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Einsatz von mechanistischen Biomarkern zur Charakterisierung und Bewertung von \(in\) \(vitro\) Genotoxinen

Use of mechanistic biomarkers for the characterization and evaluation of \(in\) \(vitro\) genotoxins

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-182782
  • Die verfügbaren in vitro Genotoxizitätstests weisen hinsichtlich ihrer Spezifität und ihres Informationsgehalts zum vorliegenden Wirkmechanismus (Mode of Action, MoA) Einschränkungen auf. Um diese Mängel zu überwinden, wurden in dieser Arbeit zwei Ziele verfolgt, die zu der Entwicklung und Etablierung neuer in vitro Methoden zur Prüfung auf Genotoxizität in der Arzneimittelentwicklung beitragen. 1. Etablierung und Bewertung einer neuen in vitro Genotoxizitätsmethode (MultiFlow Methode) Die MultiFlow Methode basiert aufDie verfügbaren in vitro Genotoxizitätstests weisen hinsichtlich ihrer Spezifität und ihres Informationsgehalts zum vorliegenden Wirkmechanismus (Mode of Action, MoA) Einschränkungen auf. Um diese Mängel zu überwinden, wurden in dieser Arbeit zwei Ziele verfolgt, die zu der Entwicklung und Etablierung neuer in vitro Methoden zur Prüfung auf Genotoxizität in der Arzneimittelentwicklung beitragen. 1. Etablierung und Bewertung einer neuen in vitro Genotoxizitätsmethode (MultiFlow Methode) Die MultiFlow Methode basiert auf DNA-schadensassoziierten Proteinantworten von γH2AX (DNA-Doppelstrangbrüche), phosphorylierten H3 (S10) (mitotische Zellen), nukleären Protein p53 (Genotoxizität) und cleaved PARP1 (Apoptose) in TK6-Zellen. Insgesamt wurden 31 Modellsubstanzen mit dem MultiFlow Assay und ergänzend mit dem etablierten Mikrokerntest (MicroFlow MNT), auf ihre Fähigkeit verschiedene MoA-Gruppen (Aneugene/Klastogene/Nicht-Genotoxine) zu differenzieren, untersucht. Die Performance der „neuen“ gegenüber der „alten“ Methode führte zu einer verbesserten Sensitivität von 95% gegenüber 90%, Spezifität von 90% gegenüber 72% und einer MoA-Klassifizierungsrate von 85% gegenüber 45% (Aneugen vs. Klastogen). 2. Identifizierung mechanistischer Biomarker zur Klassifizierung genotoxischer Substanzen Die Analyse 67 ausgewählter DNA-schadensassoziierter Gene in der QuantiGene Plex Methode zeigte, dass mehrere Gene gleichzeitig zur MoA-Klassifizierung beitragen können. Die Kombination der höchstrangierten Marker BIK, KIF20A, TP53I3, DDB2 und OGG1 ermöglichte die beste Identifizierungsrate der Modellsubstanzen. Das synergetische Modell kategorisierte 16 von 16 Substanzen korrekt in Aneugene, Klastogene und Nicht-Genotoxine. Unter Verwendung der Leave-One-Out-Kreuzvalidierung wurde das Modell evaluiert und erreichte eine Sensitivität, Spezifität und Prädiktivität von 86%, 83% und 85%. Ergebnisse der traditionellen qPCR Methode zeigten, dass Genotoxizität mit TP53I3, Klastogenität mit ATR und RAD17 und oxidativer Stress mit NFE2L2 detektiert werden kann. Durch die Untersuchungen von posttranslationalen Modifikationen unter Verwendung der High-Content-Imaging-Technologie wurden mechanistische Assoziationen für BubR1 (S670) und pH3 (S28) mit Aneugenität, 53BP1 (S1778) und FANCD2 (S1404) mit Klastogenität, p53 (K373) mit Genotoxizität und Nrf2 (S40) mit oxidativem Stress identifiziert. Diese Arbeit zeigt, dass (Geno)toxine unterschiedliche Gen- und Proteinveränderungen in TK6-Zellen induzieren, die zur Erfassung mechanistischer Aktivitäten und Einteilung (geno)toxischer MoA-Gruppen (Aneugen/Klastogen/ Reaktive Sauerstoffspezies) eingesetzt werden können und daher eine bessere Risikobewertung von Wirkstoffkandidaten ermöglichen.show moreshow less
  • Available in vitro genotoxicity tests have limitations regarding their specificity and mode of action (MoA) information. To overcome these shortages, two objectives were pursued in this work to develop and establish new in vitro tools for genotoxicity testing. 1. Establishment and evaluation of a novel in vitro genotoxicity method (MultiFlow method) The MultiFlow method is based on DNA damage-related protein responses of γH2AX (DNA double-strand breaks), phosphorylated H3 (S10) (mitotic cells), nuclear protein p53 (genotoxicity) andAvailable in vitro genotoxicity tests have limitations regarding their specificity and mode of action (MoA) information. To overcome these shortages, two objectives were pursued in this work to develop and establish new in vitro tools for genotoxicity testing. 1. Establishment and evaluation of a novel in vitro genotoxicity method (MultiFlow method) The MultiFlow method is based on DNA damage-related protein responses of γH2AX (DNA double-strand breaks), phosphorylated H3 (S10) (mitotic cells), nuclear protein p53 (genotoxicity) and cleaved PARP1 (apoptosis) in TK6 cells. In total, 31 model substances were studied flow cytometrically in the MultiFlow assay - and also with the well-established micronucleus test (MicroFlow MNT) - for their ability to classify across MoA groups: aneugens, clastogens and non-genotoxicants. The performance of the new method resulted in an improved sensitivity of 95% to 90%, specificity of 90% to 72% and a MoA classification rate of 85% to 45% (aneugen vs. clastogen). 2. Identification of mechanistic biomarkers for the characterization of genotoxicants The analysis of 67 selected DNA-damage associated genes using the QuantiGene Plex method showed that a combinaten of genes can contribute to MoA classification. The combination of the highest-ranked markers (BIK, KIF20A, TP53I3, DDB2 and OGG1) highlighted the best identification rate of model substances. The synergistic statistic tool correctly categorized 16 of 16 substances into aneugens, clastogens and non-genotoxicants. By using leave-one out cross validation, the model was evaluated and achieved a sensitivity, specificity and predictivity of 86%, 83%, 85% respectively. Follow-up with qPCR was conducted and revealed associations with TP53I3 for genotoxicity, ATR and RAD17 for clastogenicity and NFE2L2 for oxidative stress. By investigating posttranslational modifications using high-content imaging, associations for BubR1 (S670) and pH3 (S28) with aneugenicity, 53BP1 (S1778) and FANCD2 (S1404) with clastogenicity, p53 (K373) with genotoxicity and Nrf2 (S40) with oxidative stress were found to be further useful for MoA identification. This work demonstrates that genotoxicants and non-genotoxicants induce different gene- and protein expression changes in the TK6 cells that can be used to classify the MoA groups (aneugen/clastogen/non-genotoxicant/reactive oxygen species), thus enabling better risk assessment of potential drug candidates.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sabrina Wilde
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-182782
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Medizinische Fakultät / Institut für Pharmakologie und Toxikologie
Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Helga Stopper, Prof. Dr. Robert Hock
Date of final exam:2019/06/26
Language:German
Year of Completion:2019
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-18278
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Genotoxizität
Tag:Aneugene; Biomarker; Klassifizierung; Klastogene
Genotoxicitiy; aneugens; biomarker; classification; clastogens
Release Date:2019/06/26
Licence (German):License LogoCC BY-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International