Speziell im menschlichen Verdauungstrakt ist dieser Transportmechanismus neben seinen essentiellen physiologischen Aufgaben, wie den Transport von N{\"a}hrstoffen, an einer Resistenz gegen exogene Stoffe und Xenobiotika beteiligt, der die Aufnahme in den Organismus {\"u}ber einen R{\"u}cktransport in das Darmlumen limitiert. Dabei hat die membranst{\"a}ndige Effluxpumpe p-Glykoprotein (p-GP) als ein Baustein dieses Schutzmechanismus auch einen großen Einfluss auf die Arzneimitteltherapie. {\"U}ber eine Modulierung der Pharmakokinetik von Arzneistoffen beschr{\"a}nkt sie die Aufnahme von Medikamenten und senkt dadurch deren Bioverf{\"u}gbarkeit. Es wird auch f{\"u}r pflanzliche Inhaltsstoffe aus der Gruppe der Polyphenole ein m{\"o}glicher Einfluss auf dieses Transportprotein diskutiert. Diese Beeinflussung kann sich entweder in einer Induktion oder einer Inhibition des Proteins {\"a}ußern, was positive wie negative Effekte haben kann. Eine Hemmung des Transportproteins f{\"u}hrt zu einer erh{\"o}hten Aufnahme einiger Arzneistoffe, die mit einer erh{\"o}hten Bioverf{\"u}gbarkeit und einer potentiellen Dosissenkung einhergeht. Induziert man p-GP dagegen, so wird es beispielsweise erm{\"o}glicht, potentiell sch{\"a}dliche Xenobiotika noch intensiver auszuscheiden und nachteilige Plasmaspiegel zu verhindern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte daher der Einfluss ausgew{\"a}hlter Polyphenole auf die Funktionalit{\"a}t und die Genexpression im CaCo-II-Zellkulturmodell n{\"a}her untersucht, sowie vorab charakteristische Eigenschaften der pflanzlichen Inhaltsstoffe - Taxifolin, Silibinin, M1, Urolithin A, Urolithin B, Urolithin C, Isourolithin A, racemisches Hydnocarpin D, (+)-Hydnocarpin D, (-)-Hydnocarpin D - vergleichend bestimmt werden. Diese stoffspezifischen Charakteristika umfassten die Zytotoxizit{\"a}t, die Stabilit{\"a}t und die antioxidative Kapazit{\"a}t. Vor allem die Zytotoxizit{\"a}t und die Stabilit{\"a}t sind essentielle Parameter f{\"u}r aussagekr{\"a}ftige Resultate. Die Substanzen waren in der eingesetzten Konzentration von 50 µM mehrheitlich, mit Ausnahme des Hydnocarpins D, nicht-toxisch innerhalb der relevanten Versuchszeitr{\"a}ume, 4 h und 24 h, und den verwendeten Kulturmedien, DMEM-Pest und HBSS. Vor allem im Hinblick auf die Genexpressionsversuche war es die Basis f{\"u}r valide Ergebnisse, den Zeitraum bis 24 h als nicht-toxisch sicherstellen zu k{\"o}nnen. Hinsichtlich der Stabilit{\"a}t waren nur Taxifolin (27 \% Restkonzentration) und der M1 (0 \% Restkonzentration) nach 24 h in Zellkulturmedium kritisch. Auf Basis ihrer antioxidativen Kapazit{\"a}t werden pflanzlichen Inhaltsstoffen eine Reihe von gesundheitsf{\"o}rderlichen Merkmalen nachgesagt, weswegen dieser Aspekt f{\"u}r die Testsubstanzen zus{\"a}tzlich vergleichend evaluiert wurde. Der Eintritt von Pathogenen kann Zusammenfassung 377 zum Beispiel durch oxidative Sch{\"a}digung des Darmepithels erleichtert werden, was zus{\"a}tzlich zu einem Effekt auf p-GP durch die Polyphenole unter Umst{\"a}nden positiv beeinflusst werden kann. Taxifolin, der M1 sowie die Urolithine A und C konnten so als antioxidativ aktive Stoffe erstmals vergleichend analysiert und die Resultate sinnvoll zu bestehenden Daten in Relation gesetzt werden. Sie konnten nach antioxidativer Potenz in der Reihenfolge Urolithin C > M1 > Taxifolin > Urolithin A geordnet werden. Zur Analyse des Einflusses der ausgew{\"a}hlten Polyphenole auf die Funktionalit{\"a}t von p-GP sollten Transportversuche {\"u}ber einen CaCo-II-Monolayer mit Rhodamin 123 als Markersubstanz durchgef{\"u}hrt werden. Diese Untersuchungen ben{\"o}tigen typischerweise eine vorbereitende Kulturzeit der Zellen von insgesamt drei Wochen, sodass sich eine Verk{\"u}rzung dieser Zeitspanne aus Zeitersparnis- und Kostengr{\"u}nden positiv auf den Durchsatz der Versuche auswirken w{\"u}rde. In einem umfassenden Ansatz mit kombinierter Bestimmung der Qualifizierung der Zellschichten im Hinblick auf Qualit{\"a}t des Monolayers (TEER-Messung, Lucifer-Yellow-Transportrate, Fluoreszenzf{\"a}rbung der Tight-junctions) sowie der Funktionalit{\"a}t und Expression von p-GP gelang der Nachweis, dass 14 Tage hinreichend und sinnvoll waren. Zentraler Bestandteil war in der vorliegenden Arbeit die Identifizierung der Effekte der Urolithine auf sowohl p-GP direkt, als auch auf die Genexpression dieses Transportproteins. Diese Polyphenole werden im menschlichen Verdauungstrakt {\"u}ber einen bakteriellen Metabolismus aus Ellagtanninen und Ellags{\"a}ure hergestellt und sind aufgrund ihrer vielf{\"a}ltigen gesundheitsf{\"o}rderlichen Charakteristiken in der Forschung von steigendem Interesse. Hierf{\"u}r konnten nach unserem Kenntnisstand mit den gew{\"a}hlten Versuchsans{\"a}tzen neue Erkenntnisse gewonnen werden. In den Transportversuchen mit Rhodamin 123 als Modellsubstrat von p-GP konnten die Urolithine den p-GP-vermittelten Transport positiv beeinflussen. Die Urolithine B (Papp-Ratio 1,98), C (Papp-Ratio 2,15) und das Isourolithin A (Papp-Ratio 1,63) steigerten den Rhodamintransport signifikant und lediglich f{\"u}r Urolithin A (Papp-Ratio 1,45) konnte keine Signifikanz belegt werden. Der Einfluss der Urolithine lag jeweils im Bereich des Modellinduktors Dexamethason. Ebenso konnte eine positive Modulierung der Genexpression nach 24 h detektiert werden. Die Hochregulierungen durch die Urolithine A (zwei- bis dreifach), B (1,4-fach) und C (1,8-fach) waren konsistent und statistisch signifikant. Urolithin A konnte hierbei als potentester Induktor charakterisiert werden, wohingegen sein Isomer Isourolithin A keinerlei signifikante Beeinflussung der Expression zeigte. In diesen Inkubationsversuchen wurde die Eigenschaft zur Erh{\"o}hung der Genexpression {\"u}ber den Einfluss auf den p-GP-vermittelten Rhodamintransport best{\"a}tigt. Die Urolithine A, B, C und Isourolithin A konnten nach einer Vorinkubation {\"u}ber 24 h und 48 h auch den Transport von Rhodamin 123 nochmals signifikanter zu den klassischen E Zusammenfassung 378 Transportversuchen ohne Vorinkubation steigern. Relevanz hierf{\"u}r hatte der erste Zeitraum {\"u}ber 24 h, da hier ein deutlicher Anstieg der Rhodamintransportrate zu erkennen war. Nach 48 h stieg der Rhodamintransport nur noch geringf{\"u}gig an oder ging sogar leicht zur{\"u}ck (Urolithin B). Hinsichtlich der Genexpression konnte nach 48 h nur noch Urolithin C p-GP signifikant hochregulieren, allerdings sind diese Erkenntnisse auf Basis der Zytotoxizit{\"a}t der Substanzen {\"u}ber diesen Zeitraum kritisch zu betrachten. In der Analyse des Effektes der weiteren Polyphenole auf die Genexpression von p-GP konnten f{\"u}r die meisten Stoffe nur zuf{\"a}llige Zusammenh{\"a}nge hinsichtlich Hoch- und Herunterregulierung bestimmt werden. In den Transportversuchen konnte jedoch (+)-Hydnocarpin (Papp-Ratio 0,48) den Transport in gleichem Ausmaß wie der Modellinhibitor Verapamil (Papp-Ratio 0,48) hemmen. Durch Modifizierung des Versuchsmediums zur Ann{\"a}herung an physiologischeren Bedingungen (Gallens{\"a}uren, pH 6) konnte f{\"u}r manche Substanzen ein deutlich ver{\"a}ndertes Verhalten beobachtet werden. Die Rhodamintransportrate nahm unter Einfluss von Urolithin B, Isourolithin A und dem M1 signifikant nun ab und bei Urolithin C signifikant zu. Dies legt nahe, dass mit dem klassischen Transportversuchsmodell lediglich Tendenzen f{\"u}r die Substanzen bestimmt werden k{\"o}nnen. Weitere Untersuchungen n{\"a}her an der Physiologie des Verdauungstraktes sind n{\"o}tig, um ein genaueres Bild des Stoffeinflusses zu gewinnen. Die Frage nach zeitlichem Einsetzen beziehungsweise der Kontinuit{\"a}t des Effektes auf p� GP konnte mit den Urolithinen A, B und C sowie Dexamethason gekl{\"a}rt werden. Eine Substanzexposition von lediglich f{\"u}nf Minuten war nicht ausreichend, um in den nachfolgenden zwei Stunden einen Effekt zu beobachten. Dies legt eine Reversibilit{\"a}t der zugrundeliegenden Mechanismen und eine notwendige dauerhafte Anwesenheit der Substanzen {\"u}ber die Versuchszeit nahe. Neben Rhodamin 123 wurden noch Transportversuche mit dem Fluorchinolonantibiotikum Ciprofloxacin als Modellsubstanz durchgef{\"u}hrt, da es aufgrund dessen Substratcharakters f{\"u}r p-GP von therapeutischer Relevanz sein kann, wenn das Transportverhalten durch Polyphenole beeinflusst wird. Im Gegensatz zu Rhodamin 123 wurde der Transport von Ciprofloxacin durch die vier Urolithine verringert, was f{\"u}r diese Metabolismusprodukte eine zus{\"a}tzliche Wirkung auf weitere Transportproteine nahelegt, weil Ciprofloxacin unter anderem auch {\"u}ber BRCP transportiert wird. Mittels des bakteriellen Endotoxins LPS konnte eine Sch{\"a}digung des CaCo-II-Monolayers erzeugt werden, welche sich {\"u}ber erniedrigte TEER-Werte und einen erh{\"o}hten Rhodamintransport nachweisen ließ. Eine Vorinkubation der vier Urolithine war nicht in der Lage, diese Sch{\"a}digung abzumildern, jedoch nicht komplett zu verhindern. Die TEER- Zusammenfassung 379 Werte konnten zwar wieder etwas gesteigert werden, jedoch maskierte die starke Stimulation dieser Pflanzenstoffe auf p-GP und den damit verbundenen Transport von Rhodamin 123 m{\"o}gliche positive Effekte auf diese oxidative Stresssituation. Zusammenfassend war es mit der vorliegenden Arbeit erstmals durch systematische vergleichende Untersuchung und Kombination von Charakterisierungsans{\"a}tzen m{\"o}glich, eine deutliche Beeinflussung der Genexpression und Funktionalit{\"a}t des p-Glykoproteins durch vor allem die Urolithine aufzuzeigen, was eine Relevanz sowohl des Mikrobioms als auch der Ern{\"a}hrung in der Arzneimitteltherapie nahelegt. Zudem gelang es den klassischen Transportassay durch Verk{\"u}rzung um eine Woche zu verbessern.},
  subject      = {p-Glykoprotein},
  language  = {de}
}