Projektgruppe
Molekulare Toxikologie [MolTox]

An Arbeitsplätzen kommen qualitativ und quantitativ unterschiedliche Belastungen mit Chemikalien vor. Expositionen gegenüber solchen Chemikalien und deren Aufnahme in den Organismus können zu leichten Irritationen bis hin zu schwerwiegenden Erkrankungen, wie der Entstehung von Tumoren, führen. Ziel der Projektgruppe ist es, die durch toxische und krebserzeugende Stoffe ausgelösten Effekte auf molekularer Ebene zu untersuchen und sie mit pathogenetischen Prozessen in Beziehung zu setzen. Ein Schwerpunkt der Arbeiten liegt hierbei auf der Untersuchung der durch Chemikalien ausgelösten Entwicklung von Harnblasentumoren. Parallel geht hiermit die Identifizierung von Expositions- und Effektbiomarkern sowie von Genen einher, die für die individuell unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber Schadstoffeffekten verantwortlich sind. Chemikalienbedingte Risiken am Arbeitsplatz werden also sowohl schadstoff- als auch personenbezogen betrachtet und analysiert.
 

Wissenschaftliche Mitarbeiter/Mitarbeiterinnen

• Herrmann Bolt
• Kathrin Herbst
• Jeanette Niestroy
• Angufor Numfor
• Peter Roos (Projektleiter)
• Alfonso Barbara

Aktuelle Forschung

• Projektbereich 1 "Urothel, Harnblase und Harnblasenkarzinogenese"
  (Alfonso Barbara, Brigitte Begher-Tibbe, Ingeborg Bichbäumer, Kathrin Herbst, Angufor Numfor, Peter Roos)
  Dieser Projektbereich bindet etwa 80 % der Kapazitäten der Projektgruppe und ist eng mit dem Projektbereich 3 verknüpft, in dem es parallel um die Entwicklung von Methoden zur Identifizierung von Tumormarkern sowie zur Untersuchung molekularer Veränderungen in Harnblasenzellen geht.
  Lange Zeit galt die Harnblase als inkompetent im Hinblick auf den 'Abbau' von Schadstoffen. Schadstoffbedingte Effekte in der Harnblase wie eine Harnblasenkarzinogenese wurden der Leber angelastet, die in den Körper gelangte Schadstoffe mit Hilfe von Cytochrom P450-Enzymen chemisch umwandelt. Bei diesem Prozess entstehen chemisch reaktive Intermediate mit Zell- und DNA-schädigendem Potenzial. Literaturdaten und eigene Untersuchungen belegen die eigenständige Kompetenz der Harnblase in Bezug auf den Fremdstoffmetabolismus und damit zur Fähigkeit, reaktive Zwischenprodukte selbst zu generieren. Hier liegt die Verknüpfungsstelle zur chemisch induzierten Harnblasenkarzinogenese, die wir unter verschiedenen Blickwinkeln näher untersuchen.
  Die Eigenschaften sowie Effekte von Chemikalien auf Harnblasenzellen untersuchen wir an humanen Zelllinien sowie an exfoliierten Urothelzellen, die mit dem Harn ausgeschieden werden. Folgende Fragestellungen werden bearbeitet:
  - Expression und Induzierbarkeit von Cytochrom P450-Enzymen in Urothelzelllinien sowie in exfoliierten Urothelzellen
  - Initiale Effekte von Karzinogenen auf die Expression von Cytochromen P450 in Urothelzellen
  - Mechanismen der synergistischen Wirkung von Karzinogenen auf das Cytochrom P450-System und den Ah-Rezeptorweg in Urothelzellen
  - Schnelle Effekte von Karzinogenen auf Komponenten der Zellzykluskontrolle und der zellulären Signaltransduktion
  - Polymorphismen von Genen mit Relevanz für das Harnblasenkarzinom
   
• Projektbereich 2 "Wirkung von Karzinogenen in Kombination mit Pflanzeninhaltsstoffen auf die Induktion von Cytochromen P450 und den Ah-Rezeptorweg in Dünndarmzellen"
  (Jeanette Niestroy, Peter Roos)
  Die Aktivierung von Rezeptoren durch endogene oder exogene Liganden, wie Gefahrstoffe, ist ein initialer Schritt für kaskadenartige Reaktionsfolgen, deren Effekte sich in veränderten Transkriptionsraten sowie veränderten Protein-Aktivitäten widerspiegeln. Die Signalwege und ihre Komponenten bieten vielfältige Angriffsmöglichkeiten für Fremdstoffe. Der Ah-Rezeptor (aryl hydrocarbon receptor) ist eine wichtige Schaltstelle im (Fremd)Stoffwechsel, da er im Verbund mit anderen regulatorischen Prozessen die Expression der Cytochrom P450-Enzyme CYP1A1 und CYP1B1 steuert. Letztere sind an der Verstoffwechselung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen beteiligt und haben Bedeutung als Expositions-Biomarker. Die Funktion und die Lokalisation des Ah-Rezeptors in der Zelle ist vom Zusammenspiel mit weiteren Proteinkomponenten abhängig und kann durch Nahrungsbestandteile wie Pflanzeninhaltsstoffe beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang untersuchen wir den Einfluss von Flavonoiden auf die durch Benzo[a]pyren ausgelösten Effekte. Die Aufklärung des Zusammenspiels soll Einblick in die Wirkungsweise von Agonisten und Antagonisten des Ah-Rezeptorwegs gewähren.
   
• Projektbereich 3 "Quantifizierung von Proteinen und deren Modifikationen über 'Heteroatome' und Element-getaggte Antikörper mit Hilfe der Massenspektrometrie" -Kooperation mit dem Institute for Analytical Sciences (ISAS)
  (Ingeborg Bichbäumer, Angufor Numfor, Peter Roos)
  (ISAS: Ingo Feldmann, Larissa Wäntig, Norbert Jakubowski)
  Sensible Prozesse auf zellulärer Ebene sind die Zellteilung und die Zelldifferenzierung. An ihrer Regulation sind zahlreiche Proteine beteiligt, die ihre Funktion in untereinander vernetzten Signalwegen ausüben. Die Aktivitäten dieser Proteine werden minutiös reguliert und kontrolliert, damit es nicht zu fatalen Fehlabläufen der genannten vitalen Prozesse kommt. Sie sind aber auch anfällig für Einwirkungen von Schadstoffen. Die Gesamtaktivität einzelner Proteine kann in der Zelle über den Proteinspiegel, zum Beispiel durch erhöhte Transkription, gesteuert werden. Bedeutsam ist aber zudem die Regulation auf der Proteinebene, die über enzymatisch angebrachte Modifikationen der Proteine erfolgt. Zu diesen sogenannten post-translationalen Modifikationen gehören beispielsweise die Anheftung von Phosphatresten (Phosphorylierung) oder kleinere Proteine wie Ubiquitin oder SUMO. Diese Veränderungen haben Einfluss auf die Proteinfunktion und die Proteinspiegel. Ziel ist es daher, die komplexen Veränderungen im Proteom an einer Vielzahl von Proteinen quantifizieren zu können, d. h. Proteine simultan mit ihren verschiedenen Modifikationen zu erfassen (funktionelles Proteom). Die Entwicklung der Methoden und ihre Erprobung erfolgt an Hand von Fragestellungen, die die Harnblasenkarzinogenese sowie die Identifizierung von Harnblasentumormarkern betreffen.
   
• Projektbereich 4 "Schadstoffeffekte in Einzelzellen" - Kooperation mit dem ISAS
  (Ingeborg Bichbäumer, Peter Roos, NN)
  (ISAS: Ingo Feldmann, Joachim Franzke, Larissa Wäntig, Norbert Jakubowski)
  Üblicherweise werden durch Schadstoffe bedingte molekulare Veränderungen, wie Effekte auf Expressionsprofile, in homogenisierten Zellen oder Geweben gemessen. Das Analysenergebnis stellt somit ein Integral von Parametern über die Gesamtheit der untersuchten Zellen in einer Probe dar. Es ist aber eine wichtige Frage, ob verschiedene Veränderungen in ein und derselben Zelle als einer diskreten funktionellen Einheit realisiert sind. Aus diesem Grunde untersuchen wir mit verschiedenen Ansätzen Karzinogen- und Karzinogenese-bedingte Effekte in Einzelzellen. Hierzu haben wir bisher Microfluidik-Zellen genutzt. In einem neuen Ansatz wollen wir zusätzlich FACS (fluorescence assisted cell sorter) und ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) einsetzen.
   
• Foschungsinitiative "Schadstoffwirkungen am Urothel" ("UroTox")
  (Meinolf Blaszkewicz, Gisela Degen, Wolfram Föllmann, Klaus Golka, Jan Hengstler, Peter Roos)
  Die Forschungsinitiative "UroTox" vernetzt experimentelle Forschung zu Chemikalienwirkungen auf Harnblase und Niere (PG Chemikalienrisiken; PG Molekulare Toxikologie) mit arbeitsmedizinischen Studien zu Risikofaktoren für Tumoren des Harntraktes (PG Systemtoxikologie; ZE Klinische Arbeitsmedizin) und Arbeiten der ZE Analytische Chemie.

Experimentelle Möglichkeiten

• Microarray-Scanner und Hybridisierungsgerät
• Lightcycler für Echtzeit-PCR sowie konventionelle Thermocycler
• FACS (fluorescence assisted cell sorter)
• HPLC-Apparatur
• FPLC und Niederdruck-Flüssigkeitschromatographie
• Elektrophorese- und Blotapparaturen
• UV/VIS- sowie Fluoreszenz-Spektrofotometer
• Phosphoimager
• Sterilbänke und Brutschränke für Zellkulturarbeiten
• Durchlicht- und Fluoreszenzmikroskop

Aktuelle Drittmittel

• Dissertationsprojekt "Effekt von Flavonoiden auf den Ah-Rezeptorweg in Dünndarmzellen". Graduiertenkolleg 1427 'Food constituents as triggers of nuclear receptor-mediated intestinal signaling' an der Universität Düsseldorf; DFG, 2007-2009
• Deutsch-Indische Kooperation "Pestizid-induzierte Veränderungen von Expressionsprofilen im Gehirn und in Blutlymphozyten als Expositions- und Effektbiomarker". Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), 2008-2010
• Großgeräteanschaffung: Fluorescence Assisted Cell Sorter (FACS), BD Influx Cell Sorter. Ministerium für Innovation, Wissenschaft, Forschung und Technologie des Landes Nordrhein-Westfalen, 2009

Kooperationspartner/Vernetzung

• Eine intensive Kooperation besteht hinsichtlich der Entwicklung neuer Analysenverfahren für Harnblasenkarzinom-Marker und Harnblasenkarzinogenese mit dem Institute for Analytical Sciences (ISAS), Dortmund. Mit der Arbeitsgruppe von Dr. Jakubowski entwickeln wir neue Methoden zur quantitativen Analyse von Proteinen und ihren posttranslationalen Modifikationen auf der Basis massenspektrometrischer Methoden. Um multiple molekulare Veränderungen in Einzelzellen zu analysieren, nutzen wir Microfluidik-Systeme in Zusammenarbeit mit Dr. Franzke vom ISAS.
• Substanzspezifische Effekte auf das Cytochrome P450-System und auf Zellzyklus-Kontrollmechanismen sind das Thema einer Kooperation mit dem Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene, Universitätsklinikum Freiburg (Prof. Dr. Mersch-Sundermann).
• Wechselwirkungen von Neurotoxinen mit Cytochromen P450 untersuchen wir in Zusammenarbeit mit dem Institut für Organische Chemie, Universität Würzburg (Prof. Dr. Bringmann).
• Zudem bestehen Zusammenarbeiten mit dem Institut für Pathologie, Universitätsklinikum Essen (PD Dr. Theegarten) hinsichtlich immunhistochemischer Untersuchungen von Gewebeschnitten (Harnblase, Niere) sowie mit dem Institut für Toxikologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf innerhalb des DFG-Graduiertenkollegs (Prof. Dr. Kahl, Prof. Dr. Abel).
• Eine internationale Kooperation zum Thema Pestizidwirkung besteht mit dem Industrial Toxicology Research Centre, Lucknow, Indien (Dr. Parmar).

Publikationen (aktuelle Auswahl)

• Roos PH, Golka K, Hengstler JG (2008). Predictive biomarkers and signatures in urinary bladder cancer. Curr Opin Mol Ther 10, 243-250.
• Roos PH, Venkatachalam A, Manz A, Wäntig L, Koehler CU, Jakubowski N (2008). Detection of electrophoretically separated cytochromes P450 by element labelled monoclonal antibodies via laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Anal Bioanal Chem 392, 1135–1147.
• Köhler CU, Roos PH (2008). Focus on the Intermediate State: Immature mRNA of Cytochromes P450 - Methods and Insights. Anal Bioanal Chem 392, 1109-1122.
• Jakubowski N, Messerschmidt J, Garijo Anorbe M, Wäntig L, Hayen H, Roos PH (2008). Labelling of proteins by use of iodination and detection by ICP-MS. J Anal At Spectrom 23, 1487-1496.
• Dörrenhaus A, Müller T, Roos PH (2007). Increased CYP1A1 expression in human exfoliated urothelial cells of cigarette smokers compared to non-smokers. Arch Toxicol 81, 19-25.
• Roos PH, Belik R, Föllmann W, Degen GH, Knopf HJ, Bolt HM, Golka K (2006). Expression of cytochrome P450 enzymes CYP1A1, CYP1B1, CYP2E1, and CYP4B1 in non-invasively obtained transitional cells of the human urinary tract. Arch Toxicol 80, 45–52.
• Roos PH, Bolt HM (2005). Cytochrome P450 interactions in human cancers: new aspects considering CYP1B1. Expert Opinion Drug Metab Toxicol 1, 187–202.
• Roos PH, Tschirbs S, Hack A, Welge P, Wilhelm M (2004). Different mechanisms of mammalian species to handle ingested polycyclic aromatic hydrocarbons: Organ-specific response patterns of CYP1A1-induction upon oral intake of PAH-contaminated soils in mipigs and rats. Xenobiotica 34, 781–795.
• Lemm F, Wilhelm M, Roos PH (2004). Occupational exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons suppresses constitutive expression of CYP1B1 on the transcript level in human leukocytes. Int J Hyg Environ Health 207, 325–335.

• Projektpublikationen

Folgende Co-Produktion zwischen der Projektgruppe "Molekulare Toxikologie" und seinem Leibniz-Schwesterninstitut ISAS (Instiute for Analytical Sciences, Sektion "Mathematik und Naturwissenschaften" ist gelungen… (mehr...)

Ausserdem sind gleich zwei gemeinsame Veröffentlichungen im Journal of Analytical Atomic Spectrometry in die Top Ten-Liste gerückt... (mehr...)