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Die Herztransplantation stellt heute oftmals die einzig effektive Therapie für Patienten mit Herzerkrankungen im Endstadium dar (Meiser et al., 1997). Seit dem routinemäßigen Einsatz von Cyclosporin A kann die akute Abstoßung besser kontrolliert werden. Die chronische Abstoßung, die sich bereits nach drei Monaten entwickeln kann, stellt heute die Hauptursache aller Transplantatversagen nach dem ersten postoperativen Jahr dar. Da sie sich hauptsächlich durch pathologische Veränderungen am Gefäßbett des Transplantats manifestiert, wird sie auch chronische Transplantatvaskulopathie (TVP) genannt. Um die histologischen Vorgänge der TVP zu ergründen, die zum Transplantatversagen führen, sind verschiedene Tiermodelle erarbeitet worden. Durchgesetzt haben sich heterotope Herztransplantationen bei Ratten verschiedener Inzuchtstämme. In dieser Arbeit wurde das als besonders günstig empfundene und bereits vielfach verwendete Tiermodell heterotoper Rattenherztransplantationen in der Stammkombination Lew®F344 verwendet (Ono et al., 1969). Die sich hier einstellenden Veränderungen entsprechen in hohem Grad denen menschlicher Transplantate. Seit 1995 ist bekannt, dass zwei Estrogenrezeptoren (ER-a und ER-b) mit unterschiedlicher Expression in den verschiedenen Organsystemen existieren. Im Herzen überwiegt die Expression des ER-b (Savolainen et al., 2001). In dieser Arbeit wurden zwei Hormone mit unterschiedlicher Affinität zum ER-a bzw. ER-b der Estrogenfamilie ausgewählt: 17-b-Estradiol (ein physiologisches Estrogen mit höherer Affiniät zum ER-a) und Coumestrol (ein pflanzliches Estrogen mit höherer Affinität zum ER-b). Außerdem wurde ICI 182.780 (ein kompetitiver ER-Antagonist) verwendet. Die angefertigten histologischen Präparate stellten die histologischen Veränderungen im Gewebe der chronisch abgestoßenen Herzen nach 150 Tagen dar. Es konnte deutlich dargestellt werden, dass bei Gabe von 17-ß-Estradiol und Coumestrol die proliferativen Intimaveränderungen der TVP signifikant vermindert werden können. Bemerkenswert war, dass dieser protektive Effekt von 17-ß-Estradiol- bzw. Coumestrol durch zusätzliche Gabe des Estrogenrezeptor-Antagonisten ICI aufgehoben wurde. Diese Ergebnisse konnten durch die genaue rechnergestützte Vermessung der Gefäßlumina dargestellt werden. Durch immunhistochemische Färbungen mit Antikörpern zur Markierung von T-Helferzellen, T-Suppressorzellen, MHC-II-Strukturen, Makrophagen und ICAM-1 wurde außerdem gezeigt, dass die myointimale MHC-II-Expression durch 17-ß-Estradiol bzw. Coumestrol-Gabe signifikant geringer ausgeprägt war. Ebenso die Infiltratdichte an Makrophagen und CD8-positiven Lymphozyten (Suppressor+zytotoxische Lymphozyten), nicht jedoch die der CD4-positiven Lymphozyten (T-Helferzellen). Alle beschriebenen Wirkungen von 17-ß-Estradiol bzw. Coumestrol waren rezeptorabhängig, da sie durch Zugabe des Estrogenrezeptorblockers ICI aufgehoben werden konnten. Aus den gewonnenen Ergebnissen könnten sich neue Therapie- bzw. Präventionsansätze für Herztransplantierte ergeben.
Ergebnisse vieler epidemiologischer Studien über die Risikoabschätzungen von Tumoren hormonabhängiger Gewebe legen einen deutlichen Zusammenhang zwischen den Hormonen und dem Auftreten dieser Tumoren nahe. Dabei wird der zellproliferationssteigernde Effekt der Hormone im Rahmen des Mehrstufenkonzeptes der Kanzerogenese meist als Promotionsfaktor beschrieben. In der vorliegenden Arbeit soll gezeigt werden, dass die hormonelle Induktion einer erhöhten Zellteilungsrate auch primär zu einer genetischen Instabilität beiträgt, mit dem Ziel einen weiteren Mechanismus in der Pathogenese hormonabhängiger Tumoren aufzuklären. Die östrogenrezeptorpositive Ovarialtumorzellinie BG-1 und die rezeptornegativen UCI-107 Zellen wurden mit 17-ß Östradiol behandelt und anschließend mit Hilfe des Mikrokerntests auf chromosomale Schäden untersucht. Die Bestimmung der Mikrokernrate bei den östrogensensitiven BG-1 Zellen zeigte, dass mit steigender Proliferationsinduktion auch die Mikrokernfrequenz konzentrationsabhängig erhöht war. Bei der Behandlung der BG-1 Zellen mit 17-ß Östradiol in Kombination mit dem spezifischen Östrogenrezeptorantagonisten 4- Hydroxytamoxifen wurde die östradiolinduzierte rezeptorabhängige Proliferationsstimulation durch Hydroxytamoxifen gehemmt. Parallel dazu sank auch die Mikrokernrate. Bei vergleichbaren Versuchen mit der östrogeninsensitiven UCI-107 Zellinie, bei der keine Effekte auf die Proliferation bei Behandlung der Zellen mit 17-ß Östradiol alleine sowie in Kombination mit 4- Hydroxytamoxifen detektiert werden konnte, wurde auch keine Mikrokerninduktion beobachtet. Eine erhöhte Mikrokernfrequenz konnte wiederum ausschließlich in den östradiolstimulierten BG-1 Zellen festgestellt werden, als durch den Einsatz des Zytokineseinhibitors Cytochalasin B die Auswertung der Mikrokerne auf jene Zellen normiert wurde, die genau eine Zellteilung durchgeführt hatten. Die Ergebnisse machten deutlich, dass die östradiolstimulierten Zellen auf Grund der beschleunigten Proliferation eine „andere Art von Zellteilung“ durchführen. In einem weiteren Abschnitt der Arbeit wurde der Einfluss der Östradiolstimulierung auf den Zellzyklus untersucht. Mittels eines FACScans konnten die prozentualen Zellzyklusphasenanteile (G1/ G0-, S- und G2/ M- Phase) der BG-1 Zellen zu verschiedenen Zeiten des Wachstums bestimmt werden. Zum Beispiel war der Anteil an Zellen der östradiolstimulierten Zellpopulation in der G2/ M Phase durchgehend um 6-8 % geringer gegenüber dem Anteil an Zellen, die mit Lösungsmittel behandelt wurden. Möglicherweise ist dies ein Erklärungsansatz für das vermehrte Auftreten von Mikrokernen bei Östradiolstimulierung, da bekannt ist, dass es in der G2/ M-Phase einen wichtigen Kontrollpunkt innerhalb des Zellzyklus zur Detektion und Reparatur chromosomaler Schäden gibt. Bei Berechnung der Zellzyklusphasenzeiten ergab sich ebenso in der G2/M Phase eine deutlich verkürzte Verweildauer der östradiol-behandelten BG-1 Zellen. Zusammengefaßt leitet sich die Hypothese ab: „Die Zellen werden auf Grund der hormonellen Proliferationsstimulierung durch den Zellzyklus „gejagt“, demzufolge werden wichtige „Checkpoints“ im Zellzyklus überlaufen, wodurch eine genetische Instabilität entstehen.kann“.
Reaktive Sauerstoffspezies (ROS, engl. reactive oxygen species) sind hochreaktive Biomoleküle, die in geringen Konzentrationen ubiquitär als Produkte des normalen zellulären Metabolismus entstehen. Zum Schutz vor irreversiblen oxidativen Schädigungen durch diese Moleküle, besitzt der Organismus antioxidative Enzyme und nicht-enzymatische Antioxidantien, die ROS neutralisieren. Eine pathophysiologische Zunahme der Generierung und Freisetzung von ROS und/oder verminderte zelluläre Abwehrmechanismen gegen diese können, in Folge einer gestörten Redox-Homöostase, zur Ausbildung des sog. „oxidativen Stresses“ führen, der unter anderem mit einer Reihe kardiovaskulärer Erkrankungen assoziiert ist. Das Steroidhormon Aldosteron (ALDO), das der Gruppe der Mineralocorticoide angehört, besitzt für den Wasser- und Elektrolythaushalt eine essentielle Bedeutung. Als Agonist bindet ALDO an Mineralocorticoidrezeptoren (MR) in der Niere und im Kolon und stimuliert unter physiologischen Bedingungen über die Aktivierung des MR die renale Rückresorption von Natriumionen und Wasser. Epidemiologische Studien sowie in vitro und in vivo Untersuchungen konnten einen kausalen Zusammenhang zwischen erhöhten ALDO-Serumwerten und/oder einer disproportional erhöhten MR-Aktivierung und einer gesteigerten ROS-Generierung im Herz-Kreislaufsystem belegen. Im Gegensatz zu ALDO besitzt das Sexualsteroid 17β-Estradiol (E2) protektive kardiovaskuläre Effekte. E2 fungiert über zwei intrazelluläre Estrogenrezeptor (ER)-Subtypen, ERα und ERβ, die nach ligandabhängiger Aktivierung als nukleäre Transkriptionsfaktoren die Expression spezifischer Zielgene regulieren. Neben ER-vermittelten vasodilatatorischen und antiinflammatorischen Wirkungen innerhalb der Blutgefäße und des Myokards besitzt E2 unter anderem auch antioxidative Eigenschaften und das Potential die zelluläre Redox-Homöostase günstig zu beeinflussen. Auf Grund dieser Befunde wurde die Hypothese aufgestellt, dass E2 über einen ER-vermittelten Mechanismus dem ALDO-induzierten oxidativen Stress in glatten Gefäßmuskelzellen der Ratte (PRSMC, für engl. primary rat smooth muscle cells) entgegenwirkt. Zusätzlich sollte durch die Supplementation des ERα-spezifischen Agonisten 16α-LE2 und des ERβ-spezifischen Agonisten 8β-VE2 zu ALDO-behandelten Zellen untersucht werden, ob die beiden ER-Subtypen redundante, spezifische oder gegensätzliche Effekte bezüglich der aufgestellten Hypothese, besitzen. Durch Färbungen hormonbehandelter PRSMC mit dem ROS-sensitiven Fluoreszenzfarbstoff Dihydroethidium (DHE) und anschließender Quantifizierung der DHE-Fluoreszenzintensität konnte bestätigt werden, dass der ALDO-induzierte oxidative Stress durch die Kosupplementation von E2, 16α-LE2 und 8β-VE2 über einen ERα- und ERβ-vermittelten Mechanismus signifikant reduziert werden kann. Des Weiteren konnte im Verlauf dieser Arbeit belegt werden, dass die intrazelluläre Konzentration des Reduktionsäquivalents Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat in seiner reduzierten Form (NADPH) in ALDO+E2-, ALDO+16α-LE2- und ALDO+8β-VE2-behandelten PRSMC im Vergleich zu nur mit ALDO-behandelten Zellen signifikant erhöht ist. Ferner konnte in Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen gezeigt werden, dass die Kosupplementation von NADPH zu ALDO-behandelten Zellen, die DHE Oxidation in diesen Zellen signifikant unterbindet. Mittels Western Blot Analysen und Enzymaktivitätsassays hormonbehandelter PRSMC ließ sich schließlich nachweisen, dass ALDO die Enzymaktivität und Proteinexpression des NADPH generierenden Enzyms Glukose-6-phosphat Dehydrogenase (G6PDH) supprimiert. Weiter konnte innerhalb dieser Arbeit erstmalig bestätigt werden, dass E2 die Suppression der G6PDH-Aktivität durch ALDO unterbindet und die Enzymaktivität dieses Proteins wieder auf den basalen Wert anhebt. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass E2 der ALDO-induzierten lokalen ROS-Generierung in PRSMC ER-vermittelt entgegenwirkt. Der zugrunde liegende Mechanismus dieses Effekts basiert auf einer Aufrechterhaltung der G6PDH-Enzymaktivität, wodurch die Bioverfügbarkeit des Reduktionsäquivalents NADPH, das eine Schlüsselrolle im zellulären antioxidativen System spielt, gewährleistet wird.
The volatile anesthetic desflurane (DES) effectively reduces cardiac infarct size following experimental ischemia/reperfusion injury in the mouse heart. We hypothesized that endogenous estrogens play a role as mediators of desflurane-induced preconditioning against myocardial infarction. In this study, we tested the hypothesis that desflurane effects local estrogen synthesis by modulating enzyme aromatase expression and activity in the mouse heart. Aromatase metabolizes testosterone to 17b- estradiol (E2) and thereby significantly contributes to local estrogen synthesis. We tested aromatase effects in acute myocardial infarction model in male mice. The animals were randomized and subjected to four groups which were pre-treated with the selective aromatase inhibitor anastrozole (A group) and DES alone (DES group) or in combination (A+DES group) for 15 minutes prior to surgical intervention whereas the control group received 0.9% NaCl (CON group). All animals were subjected to 45 minutes ischemia following 180 minutes reperfusion. Anastrozole blocked DES induced preconditioning and increased infarct size compared to DES alone (37.94615.5% vs. 17.163.62%) without affecting area at risk and systemic hemodynamic parameters following ischemia/reperfusion. Protein localization studies revealed that aromatase was abundant in the murine cardiovascular system with the highest expression levels in endothelial and smooth muscle cells. Desflurane application at pharmacological concentrations efficiently upregulated aromatase expression in vivo and in vitro. We conclude that desflurane efficiently regulates aromatase expression and activity which might lead to increased local estrogen synthesis and thus preserve cellular integrity and reduce cardiac damage in an acute myocardial infarction model.
Understanding intramammary estrogen homeostasis constitutes the basis of understanding the role of lifestyle factors in breast cancer etiology. Thus, the aim of the present study was to identify variables influencing levels of the estrogens present in normal breast glandular and adipose tissues (GLT and ADT, i.e., 17β-estradiol, estrone, estrone-3-sulfate, and 2-methoxy-estrone) by multiple linear regression models. Explanatory variables (exVARs) considered were (a) levels of metabolic precursors as well as levels of transcripts encoding proteins involved in estrogen (biotrans)formation, (b) data on breast cancer risk factors (i.e., body mass index, BMI, intake of estrogen-active drugs, and smoking) collected by questionnaire, and (c) tissue characteristics (i.e., mass percentage of oil, oil%, and lobule type of the GLT). Levels of estrogens in GLT and ADT were influenced by both extramammary production (menopausal status, intake of estrogen-active drugs, and BMI) thus showing that variables known to affect levels of circulating estrogens influence estrogen levels in breast tissues as well for the first time. Moreover, intratissue (biotrans)formation (by aromatase, hydroxysteroid-17beta-dehydrogenase 2, and beta-glucuronidase) influenced intratissue estrogen levels, as well. Distinct differences were observed between the exVARs exhibiting significant influence on (a) levels of specific estrogens and (b) the same dependent variables in GLT and ADT. Since oil% and lobule type of GLT influenced levels of some estrogens, these variables may be included in tissue characterization to prevent sample bias. In conclusion, evidence for the intracrine activity of the human breast supports biotransformation-based strategies for breast cancer prevention. The susceptibility of estrogen homeostasis to systemic and tissue-specific modulation renders both beneficial and adverse effects of further variables associated with lifestyle and the environment possible.
Context
The adrenal cortex produces specific steroid hormones including steroid sulfates such as dehydroepiandrosterone sulfate (DHEAS), the most abundant steroid hormone in the human circulation. Steroid sulfation involves a multistep enzyme machinery that may be impaired by inborn errors of steroid metabolism. Emerging data suggest a role of steroid sulfates in the pathophysiology of adrenal tumors and as potential biomarkers.
Evidence Acquisition
Selective literature search using “steroid,” “sulfat*,” “adrenal,” “transport,” “mass spectrometry” and related terms in different combinations.
Evidence Synthesis
A recent study highlighted the tissue abundance of estrogen sulfates to be of prognostic impact in adrenocortical carcinoma tissue samples using matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry imaging. General mechanisms of sulfate uptake, activation, and transfer to substrate steroids are reasonably well understood. Key aspects of this pathway, however, have not been investigated in detail in the adrenal; these include the regulation of substrate specificity and the secretion of sulfated steroids. Both for the adrenal and targeted peripheral tissues, steroid sulfates may have relevant biological actions beyond their cognate nuclear receptors after desulfation. Impaired steroid sulfation such as low DHEAS in Cushing adenomas is of diagnostic utility, but more comprehensive studies are lacking. In bioanalytics, the requirement of deconjugation for gas-chromatography/mass-spectrometry has precluded the study of steroid sulfates for a long time. This limitation may be overcome by liquid chromatography/tandem mass spectrometry.
Conclusions
A role of steroid sulfation in the pathophysiology of adrenal tumors has been suggested and a diagnostic utility of steroid sulfates as biomarkers is likely. Recent analytical developments may target sulfated steroids specifically.
Breast cancer etiology is associated with both proliferation and DNA damage induced by estrogens. Breast cancer risk factors (BCRF) such as body mass index (BMI), smoking, and intake of estrogen-active drugs were recently shown to influence intratissue estrogen levels. Thus, the aim of the present study was to investigate the influence of BCRF on estrogen-induced proliferation and DNA damage in 41 well-characterized breast glandular tissues derived from women without breast cancer. Influence of intramammary estrogen levels and BCRF on estrogen receptor (ESR) activation, ESR-related proliferation (indicated by levels of marker transcripts), oxidative stress (indicated by levels of GCLC transcript and oxidative derivatives of cholesterol), and levels of transcripts encoding enzymes involved in estrogen biotransformation was identified by multiple linear regression models. Metabolic fluxes to adducts of estrogens with DNA (E-DNA) were assessed by a metabolic network model (MNM) which was validated by comparison of calculated fluxes with data on methoxylated and glucuronidated estrogens determined by GC- and UHPLC-MS/MS. Intratissue estrogen levels significantly influenced ESR activation and fluxes to E-DNA within the MNM. Likewise, all BCRF directly and/or indirectly influenced ESR activation, proliferation, and key flux constraints influencing E-DNA (i.e., levels of estrogens, CYP1B1, SULT1A1, SULT1A2, and GSTP1). However, no unambiguous total effect of BCRF on proliferation became apparent. Furthermore, BMI was the only BCRF to indeed influence fluxes to E-DNA (via congruent adverse influence on levels of estrogens, CYP1B1 and SULT1A2).