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Identifizierung von Biomarkern für die toxikologische Risikobewertung von Chemikalien und Nanomaterialien und deren Gemischen anhand von 'omics' Untersuchungen: Beeinflussung toxikologisch relevanter Signalwege

Projekt


Förderkennzeichen: BfR-CPS-08-1322-642
Laufzeit: 01.01.2016 - 31.12.2018
Forschungszweck: Grundlagenforschung

Die klassische Risikobewertung fokussiert sich bei ihren Untersuchungen auf die Auswirkung einer Substanz auf unterschiedliche Signalwege. Im Alltag werden Verbraucher jedoch gegenüber einer Vielzahl von Stoffen in niedrigen Dosen exponiert. Daher ist die Betrachtung der Auswirkungen von Gemischen toxischer Substanzen im „low dose“ Bereich auf verschiedene Stoffwechselwege, im Gegensatz zur gängigeren Betrachtung von Einzelsubstanzen auf einzelne Signalwege von hoher Relevanz für eine belastbare Risikoabschätzung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Untersuchung und Aufklärung des Auftretens möglicher interaktiver Effekte von Stoffgemischen, die sich additiv, synergistisch oder auch antagonistisch äußern können. Die als Antwort auf das Einwirken toxischer Substanzen auf den intakten Organismus beeinflussten Stoffwechselwege werden in dieser Arbeit durch die Anwendung von Methoden aus dem Bereich der „omics“ Technologien, vor allem „Metabolomics“, „Proteomics“ und „Lipidomics“, untersucht. Ein Großteil der Analysen soll durch massenspektrometrische Verfahren erfolgen. Mit dieser Technik soll unter anderem die Gesamtheit der zu einem Zeitpunkt in einer Zelle vorliegenden natürlichen Stoffwechsel-produkte bzw. Proteine erfasst werden. Mit Hilfe dieser Daten können dann Veränderungen spezifischer Stoffwechselwege, die durch das Einwirken von Chemikalien oder Nano-partikeln verursacht werden, charakterisiert und quantifiziert werden. Die auf diesem Wege produzierten Datensätze werden anschließend unter Anwendung multivariater statistischer Verfahren aus den Bereichen der Systembiologie und des Maschinenlernens ausgewertet. Hierdurch kann der Einfluss auf bestimmte Stoffwechselwege mit Hilfe von biologischen Markern identifiziert und anschließend durch weitere biochemische Methoden, wie beispielsweise die Expressionsanalyse relevanter Enzyme oder den Einsatz von Inhibitoren verifiziert werden. Als Modellsysteme dienen hierbei vor allem verschiedene Zelllinien (z.B. A549, HaCaT), um insbesondere den Vorgängen nach Inhalation und dermaler Aufnahme nachzugehen. Neben etablierten Zellsystemen sollen Stammzellen zu Lungenepithelzellen ausdifferenziert werden, um eventuelle Einflüsse der Substanzen auf den Differenzierungsprozess nachweisen zu können. Einen zentralen Punkt stellt hierbei die Untersuchung der Konzentrationsabhängigkeit der Effekte dar. Hierdurch kann die Menge an Chemikalien quantifiziert werden, die von einem exponierten Organismus bis zum Eintritt der toxikologischen Wirkung toleriert wird. In diesem Zusammenhang wird ebenfalls eine mögliche Reversibilität der toxikologischen Effekte durch Variation der Expositionsdauer untersucht, um somit Aussagen über zeit- und gleichzeitig dosisabhängige Expositions-szenarien treffen zu können. Neben der Ermittlung von Biomarkern für die Effekte toxischer Substanzen, liegt besonderes Augenmerk auf der weitergehenden Erforschung bisher noch nicht vollständig aufgeklärter Signaltransduktionswege, sowie die Korrelation von Biomarkern mit einzelnen toxikologisch relevanten Signalwegen, um das mechanistische Verständnis der Wirkung von Chemikalien und Nanopartikeln auf den Organismus zu erweitern. Zusätzlich sollen Verfahren der bildgebenden Massenspektrometrie Aufschluss über die Verteilung von Umweltchemikalien in Zellkulturansätzen und im Zellinnern, sowie über eine potentielle Beeinflussung von Zellorganellen geben. In bereits am BfR durchgeführten Untersuchungen (Jungnickel et al., 2014) konnte eine synergistische Wirkung von Cadmium mit Benzo[a]pyren im „ low dose“ Bereich beobachtet werden. Weiterhin konnte für Benzo[a]pyren im „low dose“ Bereich in einem integrativen „omics“ Ansatz bereits die Aktivierung einer Vielzahl von Biosynthese- und Signal-transduktionswegen nachgewiesen werden (Kalkhoff et al., 2015). In dieser Arbeit soll nun ein integrierter „omics“ Ansatz eine Beteiligung spezifischer Biosynthese- und Signal-transduktionswege an möglichen additiven oder synergistischen Wirkungsweisen in Co-Expositionsszenarien untersuchen. Zusätzlich sollen unterschiedliche Co-Expositionsszenarien hinsichtlich eines möglichen Crosstalks zwischen AHR und ER Rezeptor untersucht werden. Hierzu sollen der am BfR entwickelte T47D-XEER Assay verwendet werden, der eine Aktivierung des ER Rezeptors mittels Fluoreszenz nachweisen kann. Daneben sollen Biomarker des Metaboloms, des Lipidoms, und des Proteoms für die Aktivierung von ER und AHR identifiziert und gleichzeitig der Crosstalk zwischen beiden Rezeptoren ermittelt werden. Für Co-Expositionsszenarien existieren bisher keine umfassenden „omics“ Daten zur Beeinflussung von zellulären Signalwegen nach „low dose“ Exposition. Es ist deshalb auch nichts bekannt darüber, ob solche möglichen Effekte nur von kurzer Dauer, also reversibel sind, oder permanent. Ziel des Projektes ist es, das Risiko für den Verbraucher durch die Exposition gegenüber Chemikalien und Nanomaterialien besser beurteilen zu können. Hierzu sollen behandelte und unbehandelte Zellen in Bezug auf Metabolom und Lipidom verglichen und etwaige Unterschiede in verschiedenen Biosynthesewegen (Glykolyse, Fettsäurestoffwechsel, Citratzyklus) aufgezeigt werden. Es soll untersucht werden, ob Biomarker ermittelt werden können, anhand derer sich Aussagen über den Einfluss verschiedener Co-Expositionsszenarien auf den Stoffwechsel von Zellkulturen treffen lassen und ob diese Unterschiede permanent oder transient sind.

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