TY  - THES
A1  - Sieber, Maximilian
T1  - Evaluation of 1H-NMR and GC/MS-based metabonomics for the assessment of liver and kidney toxicity
T1  - Bewertung von 1H-NMR und GC/MS-Metabonomics zur Erkennung von Leber- und Nierentoxizität
N2  - For the assessment of metabonomics techniques for the early, non-invasive detection of toxicity, the nephrotoxins gentamicin (s.c. administration of 0, 60 and 120 mg/kg bw 2x daily for 8 days), ochratoxin A (p.o. administration of 0, 21, 70 and 210 µg/kg bw 5 days/week for 90 days) and aristolochic acid (p.o. administration of 0, 0.1, 1.0 and 10 mg/kg bw for 12 days) were administered to rats and urine samples were analyzed with 1H-NMR and GC/MS. Urine samples from the InnoMed PredTox project were analyzed as well, thereby focusing on 1H-NMR analysis and bile duct necrosis as histopathological endpoint. 1H-NMR analysis used water supression with the following protocol: 1 M phosphate buffer, D2O as shift lock reagent, D4-trimethylsilyl­propionic acid as chemical shift reference, noesygppr1d pulse sequence (Bruker). For multivariate data analysis, spectral intensity was binned into 0.04 ppm wide bins. GC/MS analysis of urine was carried out after protein precipitation with methanol, drying, derivatization with methoxyamine hydrochloride in pyridine and with methyl(trimethylsilyl)­trifluoroacetamide on a DB5-MS column using EI ionization. The chromatograms were prepared for multivariate data analysis using the R-program based peak picking and alignment software XCMS version 2.4.0. Principal component analysis (PCA) to detect and visualize time-point and dose-dependent differences between treated animals and controls and orthogonal projection to latent structures discriminant analysis (OPLS-DA) for identification of potential molecular markers of toxicity was carried out using SIMCA P+ 11.5 1H-NMR-based markers were identified and quantified with the Chenomx NMR Suite, GC/MS based markers were identified using the NIST Mass Spectral Database and by co-elution with authentic reference standards. PCA of urinary metabolite profiles was able to differentiate treated animals from controls at the same time as histopathology. An advantage over classical clinical chemistry parameters regarding sensitivity could be observed in some cases. Metabonomic analysis with GC/MS and 1H-NMR revealed alterations in the urinary profile of treated animals 1 day after start of treatment with gentamicin, correlating with changes in clinical chemistry parameters and histopathology. Decreased urinary excretion of citrate, 2-oxoglutarate, hippurate, trigonelline and 3-indoxylsulfate increased excretion of 5-oxoproline, lactate, alanine and glucose were observed. Ochratoxin A treatment caused decreased excretion of citrate, 2-oxoglutarate and hippurate and and increased excretion of glucose, myo-inositol, N,N-dimethylglycine, glycine, alanine and lactate as early as 2 weeks after start of treatment with 210µg OTA/kg bw, correlating with changes in clinical chemistry parameters and histopathology. Integration of histopathology scores increased confidence in the molecular markers discovered. Aristolochic acid treatment resulted in decreased urinary excretion of citrate, 2-oxoglutarate, hippurate and creatinine as well as increased excretion of 5-oxoproline, N,N-dimethylglycine, pseudouridine and uric acid. No alterations in clinical chemistry parameters or histopathology were noted.Decreased excretion of hippurate indicates alterations in the gut microflora, an effect that is expected as pharmacological action of the aminoglycoside antibiotic gentamicin and that can also be explained by the p.o. administration of xenobiotica. Decreased Krebs cycle intermediates (citrate and 2-oxoglutarate) and increased lactate is associated with altered energy metabolism. Increased pseudouridine excretion is associated with cell proliferation and was observed with aristolochic acid and ochratoxin A, for which proliferative processes were observed with histopathology. 5-oxoproline and N,N-dimethylglycine can be associated with oxidative stress. Glucose, a marker of renal damage in clinical chemistry, was observed for all three nephrotoxins studied. Single study analysis with PCA of GC/MS chromatograms and 1H-NMR spectra of urine from 3 studies conducted within the InnoMed PredTox project showing bile duct necrosis revealed alterations in urinary profiles with the onset of changes in clinical chemistry and histopathology. Alterations were mainly decreased Krebs cycle intermediates and changes in the aromatic gut flora metabolites, an effect that may result as a secondary effect from altered bile flow. In conclusion, metabonomics techniques are able to detect toxic lesions at the same time as histopathology and clinical chemistry. The metabolites found to be altered are common to most toxicities and are not organ-specific. A mechanistic link to the observed toxicity has to be established in order to avoid confounders such as body weight loss, pharmacological effects etc. For pattern recognition purposes, large databases are necessary.
N2  - Zur Bewertung von Metabonomics-Techniken zur frühen, nicht-invasiven Erkennung von Toxizität wurde Rattenurin nach wiederholter Gabe von Nephrotoxinen mit 1H-NMR und GC/MS analysiert. Untersucht wurden Gentamicin (s.c.-Gabe von 0, 60 und 120 mg/kg Körpergewicht (KG) 2x tägl. über 8 Tage), Ochratoxin A (p.o.-Gabe von 0, 21, 70 und 210 µg/kg KG 5xl wöchentlich für 90 Tage) und Aristolochiasäure (p.o.-Gabe von 0, 0.1, 1.0 und 10 mg/kg KG über 12 Tage). Proben von 16 Studien des InnoMed PredTox Projekts wurden mit 1H-NMR auf den histopathologischen Endpunkt Gallengangnekrose (BDN) untersucht. Folgende Parameter wurden zur 1H-NMR-Analyse mit Wasserunterdrückung verwendet: 1 M Phosphatpuffer, shift lock Reagenz D2O und Referenzierung der chemischen Verschiebung auf D4-Trimethylsilyl­propionsäure, noesygppr1d-Pulssequenz (Bruker). Zur multivariaten Datenanalyse wurden die Spektren in 0.04 ppm große „bins“ unterteilt. Zur GC/MS-Analyse wurden nach Proteinfällung mit Methanol die Urinproben getrocknet und mit Methoxyaminhydrochlorid in Pyridin und Methyl(trimethylsilyl)trifluoracetamid derivatisiert und auf einer DB5-MS -Säule getrennt. Die GC/MS-Chromatogramme wurden mit dem R-Programm-basierten XCMS-Softwarepaket Version 2.4.0 zur multivariaten Datenanalyse vorbereitet. Hauptkomponentenanalyse (PCA) zur Visualisierung von zeit- und dosisabhängigen Unterschieden zwischen Kontrollen und behandelten Tieren und „orthogonal projection to latent structures“-Diskriminantenanalyse (OPLS-DA) zur Identifizierung von Toxizitätsmarkern erfolgte mit SIMCA P+11.5 Die Chenomx-NMR-Suite wurde zur Identifizierung und Quantifizierung von 1H NMR-basierten Markern verwendet; GC/MS-basierte Marker wurden mit der „NIST Mass Spectral Database“ und durch Koelution mit Referenzstandards identifiziert. PCA unterschied Kontroll- von behandelten Tieren zum gleichen Zeitpunkt wie Histopathologie. Gegenüber klinisch-chemischen Parametern war Metabonomics in einigen Fällen empfindlicher. Gentamicin induzierte nach Tag 1 erniedrigte Ausscheidung von Citrat, 2-Oxoglutarat, Hippurat, Trigonellin und 3-Indoxylsulfat Urin, sowie erhöhte Ausscheidung von Lactat, Alanin, 5-Oxoprolin und Glucose, begleitet von geringfügigen Änderungen in klinisch-chemischen Parametern. Ochratoxin A verursachte nach zwei Wochen in einzelnen Tieren eine erniedrigte Ausscheidung von Citrat, 2-Oxoglutarat und Hippurat sowie eine erhöhte Ausscheidung von Glucose, myo-Inositol, N,N-Dimethylglycin, 5-Oxoprolin, Glycin, Alanin und Lactat, korrelierend mit Veränderungen in klinisch-chemischen Parametern und in der Histopathologie. Verwendung von Histopathologiedaten in multivariaten Modellen zur Markeridentifizierung erhöhte die Konfidenz der Marker. Aristolochiasäure induzierte eine erniedrigte Ausscheidung von Citrat, 2-Oxoglutarat, Hippurat und Creatinin und eine erhöhte Ausscheidung von 5-Oxoprolin, N,N-Dimethylglycin und Pseudouridin, ohne Veränderung der klinisch-chemischen Parameter oder der Histopathologie. Erniedrigte Ausscheidung von Hippurat weist auf eine veränderte Darmmikroflora hin; für das Aminoglykosid-Antibiotikum Gentamicin ist dies ein pharmakologischer Effekt, der für die perorale Gabe von Xenobiotica zu erwarten ist. Erniedrigte Ausscheidung von Citrat und 2-Oxoglutarat und erhöhte Ausscheidung von Lactat zeigt einen veränderten Energiestoffwechsel. Erhöhte Ausscheidung von Pseudouridin ist mit Zell­proliferation assoziiert und wurde nach Gabe der Kanzerogene Ochratoxin A und Aristolochiasäure beobachtet, bei denen proliferative Prozesse in der Histopathologie gefunden wurden. 5-Oxoprolin und N,N-Dimethyl­glycin deuten auf erhöhten oxidativen Stress hin. Erhöhte Glucose im Urin, ein Parameter zur Diagnose von Nierenschäden in der klinischen Chemie, wurde in allen drei Studien mit Nephrotoxinen beobachtet. GC/MS- und 1H-NMR-Daten von InnoMed-Studien mit Gallengang­nekrosen als histopathologischen Endpunkt zeigten Veränderung im Urin zeitgleich mit klinisch-chemischen Parametern und Histopathologie; hauptsächlich erniedrigte Ausscheidung von Citratzyklusintermediaten und Veränderungen bei Darmflora-assoziierten Metaboliten, – ein Effekt, der wahrscheinlich veränderten Gallenfluss zurückzuführen ist. Metabonomics ist prinzipiell zum gleichen Zeitpunkt wie klinisch-chemische Parameter und Histopathologie zur Erkennung von toxischen Veränderungen geeignet. Die veränderten Metaboliten sind jedoch zumeist nicht organspezifisch und können mit allgemeinen Toxizitätsmechanismen, wie oxidativem Stress oder Zellproliferation, in Verbindung gebracht werden. Für die Bewertung der Ergebnisse von Metabonomics-Studien ist ein mechanistisches Verständnis der Veränderungen im Urinprofil notwendig, um eine Trennung von toxischen Effekten und solchen, die auf pharmakologische Wirkung, Körpergewichtsverlust etc. zurückzuführen sind, zu erreichen. Für eine Vorhersage von toxischen Mechanismen aufgrund der Urinprofile ist eine größere Datengrundlage notwendig.
KW  - Toxikologie
KW  - Protonen-NMR-Spektroskopie
KW  - GC-MS
KW  - Multivariate Analyse
KW  - Niere
KW  - Leber
KW  - Metabonomics
KW  - Toxicology
KW  - Metabonomics
KW  - GC/MS
KW  - 1H-NMR-Spectroscopy
KW  - multivariate analysis
KW  - kidney
KW  - liver
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-43052
ER  - 
TY  - THES
A1  - Trösken, Eva-Regina
T1  - Toxicological evaluation of azole fungicides in agriculture and food chemistry
T1  - Toxikologische Beurteilung der Anwendung von Azolfungiziden in der Landwirtschaft und Lebensmittelchemie
N2  - Azole sind wichtige Chemikalien, die als Fungizide in der Landwirtschaft und der Medizin eingesetzt werden. Auch als Zytostatika in der Humanmedizin finden sie Anwendung. Die fungizide Wirkung beruht auf der Hemmung der Lanosterol-14α-Demethylase (CYP51), die die Demethylierung von Lanosterol zum „Follicular Fluid Meiosis Activating Steroid (FF-MAS)“ katalysiert. Für Pilze ist das später resultierende Ergosterol ein essentieller Bestandteil der Zellmembran. Exponierten Pilzen fehlt Ergosterol was zu einem Zusammenbruch der Zellmembran führt. Säugetiere können Cholesterol, das spätere Produkt der Lanosterol-14α-Demethylierung, das zur Synthese von z.B. Gallensäuren und Sexualhormonen nötig ist, mit der Nahrung aufnehmen. FF-MAS und das resultierende T-MAS (Testis Meiosis Activating Steroids), die direkten Produkte der CYP51 katalysierten Reaktion, wirken als Meiose-aktivierende Steroide auf Ovarien und Hoden und werden nicht mit der Nahrung aufgenommen. Eine Hemmung der CYP51 Aktivität könnte das endokrine System beeinflussen und wird daher als unerwünschte Nebenwirkung der Azole betrachtet. Aromatase (CYP19) katalysiert die Demethylierung von Testosteron zu Östradiol und wird durch Azole gehemmt. Die Verringerung der Östrogenspiegel durch CYP19-Inhibition ist das Wirkprinzip der als Zytostatika genutzten Azole, bei den Fungiziden wird es als unerwünschte Nebenwirkung angesehen. Ein ideales Azol sollte Pilz-CYP51 stark inhibieren, aber sowohl humanes CYP19 wie auch humanes CYP51 sollten durch ein solches Azol nicht inhibiert werden. Ein ideales Azol-Zytostatikum sollte eine starke inhibitorische Potenz gegenüber humanem CYP19 aufweisen, hingegen sollten humanes und Pilz-CYP51 nicht inhibiert werden. Ziel dieser Arbeit war es nun festzustellen: sind Fungizide und Antimykotika starke Inhibitoren von Pilz-CYP51? Zeigen Fungizide und Antimykotika keine Aktivität gegenüber humanem CYP19 und humanem CYP51? Sind Zytostatika starke Inhibitoren von humanem CYP19? Zeigen Zytostatika keine Aktivität gegenüber humanem CYP51 und Pilz-CYP51? Die inhibitorische Potenz von 22 Azolen, aus den drei Anwendungsgebieten, wurden an vier Systemen getestet: i) an humanem CYP19 und einem fluoreszierenden Pseudosubstrat, ii) an CYP19 und Testosteron als Substrat, iii) an humanem CYP51 und iv) Candida albicans CYP51 und Lanosterol als Substrat. Die Produktbildung wurde mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie gekoppelter Tandem-Massenspektrometrie nach Photosprayionisation gemessen. Das humane CYP51 wurde von „BD Gentest Cooperation“ zur Verfügung gestellt. Ein katalytisch aktiver Enzymkomplex bestehend aus der Lanosterol-14α-Demethylase von Candida albicans und der Oxidoreduktase von Candida tropicalis, wurde im Baculovirussystem exprimiert. Ein Vergleich der inhibitorischen Wirkstärke der Substanzen auf menschliches CYP19 und CYP51 und Pilz-CYP51 zeigt, dass einige Azole das erwünschte Bild zeigen. Dazu gehören die beiden Zytostatika Fadrozol und Letrozol, sowie Fluconazol und Itraconazol, zwei Antimykotika aus der Humanmedizin, und einige Fungizide z.B. Cyproconazol und Hexaconazol. Ein unerwünschtes Bild zeigen z.B. Prochloraz, Bifonazol, Ketoconazol und Miconazol. Sieben Azole weisen ein gemischtes Bild an inhibitorischen Wirkstärken auf. Um einen modellartigen Eindruck der Rückstände von Azolen in Lebensmitteln zu erhalten, wurde eine auf LC-ESI-MS/MS basierende Rückstandsanalytik für Azole im Wein entwickelt. Alle gefunden Rückstände lagen unterhalb der behördlich festgelegten Rückstandshöchstmengen. Um die inhibitorische Wirkung der Azole auf die verschiedenen Enzymsysteme in einem größeren Zusammenhang zu bringen, wurden die IC50 Werte mit Expositionsdaten von Bauern, maximalen Plasmaspiegeln in Patienten nach der Einnahme von Antimykotika und mit Expositionsgrenzwerten für die Langzeitaufnahme von Pflanzenschutzmittelrückständen („Acceptable Daily Intake Levels“, ADI) verglichen. Basierend auf den dargestellten Ergebnissen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden. Das Risiko für landwirtschaftliche Arbeiter durch Exposition gegenüber Azolfungiziden kann im Bezug auf menschliches CYP19 und CYP51 als vernachlässigbar eingestuft werden, wenn die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Im medizinischen Bereich muss grundsätzlich der Einsatz von Bifonazol, Miconazol und Ketoconazol mit Blick auf die hohe inhibitorische Potenz gegenüber menschlichem CYP19 und 51 kritisch betrachtet werden. Unter der Annahme, dass die ADI Werte eingehalten werden, stellen Rückstände auf Lebensmitteln in Bezug auf die genannten Enzymsysteme keine Bedrohung für den Verbraucher da. Die Inhibition von CYP19 muss als Störung des Hormonsystems angesehen werden. Die Bedeutung von FF-MAS und T-MAS im endokrinen System muss noch abschließend geklärt werden und damit auch die Frage, wie viel Bedeutung der Inhibition von menschlichem CYP51 beigemessen werden muss.
N2  - Azoles are important chemicals used as antifungal agents in agriculture and human medicine, but also as cytostatic drugs in tumour chemotherapy. Antifungal activities are based on inhibition of lanosterol-14α-demethylase (CYP51). CYP51 catalyses the oxidative removal of the methyl group # 32 of lanosterol to produce follicular fluid meiosis activating steroid (FF-MAS). For fungi the later resulting ergosterol is an essential compound of the cell membrane. Exposed fungi lack ergosterol, which leads to a collapse of the cell membrane. In mammals cholesterol, the downstream product of lanosterol-14α-demethylation necessary for the synthesis of bile acids, mineral corticoids, glucocorticoids and sex steroids, can be supplemented with food intake. However FF-MAS and the resulting T-MAS (testis meiosis activating steroids), the direct products of the CYP51 reaction, act as meiosis-activating steroids on ovaries and testes and are not supplemented with food intake. Inhibition of CYP51 in humans may therefore affect the endocrine system and is an unwanted side effect of azoles. Aromatase (CYP19) catalyses the demethylation of testosterone to estradiol and is inhibited by azoles. Reduction of estrogen levels by CYP19 inhibition is the working principle of cytostatic drugs used in breast cancer therapy but is considered an unwanted side effect for azoles used to treat fungal infections. A favourable fungicide or antifungal drug should be a strong inhibitor of fungal CYP51. In contrast human CYP51 and human CYP19 should not be inhibited by an azole fungicide or antifungal agent. The favourable cytostatic drug should show a high potency towards human CYP19. Neither human CYP51 nor fungal CYP51 should be inhibited by a cytostatic drug. The aim of this work was to assess: are fungicides and antifungal drugs strong inhibitors of fungal CYP51? In return do they not inhibit human CYP51 and human CYP19? Do cytostatic drugs strongly inhibit human CYP19? And in return do they not inhibit human CYP51 or fungal CYP51? Inhibitory potencies of 22 azole compounds used for the three purposes were tested in four inhibition assays: i) on commercially available human CYP19 utilising a fluorescent pseudo substrate dibenzylfluorescein (DBF) ii) on CYP19 utilising testosterone as substrate iii) on human CYP51 and iv) Candida albicans CYP51 utilising lanosterol as substrate. Product formation was measured by liquid chromatography – tandem mass spectrometry utilising photospray ionisation (APPI). A functional human CYP51 was available from BD Gentest Cooperation. A functional enzyme complex comprising of the Candida albicans lanosterol-14α-demethylase and the Candida tropicalis oxidoreductase was expressed in the baculovirus system. When comparing inhibitory potencies on CYP19, human CYP51 and Candida albicans CYP51 a number of agents show desirable patterns of inhibition e.g. the two cytostatic drugs, or two antifungal agents used in human medicine, fluconazole and itraconazole, and a wide variety of the fungicides, e.g. cyproconazole and hexaconazole. Undesirable patterns of inhibition were exhibited by a number of compounds, e.g. prochloraz, bifonazole, ketoconazole and miconazole. Seven compounds show a more complex picture of inhibitory potencies though. To get a picture of residue levels of azoles in food in a model case an LC-ESI-MS/MS method was developed for the determination of azole compounds in wine. All residues were below the maximum residue levels set by authorities. To classify the inhibitory potencies on the different enzyme systems IC50 values obtained were compared to exposure levels measured in farmers, maximum plasma concentrations in humans reported after exposure to antifungal drugs and to acceptable daily intake levels set by authorities. Based on the findings presented, the following conclusions can be drawn. The risk for agricultural workers set by exposure to azole fungicides with respect to human CYP51 and CYP19 can be regarded as negligible when safety measures are adhered to. As a matter of principle however, the usage of bifonazole, miconazole and ketoconazole has to be viewed with caution in respect to the high level of inhibition of human CYP51 and/or CYP19. Under the assumption that the acceptable daily intake amounts set by authorities for azole compounds are not exceeded the residues do not pose a threat to consumer safety judged by our findings. Inhibition of CYP19 with the consequence of a reduction of estradiol levels has to be regarded as a possible disrupting effect of the hormone balance. The relevance of FF-MAS and T-MAS in the endocrine system however still has to be evaluated completely bringing with it the question of how much importance has to be attached to the inhibition of human CYP51.
KW  - Azole
KW  - Fungizid
KW  - Toxikologie
KW  - CYP19
KW  - CYP51
KW  - Azole
KW  - Toxikologie
KW  - CYP19
KW  - CYP51
KW  - Azoles
KW  - Toxicology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17016
ER  -