Chemische Kanzerogene – Initiatoren (eine kleine

Autor: Michael Freissmuth
Chemische Carcinogenese (=Kanzerogenese)
Krebserkrankungen sind nach den Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems in Industrieländern die zweithäufigste Todesursache. In der öffentlichen Wahrnehmung sind sie aber mehr
gefürchtet (wobei die Gründe nicht immer rational nachzuvollziehen sind). Dementsprechend
besteht ein großes Interesse an "krebserregenden" Substanzen; die Risikoeinschätzung deckt
sich oft nicht mit der tatsächlichen Datenlage und wird oft auch durch eine mediale und politische Instrumentierung erschwert. Die Irrationalität der Diskussion lässt sich daran ermessen,
dass Tabakrauch als Quelle von Kanzerogenen hingenommen wird, die Angst vor minimalen
Mengen von Rückständen in der Nahrung aber periodisch geschürt wird.
Vereinfacht kann für die Krebsentstehung zusammengefasst werden:
Ohne Mutation – kein Krebs.
(Mutation = jede Änderung der DNA-Sequenz; Punktmutation, Insertion, Deletion, Genamplifikation, Chromosomenaberrationen, ...)
Aber:
(i) Nicht jede Mutation führt zu Krebs
(ii) Nicht jede krebserregende Substanz muss Mutationen auslösen.
Punkt (ii) scheint paradox:
Unterscheidung – Initiation/Promotion
Ein instruktives Beispiel liefert der frühe (mehr als 60 Jahre alte) Versuch, bei dem die
Mäusehaut mit Teerstoffen (Dimethylbenzanthracen) und Crotonöl (=aus den Samen eines
Wolfmilchsgewächses; enthalten Phorbolester, die viele Proteinkinase C-Isoformen
stimulieren) gepinselt wurde:
alleinige Administration der Stoffe:
(a) Wenn nur Dimethylbenzanthrazen aufgebracht wird, wird ein Tumor nur bei wiederholter
Applikation beobachtet.
(b) Die einmalige Applikation von Dimethylbenzanthrazen führt nicht zur Tumorentstehung.
(c) Die alleinige Administration von Phorbolestern führt nicht zur Tumorentstehung
gleichgültig, ob sie einmal oder wiederholt durchgeführt wird.
kombinierte Administration der Stoffe:
(d) Wenn zunächst einmal Dimethylbenzanthrazen und dann wiederholt Phorbolester
aufgetragen werden, tritt ein Tumor auf.
(e) Wenn die Reihenfolge umgedreht wird (also zuerst wiederholt Phorbolester und dann
einmal Dimethylbenzanthrazen), wird kein Tumor beobachtet.
(f) Ebenso wird kein Tumor beobachtet, wenn das Intervall zwischen den einzelnen
Phorbolestergaben zu groß ist.
Wie können wir diesen Versuch interpretieren?
Dimethylbenzanthrazen setzt den DNA-Schaden (=die Mutation) – es reicht alleine aus, um
Tumoren auszulösen (= es ist ein komplettes Kanzerogen). Offensichtlich ist aber existieren
Dosen, die unterschwellig sind, weil die Reparaturmechanismen (DNA-repair, immunologische Überwachung, ...) ausreichen, um Krebszellen zu beseitigen. Die Phorbolester sind alleine unwirksam, d.h. sie setzen keinen DNA-Schaden. Wenn Dimethylanthracen den initialen
DNA-Schaden setzen konnte (= als Initiator wirken konnte), wird die Tumorentstehung
durch Phorbolester gefördert (= sie wirken als Promotoren). In diesem konkreten Fall setzen
die Phorbolester einen Wachstumsstimulus, der die Vermehrung der mutierten Zellen und
damit die Expansion des Tumors (und die Akkumulation weiterer Mutationen) begünstigt.
Dieses klassische Initiations-Promotionsprotokoll lässt sich in vielen Varianten finden
(=chronische Wachstumsreiz begünstigt die Tumorentstehung). Es gibt zahlreiche Substanzen, die beim Menschen promovierende Eigenschaften haben, weil sie die Proliferation
von Zellen begünstigen, dazu gehören z.B. Östrogene und Xenoöstrogene (= synthetische
oder pflanzliche Fremdstoffe, die eine östrogene Wirkung haben).
Sehr viele Substanzen sind Xenoöstrogene, weil Östrogenrezeptor- (und bis zu einem gewissen Grad Östrogenrezeptor-) erstaunlich viele verschiedene Strukturen in der Bindungstasche tolerieren, u. a. das Herbizid Atrazin, einen Metaboliten des Insektizides DDT
oder Genistein (= ein Flavonoid aus der Sojabohne).
Andere Mechanismen der Promotion:
Es darf nicht übersehen werden, dass nicht alle Promotoren nur deshalb wirken, weil sie das
Wachstum stimulieren. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass Substanzen, die Apoptose (= den
programmierten Zelltod) unterdrücken bzw. die immunologische Überwachung unterdrücken,
auch promovierend wirken.
Eine Tumorpromotion ist auch zu erwarten, wenn Enzyme der Biotransformation induziert
werden. Tatsächlich sind viele Mutagene selbst ausgesprochen chemisch inert
(=reaktionsträge); d.h. sie können selbst nicht mit DNA-reagieren. Sie werden aber von
Enzymen der Zelle in reaktionsfreudige Intermediate umgesetzt; erst diese reagieren mit der
DNA - sie sind ultimale Kanzerogene. Die enzymatische Herstellung einer reaktionsfreudigen Substanz wird als Giftung (Biotoxifikation) bezeichnet. Bei der Giftung spielen die
Cytochrom-P-450-abhängigen Monooxygenasen die zentrale Rolle. Wenn daher im Rahmen
der Enyzminduktion mehr Enzyme der Biotransformation synthetisiert werden, können auch
vermehrt ultimale Kanzeorogene produziert werden.
Dioxin (=TCDD
= 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin) und analogen Verbindungen
(polychlorierte oder polybromierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane etc.) sind sehr potente
Tumorpromotoren, weil sie unter anderem als Enzyminduktoren wirken (s. unten).
NB.: Knudsen "two-hit" Hypothese: Knudsen postulierte, dass mindestens zwei Veränderungen notwendig sind,
um Tumorwachstum auszulösen. Eine onkogene Mutation alleine reicht nicht aus, um Zellen malign zu
transformieren. Tatsächlich müssen mehrere Veränderungen akkumulieren, bis ein bösartiger Tumor sich
klinisch manifestieren kann. Mutationen, die der Zelle einen Wachstumsvorteil verschaffen, erfahren eine
positive Selektion.
-Typischerweise finden sich aktivierende Mutationen in Genen, die das Wachstum stimulieren (z.B. in rasGenen). Hier reicht die Mutation eines Allels aus, weil die ständige Anwesenheit eines aktivierten Proteines
automatisch einen dominanten Effekt hat.
- Zusätzlich müssen noch Deletionen oder inaktivierende Mutation bei Tumorsuppressor-Genen auftreten.
Beispiele für häufig mutierte/deletierte Tumor-Suppressoren sind p53 (= der "Hüter des Genoms") und das
Retinoblastoma-protein pRb (= der "Hüter des Zellzyklus"). Hier muss es zum Verlust/Mutation beider Allele
kommen.
Aus den beiden "hits" resultiert ein dereguliertes Wachstum und eine Neigung weitere Mutationen zu
akkumulieren. Im Verlauf der malignen Transformation müssen die Zellen aber bei soliden Tumoren noch
zusätzliche Fähigkeiten erlangen:
(i) sie müssen Gefäßneubildung (=Angiogenese) auslösen; der Tumor kann nur dann eine gewisse Dicke (ca. 7
Zelllagen) überschreiten, wenn neue Gefäße einsprossen; daher müssen die Zellen angiogenetische Faktoren
(z.B. VEGF, vascular endothelial growth factor) bilden können, die das Aussprossen der Endothelzellen
stimulieren.
(ii) sie müssen invasiv wachsen. Dazu müssen epitheliale Tumorzellen z.B. die Basalmembran durchbrechen.
Das erfordert die Sekretion von proteolytischen Enzymen, wie Matrix-Metalloproteasen.
Diese Vorgänge werden als Progression bezeichnet (= Tumorprogression nicht mit Promotion der
Tumorentstehung verwechseln)
Chemische Kanzerogene – Initiatoren (eine kleine Liste):
Unterschiede in Giftung und Inaktivierungsmechanismen erklären zum Teil große Speziesunterschiede in Empfindlichkeit und Organtropismus (=Organe, in denen Tumoren auftreten)
1) Polyzklische aromatische Kohlenwasserstoffe:
entstehen bei der unvollständigen Verbrennung von organischem Material bzw. bei der
Erhitzung (Pyrolyse = erhitzende Zersetzung = z.B. Braten in Öl) von Fett, Aminosäuren und
Kohlehydraten – daher im Zigarettenrauch, Autoabgasen, geräucherten Nahrungsmittel,
genbratenem Essen, Russ ...
Vertreter: Benzo[a]pyren, Benzanthracen, Dimethylbenzanthracen, Methylcholanthren.... alle sind selbst chemisch extrem inert. Sie müssen durch Cytochrom-P-450-abhängigen
Monooxygenasen (CYP) zu den ultimalen Kanzerogenen umgesetzt werden, die mit Purinund Pyrimidinbasen reagieren (=Addukte bilden)
2) Aromatische Amine:
Grundstoffe in der Farbenindustrie (=chemische Industrie).
Klassisches Beispiel - -Naphytlamin = Blasenkrebs bei Anilinarbeitern (technisches Anilin
ist mit -Naphytlamin und anderen kanzerogenen aromatischen Aminen verunreinigt).
Ebenfalls erst durch oxydative Giftung zu ultimalen Kanzerogenen (Nitreniumion) umgesetzt.
[Heterozyklische aromatische Amine – im gebratenen Fleisch und Fisch]
3) Nitrosamine:
im Tabakrauch; in vielen (gepökelten) Nahrungsmitteln: Nitrit reagiert mit sekundären
Aminen zu Nitrosaminen – findet auch im Magen statt: Nitrat (aus Düngung) im
Brunnenwasser wird durch Bakterien zu Nitrit reduziert, diese reagiert im sauren pH gut mit
sekundären Nahrungsaminen.
CYP-abhängige Giftung zu ultimalen Kanzerogenen – Methylierung der DNA
[ähnliche Reaktionen auch durch Naturstoffe wie z.B. Cycasin]
4) Alkylierende Verbindungen:
Industrielle Zwischenprodukte für chemische Synthese (& Zytostatika, s. dort)
bedürfen (meistens) keiner Giftung, sondern reagieren direkt mit Basen in der DNA.
5) Metalle:
epidemiologisch beim Menschen gesichert für Nickel, Chrom, Arsen (Beryllium, Cadmium).
Effekt zum Teil über Metall-katalysierte Bildung freier Sauerstoffradikale  DNAStrangbruch.
Daneben noch:
Interferenz mit Signalkaskaden, die das Zellwachstum stimulieren (z.B. wird die
Deaktivierung der Mitogen-aktivierten Proteinkinase durch Chromat-Ionen und Arsenoxide
verhindert)
Partikeleffekt (s. unten)
6) Alkene (Olefine):
Beim Menschen Vinylchlorid gesichert
– CYP-vermittlet gegiftet zum Epoxid  DNA-Addukte Hämangiosarkome der Leber
7) Naturstoffe:
z.B. Aflatoxin (von Schimmelpilzen gebildet) gegiftet zum Epoxid  malignes Hepatom
Aristolochiasäure ("chinese herbal tea"-Katastrophe; früher auch in homöopathischen
Arzneien)  Urothelkarzinome im Nierenbecken
Safrol (Geschmacksstoff; in Spuren in vielen Gewürzen)
Partikeleffekte:
Mechanismus unklar
beim Menschen:
-Asbest (=faserförmige Calcium-Aluminium-Silikat)  bei Exposition Pleuramesotheliom
(Lungenfibrosen, -krebs); lange Latenz (bis 50 Jahre); entscheidend = Faserlänge (>5 µm)
/Durchmesser (3 µm).
-Holzstaub bei beruflicher Exposition: Krebs im Nasen-Rachenraum
bei Ratten: Saccharin (=Süßstoff) wurde in hohen Dosen über lange Zeit zum Nachweis der
Unbedenklichkeit; dieses kristallisierte aus chronische Reizung des Blasenpithels durch die
Kristalle führt zum Auftreten von Krebs.
subkutane Implantation von Kunststoffplättchen  Sarkome (Partikeleffekt, weil derselbe
Kunststoff in Pulverform keinen Effekt auslöst).
Risikoeinschätzung:
Aus medizinischer Sicht ist es wichtig, das tatsächliche Risiko für den Menschen zu abzuschätzen und für entsprechende Vorsichtsmaßnahmen (Minimierung der Exposition,
gesetzliches Verbot etc.) zu sorgen.
Wo liegen die Probleme bei der Risikoeinschätzung?
A) Theoretisch betrachtet hat ein komplettes Kanzerogen keinen Schwellenwert (= jede
Mutation kann potentiell zur Krebsentstehung führen). Es ist aber offensichtlich, dass es
unterschwellige Dosen und modifizierende Faktoren gibt.
z.B.:
(i) Die einmalige Pinselung mit Dimethylbenzanthracen löste keinen Tumor aus ( s. Versuchsbeschreibung oben).
(ii) Die meisten von uns haben bereits einen Sonnenbrand gehabt; der Umstand, dass ein massiver DNA-Schaden durch das UV-Licht gesetzt worden ist, lässt sich daran erkennen, dass
sich die Haut innerhalb kurzer Zeit geschält hat (= p53-induzierte Apoptose, derjenigen
Zellen, in denen der DNA-Schaden nicht repariert werden konnte). Die meisten von uns
werden nicht an einem Hautkrebs erkranken.
(iii) Zahlreiche Nahrungsmittel (Gemüse, Obst) enthalten Naturstoffe, die kanzerogen (=weil
mutagen im Ames-Test positiv – s. unten) wirken sollten; wir wissen aber aus epidemiologischen Untersuchungen, dass der Konsum von Obst und Gemüse eher einer Krebsentstehung
entgegenwirkt.
B) Es ist schwierig, die unterschwelligen Dosen festzulegen.
Im Gegensatz zur propagierten Meinung lässt sich die kanzerogene Wirkung einer Substanz
noch am ehesten im Tierversuch beurteilen (und nicht durch alleinige Betrachtung von Daten
aus Zellkultur etc.). In diesem Zusammenhang müssen aber vor allem folgende Einschränkungen berücksichtigt werden:
(i) Metabolismus/Giftung: wie wiederholt betont, sind viele Kazerogene selbst chemisch relativ inert; das ultimale Kanzerogen entsteht erst (durch enzymatische Giftung) im Organismus.
Die ausgewählten Versuchstiere müssen daher die fragliche Substanz ähnlich metabolisieren
wie der Mensch. Das ist in vielen Fällen nicht klar.
(ii) die Versuchstiere müssen über mehrere Monate mit relativ hohen Dosen behandelt werden
(bis zur MTD, maximum tolerated dose = diejenige Dosis, die die Versuchstiere ohne
offensichtliche Vergiftungszeichen vertragen). Es ist sonst aus statistischen Gründen gar nicht
möglich, die Inzidenz von Tumoren zu beurteilen: auch Versuchstiere erkranken spontan an
Krebs (und gutartigen Tumoren). Diese Spontanerkrankungen bilden den Hintergrund, über
den Effekt der Prüfsubstanz herausragen muss. Wenn nicht unsinnig viele Versuchstieren
verwendet werden sollen, müssen daher große Substanzmengen verwendet werden.
Das Problem im Hinblick auf die Sicherheit beim Menschen liegt in der Extrapolation in den
niedrigen Bereich: Traditionell geht man davon aus, dass komplette Kanzerogene Summationsgifte sind; jede gesetzte Mutation hat - theoretisch - dasselbe Risiko eine Tumor
auszulösen.
Daher kann man linear extrapolieren = bei hoher Dosierung (10 mg/kg/d) haben z.B. 10% der
Versuchstier einen Tumor. Typsicherweise werden Sicherheitsbereiche so gewählt, dass man
das Risiko für den Menschen auf 1 in einer Million (zusätzliche Krebsinzidenz) limitiert.
Wenn man also in diesem Rechenbeispiel beim Menschen das Risiko auf 1 in einer Million
limitieren wollte, ergäbe sich bei linearer Extrapolation eine tolerierbare Menge von 0.1
µg/kg/d.
Tatsächliche könnte die Dosis-Wirkungsbeziehung aber anders aussehen:
Bei hoher Dosierung tritt bereits ein gewisser Sättigungseffekt auf, so dass bei niedriger Dosierung das Risiko höher liegt.
oder:
Bei niedriger Dosierung tritt überhaupt kein Effekt auf, weil die Substanz unterhalb eines
Schwellenwertes kein kanzerogenes Potential hat.
(iii) Wenn nur hohe Dosen (MTD) verwendet werden, können Mechanismen der Toxizität zur
Tumorentstehung in Gang gesetzt werden, die bei niedrigen Dosen überhaupt nicht auftreten
(z.B. wiederholter Zelluntergang mit Reparation durch Proliferation). Dies führt zur Fehleinschätzung des Krebsrisikos (z.B. bei Ratten löste die chronische Gabe sehr hoher Dosen
des Süßstoffes Saccharin Blasentumoren aus; auf Grund der großen Menge von Saccharin im
Harn fielen die Saccharinkristalle in der Blase aus, lösten eine chronischen Reiz, der das
Auftreten von Blasentumoren begünstigte).
Ob eine Substanz beim Menschen kanzerogen wirken kann, lässt sich meist erst aus der Abwägung aller Daten (in vitro-Experimente, Tierexperimente) beurteilen; der tatsächliche
Nachweis einer krebsauslösenden Wirkung beruht aber auf epidemiologischen Untersuchungen. Diese sind sehr wichtig, weil sie Risken erfassen, die oft nicht geprüft würden (z.B.
die kanzerogene Wirkung von Metallen). Naturgemäß sind dann aber bereits Menschen an
Krebs erkrankt (und gestorben).
Bei der Beurteilung neuer chemischer Substanzen (insbesondere – aus medizinischer Sicht –
bei der Beurteilung von Arzneimitteln) ist daher ein robuster Schnelltest wichtig, mit dem das
mutagene Potential der Substanz geprüft werden kann – heute wird u.a. der Ames-Test
(benannt nach Bruce Ames) dazu verwendet.
Prinzip der Mutagenitätsprüfung mit dem Ames-Test:
Es wird ein Stamm von Salmonella typhi murium verwendet, der auf Grund einer Mutation
nicht in der Lage ist, in Abwesenheit der Aminosäure Histidin zu wachsen.
Man inkubiert die Bakterien in Abwesenheit und Gegenwart der Testsubstanz und streicht sie
dann auf Agarplatten aus:
Agarplatte 1 enthält Histidin:
Bakterien ohne Testsubstanz  Positivkontrolle 1 – Bakterienkolonien zählen = alle
wachsen
Agarplatte 2 enthält Histidin:
Bakterien + Testsubstanz  Positivkontrolle 2 – Bakterien zählen Vergleich mit Agarplatte 1
– erwarten gleich viel Kolonien (wenn nicht  Testsubstanz hemmt Bakterienwachstum –
verfälscht Ergebnis)
Agarplatte 3 enthält kein Histidin:
Bakterien ohne Testsubstanz  Negativkontrolle – es dürfen keine oder nur vereinzelt
Bakterienkolonien sichtbar sein (die vereinzelt stehenden Kolonien sind Spontanrevertanten).
Agarplatte 4 enthält kein Histidin:
Bakterien + Testsubstanz  Testplatte – Bakterienkolonien zählen - Vergleich mit Agarplatte
3. Ames-Test ist positiv, wenn mehr Kolonien zu sehen sind  Substanz = mutagen/genotoxisch.
Das Prinzip des Tests beruht darauf, dass in der Bakteriensuspension Milliarden Keime
schwimmen – daher kann sind ausreichend viele Bakterien vorhanden, dass jede Base im
gesamten Genom dieses Stammes von Salmonella typhi murium statistisch betrachtet
mehrmals mutiert werden kann. Die Mutation im His-Operon (=die bakterielle Histidinsynthese kontrollierende Gene) führt zur Reversion – die Bakterien können in Abwesenheit
von Histidin wachsen.
Der Test lässt sich modifizieren, indem die Testsubstanz und die Bakterien in Gegenwart
eines Homogenates von Leberzellen inkubiert wird, um auch die enzymatische Giftung zum
ultimalen Kanzerogen zu ermöglichen.