Taschenatlas Toxikologie

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1 Taschenatlas Toxikologie Bearbeitet von Franz-Xaver Reichl, Jochen Benecke, Monika Benecke, Herbert Desel, Jürgen Durner 3., aktualisierte Auflage 009. Taschenbuch. 376 S. Paperback ISBN Format (B x L):,7 x 9 cm Weitere Fachgebiete > Medizin > Sonstige Medizinische Fachgebiete > Pharmakologie, Toxikologie Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 4 Moderne Testverfahren Grundlagen Eine Erweiterung der Techniken in der Toxikologie stellt die Einführung der neuen molekularbiologischen Methoden, sog. Omics - Techniken, wie (Toxico)Genomics, Proteomics und Metabolomics dar (A). Mit diesen Methoden können Veränderungen der Gesamtheit wichtiger Molekülklassen, wie DNA/RNA, Protein und Intermediärstoffwechselprodukte gleichzeitig erfasst werden. Diese Veränderungen der komplexen Aktivitätsmuster, sog. Fingerprints, werden nach Einwirkung von z. B. Fremdstoffen (Xenobiotika) bestimmt. So können u. a. Wirkungsmechanismen eruiert werden. Sehr komplexe Wirkungsmuster werden in Datenbanken zusammengefasst und ausgewertet. Das National Institute of Health NIH der USA hat bereits ein National Center for Toxicogenomics NCT ( nct) etabliert. (Toxico)Genomics Mittels dieser Methode werden Änderungen der Genexpressionsmuster auf Ebene der mrna erfasst, die durch Xenobiotika, Stressoren oder krankhafte Funktionszustände, denen ein Organismus ausgesetzt ist, hervorgerufen werden. Die Analyse dieser Genexpressionsaktivität wird mit der Microarray (= Micro-Chip)-Technik durchgeführt, bei der DNA-Sequenzen (cdna oder Oligonukleotide) definierter Gene auf einem festen Trägermaterial (Glas, Silizium, Nylon) fixiert sind (DNA-Chip). Messenger-RNA (mrna) wird aus organischen Geweben oder Zellen isoliert. Diese stammt von den aktiven Genen und wird nach Markierung der RNA mit aktiven Molekülen für die spätere Identifizierung mit dem DNA-Chip inkubiert. Die Analyse der Hybridisierungsmuster der an den DNA-Chip gebundenen RNA, die in cdna überschrieben wurde, im Vergleich zu RNA-Proben von nicht exponierten Proben, ermöglicht Rückschlüsse auf Änderungen der Aktivität spezifischer Gene nach Exposition, z. B. mit toxischen Stoffen (B). Ein DNA-Chip kann die Sequenzen von mehreren 0000 Genen oder Genteilen enthalten. Zur Auswertung gehört auch der Vergleich der Ergebnisse mit den Informationen aus Datenbanken (Bioinformatik). DNA- Chips können auch Gene aus menschlichen Organen (z. B. Leber, Niere, Haut) oder Gene der Phase I und II enthalten. Viele toxikologische Wirkungsmechanismen von Fremdstoffen, die zur Veränderung bestimmter Genaktivitäten führen (z. B. Enzyme oder Rezeptor- Proteine) wurden inzwischen mit dieser Chip-Technologie bestätigt. Eine Studie mit DNA-Chips, in der die Wirkung von 5 bekannten lebertoxischen Stoffen in Rattenhepatozyten geprüft wurde, zeigte, dass ähnliche Genaktivitätsmuster bei Stoffen mit ähnlichen Wirkungsmechanismen auftreten. Allerdings ist festzuhalten, dass Veränderungen in der Genaktivität nicht unbedingt eine gleichartige Veränderung in Synthese oder Abbau von Proteinen bedeuten. Für die Aufklärung molekularer toxischer Wirkungen liefern deshalb auch Untersuchungen des Proteinstoffwechsels (Proteomics) notwendig wichtige Informationen. Proteomics Darunter versteht man die Analyse von Veränderungen im Proteinmuster nach Exposition mit Fremdstoffen oder Stressoren. Die Proteomanalyse dient der Identifizierung und Charakterisierung aller Proteine im Organismus. Es gibt sehr viel mehr Proteine als Gene im Organismus. Ursache ist u. a. das Auftreten verschiedener Protein-Isoformen, die in verschiedenen Zellen in anderer Zusammensetzung vorhanden sein können, und die sogar abhängig vom Differenzierungs- und Alterungsstadium der Zellen sind. Die Proteomanalyse ist deshalb nicht auf das gesamte Proteom eines Organismus ausgerichtet, sondern nur auf die Gesamtheit der vorhandenen Proteine eines bestimmten Zelltyps/Gewebes zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Proteomanalyse wird üblicherweise mit der D-Gelelektrophorese durchgeführt. Über automatisierte Bildanalyse-Software und Auswertung (Bioinformatik) ist eine Identifizierung von bis zu 0000 Proteinspots möglich.

3 Moderne Testverfahren 5 Omics - Techniken (Toxico)Genomics Proteomics Metabolomics Transkriptomics Transkription (Gen-Expression) DNA mrna Protein Metaboliten A. Die Omics - Methoden Exposition mit Fremdstoff Translation transkriptionelle Regulation enzymatische Funktion Stabilität, Modifikation Tier/Zellen/Gewebe RNA-Isolierung + Inkubation mit RNA-Markierungsstoff ( ) (Fluoreszenzfarbstoff) markierte RNA-Sequenzen Exposition ohne Fremdstoff (kontrolle) RNA-Isolierung + Inkubation mit RNA-Markierungsstoff ( ) (Fluoreszenzfarbstoff) Inkubation mit RNA aus mit Fremdstoff Vergleich der Ergebnisse mit der Information aus Datenbanken DNA-Chip DNA chip B. Microarray-Technik mit DNA-Chip Hybridisierungsmuster des DNA/ RNA-Chip aus Inkubation mit RNA aus nicht mit Fremdstoff exponierten Zellen Hybridisierungsmuster des DNA/ RNA-Chip aus nicht Fingerprints hoch mittel unauffällig Bildanalyse (Bioinformatik) toxisches Wirkmuster

4 6 Moderne Testverfahren Proteomics (Fortsetzung) Bei der Protein-Chip-Technologie werden einzelne Proteine aus komplexen Gemischen mit Hilfe aktiver Moleküle auf Trägern gebunden und anschließend massenspektrometrisch identifiziert. Hier wird nur ein kleiner Teil der Proteine spezifisch an die Chip- Proteine gebunden, die mit bindungsaktiven Peptiden beladen sind oder mit reaktiven Molekülen, die spezifisch mit Proteinen reagieren, wie z. B. Antikörper. Toxikologisch interessante Proteine können mit der Green- Fluorescent-Protein (GFP)-Technik in Zellen/ Geweben lokalisiert werden. Bei Versuchstieren konnten nach Exposition mit lebertoxischen Stoffen in der Leber (bisher unbekannte) Proteine identifiziert werden, die auch nach Exposition bei Leberzellkulturen gebildet wurden. Bei der Entwicklung neuer Arzneimittel kann damit wertvolle Zeit bei der Aufdeckung von Wirkungsmechanismen gewonnen werden (Arzneimitteltoxikologie). Metabolomics Unter diesem Begriff werden Methoden verstanden, mit denen Veränderungen im gesamten Zellstoffwechsel nach Exposition mit Fremdstoffen oder Stressoren erfasst werden. Sie betreffen deshalb alle Intermediärstoffwechselprodukte und Biomoleküle (nicht aber Nukleinsäuren und Proteine) wie Lipide, Kohlenhydrate etc. Zur Quantifizierung der Substanzen werden MRT und massenspektroskopische Verfahren eingesetzt. Weitere Methoden Transgene Tier- und Zellmodelle Bei der Knock-out -Methode wird gezielt während der Embryogenese ein spezifisches Gen ausgeschaltet und dann die Veränderung im Organismus beobachtet. Es können positive und negative Effekte auftreten. Wird bei Mäusen z. B. das Gen zur Bildung eines Wachstumsfaktors ausgeschaltet, fehlen den Mäusen zwar nur einige Barthaare und sie bleiben kleiner, aber sie sind dennoch nicht lebensfähig (A). In der Arzneimittelforschung werden aber auch mit Erfolg transgene Mausmodelle eingesetzt, die z. B. mit spezifischen Enzymen ausgestattet sind, die für die Blutdruckregulation wichtig sind. Transgene Tiermodelle zur Prüfung chemischer Stoffe auf kanzerogene Wirkung gestalten sich (noch) schwierig, weil jedes transgene Modell nur die toxischen Effekte an einem spezifischen, für die chemische Kanzerogenese wichtigen Gen erfasst. Mit der vielversprechenden Methode der RNA-Interferenz gelingt es hingegen die Genexpression einzelner Gene zu hemmen. Bei dieser Genregulation ist immer RNA als zielerkennendes Molekül beteiligt. Nach neuesten Erkenntnissen kann die RNA-Interferenz auf unterschiedlichen Ebenen eintreten: auf Chromatin-Ebene, post-transkriptionell oder translationell. Klonen oder Klonieren (vom griechischen Zweig, Schößling) bezeichnet einen biologischen Prozess zur Erzeugung von gleichen Kopien einer DNS, einer Zelle oder eines Organismus. Dabei entsteht aber keinesfalls z. B. immer ein identischer Organismus mit gleichen Eigenschaften. So hatten geklonte Katzen sogar verschiedene Fellfarben (B) oder das Schaf Dolly (C) zeigte eine kürzere Lebenserwartung. Adulte und embryonale Stammzellen In Embryonen und erwachsenen Geweben gibt es undifferenzierte Stammzellen, die sich in sowohl in vivo als auch in vitro in organspezifische Gewebe entwickeln können. Der experimentelle und therapeutische Einsatz humaner embryonaler Stammzellen ist weltweit nicht einheitlich akzeptiert. Embryotoxische Eigenschaften eines Stoffes lassen sich mit dem Embryonalen-Stammzellen-Test (Fluorescent Embryonic Stem Cell Test; FEST) ermitteln (D, E). Der Test hat eine sehr hohe Genauigkeit, ist als Screening - Methode geeignet, und die Versuchsdauer liegt unter 4 Tagen. Hier werden z. B. gewebespezifische Reportergene in embryonale Maus-Stammzellen transformiert, die später über sog. Embryoid Bodies nach Inkubation mit Testsubstanzen nur in (nicht in anderen Zellen) detektiert werden können. Die Messung der Reportergenkonstrukte nach Exposition mit Fremdstoff im Vergleich zur Kontroll-Exposition liefert, z. B. über einen Fluoreszenzreader, die Stärke der embryotoxischen Eigenschaften eines Stoffes.

5 Moderne Testverfahren 7 Dolly und ihr erstgeborenes Lamm Bonnie große Maus mit aktivem Gen zur Bildung eines Wachstumsfaktors kleine Maus mit ausgeschaltetem Gen zur Bildung eines Wachstumsfaktors geklonte Katzen mit identischem Erbmaterial, aber unterschiedlichen Fellfarben (links) Am wurde das geklonte Schaf Dolly in Edinburgh/Schottland geboren. Es wurde nach der Country-Sängerin Dolly Parton benannt. Es lebte nur 6,5 Jahre. (Die normale Lebensspanne eines Schafes beträgt 7 Jahre.) A. Transgene Maus ( Knock-out -Maus) B. Geklonte Katzen C. Geklontes Schaf gewebespezifische Reportergene z.b. nur in Inkubation Kontrollen Blastozyte mit Zellmasse im Inneren embryonale Stammzellen embryoid bodies ( Tage) Testsubstanzen D. Fluoreszenz embryonaler Stammzellen-Test (FEST) Zeit (d) stark schwach unauffällig Teratogenität Aggregate embryonaler Stammzellen innere Zellmasse Endoderm undifferenzierte Zelle und Ektoderm Fluoreszenzreader 3d 6d Messung der Reportergenkonstrukte nur in z.b. nach 4 Tage Neurogenese Mesoderm mm 7 4d E. Entwicklung von embryoid bodies