Florian Lang

• Die Permeabilität von Substanzen über Biomembranen erfolgt auf Basis ihrer Größe und Lipophilie, wird jedoch auch zu einem großen Anteil vom aktiven Transport bestimmt. Speziell im menschlichen Verdauungstrakt ist dieser Transportmechanismus neben seinen essentiellen physiologischen Aufgaben, wie den Transport von Nährstoffen, an einer Resistenz gegen exogene Stoffe und Xenobiotika beteiligt, der die Aufnahme in den Organismus über einen Rücktransport in das Darmlumen limitiert. Dabei hat die membranständige Effluxpumpe p-Glykoprotein (p-GP)Die Permeabilität von Substanzen über Biomembranen erfolgt auf Basis ihrer Größe und Lipophilie, wird jedoch auch zu einem großen Anteil vom aktiven Transport bestimmt. Speziell im menschlichen Verdauungstrakt ist dieser Transportmechanismus neben seinen essentiellen physiologischen Aufgaben, wie den Transport von Nährstoffen, an einer Resistenz gegen exogene Stoffe und Xenobiotika beteiligt, der die Aufnahme in den Organismus über einen Rücktransport in das Darmlumen limitiert. Dabei hat die membranständige Effluxpumpe p-Glykoprotein (p-GP) als ein Baustein dieses Schutzmechanismus auch einen großen Einfluss auf die Arzneimitteltherapie. Über eine Modulierung der Pharmakokinetik von Arzneistoffen beschränkt sie die Aufnahme von Medikamenten und senkt dadurch deren Bioverfügbarkeit. Es wird auch für pflanzliche Inhaltsstoffe aus der Gruppe der Polyphenole ein möglicher Einfluss auf dieses Transportprotein diskutiert. Diese Beeinflussung kann sich entweder in einer Induktion oder einer Inhibition des Proteins äußern, was positive wie negative Effekte haben kann. Eine Hemmung des Transportproteins führt zu einer erhöhten Aufnahme einiger Arzneistoffe, die mit einer erhöhten Bioverfügbarkeit und einer potentiellen Dosissenkung einhergeht. Induziert man p-GP dagegen, so wird es beispielsweise ermöglicht, potentiell schädliche Xenobiotika noch intensiver auszuscheiden und nachteilige Plasmaspiegel zu verhindern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte daher der Einfluss ausgewählter Polyphenole auf die Funktionalität und die Genexpression im CaCo-II-Zellkulturmodell näher untersucht, sowie vorab charakteristische Eigenschaften der pflanzlichen Inhaltsstoffe - Taxifolin, Silibinin, M1, Urolithin A, Urolithin B, Urolithin C, Isourolithin A, racemisches Hydnocarpin D, (+)-Hydnocarpin D, (-)-Hydnocarpin D - vergleichend bestimmt werden. Diese stoffspezifischen Charakteristika umfassten die Zytotoxizität, die Stabilität und die antioxidative Kapazität. Vor allem die Zytotoxizität und die Stabilität sind essentielle Parameter für aussagekräftige Resultate. Die Substanzen waren in der eingesetzten Konzentration von 50 µM mehrheitlich, mit Ausnahme des Hydnocarpins D, nicht-toxisch innerhalb der relevanten Versuchszeiträume, 4 h und 24 h, und den verwendeten Kulturmedien, DMEM-Pest und HBSS. Vor allem im Hinblick auf die Genexpressionsversuche war es die Basis für valide Ergebnisse, den Zeitraum bis 24 h als nicht-toxisch sicherstellen zu können. Hinsichtlich der Stabilität waren nur Taxifolin (27 % Restkonzentration) und der M1 (0 % Restkonzentration) nach 24 h in Zellkulturmedium kritisch. Auf Basis ihrer antioxidativen Kapazität werden pflanzlichen Inhaltsstoffen eine Reihe von gesundheitsförderlichen Merkmalen nachgesagt, weswegen dieser Aspekt für die Testsubstanzen zusätzlich vergleichend evaluiert wurde. Der Eintritt von Pathogenen kann Zusammenfassung 377 zum Beispiel durch oxidative Schädigung des Darmepithels erleichtert werden, was zusätzlich zu einem Effekt auf p-GP durch die Polyphenole unter Umständen positiv beeinflusst werden kann. Taxifolin, der M1 sowie die Urolithine A und C konnten so als antioxidativ aktive Stoffe erstmals vergleichend analysiert und die Resultate sinnvoll zu bestehenden Daten in Relation gesetzt werden. Sie konnten nach antioxidativer Potenz in der Reihenfolge Urolithin C > M1 > Taxifolin > Urolithin A geordnet werden. Zur Analyse des Einflusses der ausgewählten Polyphenole auf die Funktionalität von p-GP sollten Transportversuche über einen CaCo-II-Monolayer mit Rhodamin 123 als Markersubstanz durchgeführt werden. Diese Untersuchungen benötigen typischerweise eine vorbereitende Kulturzeit der Zellen von insgesamt drei Wochen, sodass sich eine Verkürzung dieser Zeitspanne aus Zeitersparnis- und Kostengründen positiv auf den Durchsatz der Versuche auswirken würde. In einem umfassenden Ansatz mit kombinierter Bestimmung der Qualifizierung der Zellschichten im Hinblick auf Qualität des Monolayers (TEER-Messung, Lucifer-Yellow-Transportrate, Fluoreszenzfärbung der Tight-junctions) sowie der Funktionalität und Expression von p-GP gelang der Nachweis, dass 14 Tage hinreichend und sinnvoll waren. Zentraler Bestandteil war in der vorliegenden Arbeit die Identifizierung der Effekte der Urolithine auf sowohl p-GP direkt, als auch auf die Genexpression dieses Transportproteins. Diese Polyphenole werden im menschlichen Verdauungstrakt über einen bakteriellen Metabolismus aus Ellagtanninen und Ellagsäure hergestellt und sind aufgrund ihrer vielfältigen gesundheitsförderlichen Charakteristiken in der Forschung von steigendem Interesse. Hierfür konnten nach unserem Kenntnisstand mit den gewählten Versuchsansätzen neue Erkenntnisse gewonnen werden. In den Transportversuchen mit Rhodamin 123 als Modellsubstrat von p-GP konnten die Urolithine den p-GP-vermittelten Transport positiv beeinflussen. Die Urolithine B (Papp-Ratio 1,98), C (Papp-Ratio 2,15) und das Isourolithin A (Papp-Ratio 1,63) steigerten den Rhodamintransport signifikant und lediglich für Urolithin A (Papp-Ratio 1,45) konnte keine Signifikanz belegt werden. Der Einfluss der Urolithine lag jeweils im Bereich des Modellinduktors Dexamethason. Ebenso konnte eine positive Modulierung der Genexpression nach 24 h detektiert werden. Die Hochregulierungen durch die Urolithine A (zwei- bis dreifach), B (1,4-fach) und C (1,8-fach) waren konsistent und statistisch signifikant. Urolithin A konnte hierbei als potentester Induktor charakterisiert werden, wohingegen sein Isomer Isourolithin A keinerlei signifikante Beeinflussung der Expression zeigte. In diesen Inkubationsversuchen wurde die Eigenschaft zur Erhöhung der Genexpression über den Einfluss auf den p-GP-vermittelten Rhodamintransport bestätigt. Die Urolithine A, B, C und Isourolithin A konnten nach einer Vorinkubation über 24 h und 48 h auch den Transport von Rhodamin 123 nochmals signifikanter zu den klassischen E Zusammenfassung 378 Transportversuchen ohne Vorinkubation steigern. Relevanz hierfür hatte der erste Zeitraum über 24 h, da hier ein deutlicher Anstieg der Rhodamintransportrate zu erkennen war. Nach 48 h stieg der Rhodamintransport nur noch geringfügig an oder ging sogar leicht zurück (Urolithin B). Hinsichtlich der Genexpression konnte nach 48 h nur noch Urolithin C p-GP signifikant hochregulieren, allerdings sind diese Erkenntnisse auf Basis der Zytotoxizität der Substanzen über diesen Zeitraum kritisch zu betrachten. In der Analyse des Effektes der weiteren Polyphenole auf die Genexpression von p-GP konnten für die meisten Stoffe nur zufällige Zusammenhänge hinsichtlich Hoch- und Herunterregulierung bestimmt werden. In den Transportversuchen konnte jedoch (+)-Hydnocarpin (Papp-Ratio 0,48) den Transport in gleichem Ausmaß wie der Modellinhibitor Verapamil (Papp-Ratio 0,48) hemmen. Durch Modifizierung des Versuchsmediums zur Annäherung an physiologischeren Bedingungen (Gallensäuren, pH 6) konnte für manche Substanzen ein deutlich verändertes Verhalten beobachtet werden. Die Rhodamintransportrate nahm unter Einfluss von Urolithin B, Isourolithin A und dem M1 signifikant nun ab und bei Urolithin C signifikant zu. Dies legt nahe, dass mit dem klassischen Transportversuchsmodell lediglich Tendenzen für die Substanzen bestimmt werden können. Weitere Untersuchungen näher an der Physiologie des Verdauungstraktes sind nötig, um ein genaueres Bild des Stoffeinflusses zu gewinnen. Die Frage nach zeitlichem Einsetzen beziehungsweise der Kontinuität des Effektes auf p� GP konnte mit den Urolithinen A, B und C sowie Dexamethason geklärt werden. Eine Substanzexposition von lediglich fünf Minuten war nicht ausreichend, um in den nachfolgenden zwei Stunden einen Effekt zu beobachten. Dies legt eine Reversibilität der zugrundeliegenden Mechanismen und eine notwendige dauerhafte Anwesenheit der Substanzen über die Versuchszeit nahe. Neben Rhodamin 123 wurden noch Transportversuche mit dem Fluorchinolonantibiotikum Ciprofloxacin als Modellsubstanz durchgeführt, da es aufgrund dessen Substratcharakters für p-GP von therapeutischer Relevanz sein kann, wenn das Transportverhalten durch Polyphenole beeinflusst wird. Im Gegensatz zu Rhodamin 123 wurde der Transport von Ciprofloxacin durch die vier Urolithine verringert, was für diese Metabolismusprodukte eine zusätzliche Wirkung auf weitere Transportproteine nahelegt, weil Ciprofloxacin unter anderem auch über BRCP transportiert wird. Mittels des bakteriellen Endotoxins LPS konnte eine Schädigung des CaCo-II-Monolayers erzeugt werden, welche sich über erniedrigte TEER-Werte und einen erhöhten Rhodamintransport nachweisen ließ. Eine Vorinkubation der vier Urolithine war nicht in der Lage, diese Schädigung abzumildern, jedoch nicht komplett zu verhindern. Die TEER- Zusammenfassung 379 Werte konnten zwar wieder etwas gesteigert werden, jedoch maskierte die starke Stimulation dieser Pflanzenstoffe auf p-GP und den damit verbundenen Transport von Rhodamin 123 mögliche positive Effekte auf diese oxidative Stresssituation. Zusammenfassend war es mit der vorliegenden Arbeit erstmals durch systematische vergleichende Untersuchung und Kombination von Charakterisierungsansätzen möglich, eine deutliche Beeinflussung der Genexpression und Funktionalität des p-Glykoproteins durch vor allem die Urolithine aufzuzeigen, was eine Relevanz sowohl des Mikrobioms als auch der Ernährung in der Arzneimitteltherapie nahelegt. Zudem gelang es den klassischen Transportassay durch Verkürzung um eine Woche zu verbessern.…
• The permeability of substances across biomembranes is dependent on their size and lipophilicity, but is also determined to a large extent by active transport. This transport mechanism is involved in resistance to exogenous substances in the human digestive tract. It limits absorption into the organism via a reverse transport into the intestinal lumen. In addition, there are some essential physiological functions, such as the transport of nutrients. In this context, the membrane-bound efflux pump P-glycoprotein (P-gp), as a part of thisThe permeability of substances across biomembranes is dependent on their size and lipophilicity, but is also determined to a large extent by active transport. This transport mechanism is involved in resistance to exogenous substances in the human digestive tract. It limits absorption into the organism via a reverse transport into the intestinal lumen. In addition, there are some essential physiological functions, such as the transport of nutrients. In this context, the membrane-bound efflux pump P-glycoprotein (P-gp), as a part of this protective mechanism, also has a major influence on drug therapy. The uptake of drugs is limited and their bioavailability is reduced by modulating the pharmacokinetics. Herbal compounds from the class of polyphenols are discussed to potentially influence this transport. This influence can present itself either in an induction or an inhibition of the protein. Inhibition of the transport protein leads to increased uptake of some drugs, which is associated with increased bioavailability and a potential dose reduction. Inducing P-gp support, excreting potentially harmful xenobiotics and to prevent toxic plasma levels, for example. In the context of the present study, the influence of selected polyphenols on the functionality and gene expression in the CaCo-II cell culture model was to be investigated. Characteristic properties of plant derived compounds - taxifolin, silibinin, M1, urolithin A, urolithin B, urolithin C, isourolithin A, racemic hydnocarpin D, (+)-hydnocarpin D, (-)-hydnocarpin D - were be determined comparatively. The substance-specific characteristics included cytotoxicity, stability and antioxidant capacity. Cytotoxicity and stability are essential prerequisites for meaningful results. With the exception of hydnocarpine D, the compounds were mostly non-toxic within the relevant experimental periods, 4 h and 24 h, and the culture media used, DMEM-Pest and HBSS. The basis for valid results in the gene expression experiments were non-toxic effects over 24 h. In the stability experiments, only taxifolin (27 % residual concentration) and M1 (0 % residual concentration) were critically unstable after 24 h in cell culture medium. Plant constituents are discussed to have a number of health-promoting characteristics based on their antioxidant capacity. An entry of pathogens is facilitated by oxidative damage at the intestinal epithelium, which can possibly be influenced by polyphenols in addition to an effect on P-gp. Taxifolin, M1 and urolithins A and C were analysed indirect comparison for the first time. They were active as antioxidants and the results were consistent with existing data. Their antioxidant potency ranked in the order urolithin C > M1 > taxifolin > urolithin A. Transport experiments via a CaCo-II monolayer with rhodamine 123 as marker substance were to be performed to analyse the influence of the selected polyphenols on the functionality of P-gp. These investigations typically require a preparatory culture time of the cells of three weeks. A reduction of this period would have a positive effect on the throughput and costs of the experiments. In a comprehensive approach with combined determination of the qualification of the cell layers with regard to the quality of the monolayer (TEER measurement, Lucifer yellow transport rate, fluorescence staining of the tight junctions) as well as the functionality and expression of P-gp, it was possible to prove that 14 days of culture time was sufficient and reasonable. A central component of the present work was the identification of the effects of urolithins on the functionality and on the gene expression of P-gp. Urolithins are produced in the human digestive tract via a bacterial metabolism from ellagtannins and ellagic acid and are of increasing interest in research due to their diverse health-promoting characteristics. To the best of our knowledge, new insights were gained with the selected experimental approaches. In transport experiments with rhodamine 123 as a model substrate of P-gp, the urolithins enhanced the P-gp-mediated transport. Urolithins B (Papp ratio 1.98), C (Papp ratio 2.15) and isourolithin A (Papp ratio 1.63) significantly increased rhodamine transport. Only urolithin A (Papp ratio 1.45) failed to show significant effects. The influence of the urolithins was in the range of the model inducer dexamethasone. A positive modulation of gene expression after 24 h was also detected. The upregulations by urolithins A (two- to threefold), B (1.4-fold) and C (1.8-fold) were consistent and statistically significant. Urolithin A was characterised as the most potent inducer, whereas its isomer isourolithin A showed no significant effect on expression. The increase of gene expression was confirmed via the influence on P-gp-mediated rhodamine transport. After a pre-incubation period of 24 h and 48 h, the urolithins A, B, C and isourolithin A also increased the transport of rhodamine 123 even more significantly than in the classical transport experiments without pre-incubation. The first period over 24 h was relevant, as a clear increase in the rhodamine transport rate was seen. After 48 h, the rhodamine transport further increased only slightly or even slightly decreased (urolithin B). Only urolithin C significantly upregulated the gene expression of p-GP after 48 h. However, these findings must be viewed critically on the basis of the cytotoxicity of the substances over this period. In the analysis of the effect of the other polyphenols on the gene expression of P-gp, only random correlations with regard to up- and down-regulation were determined for most compounds. (+)-Hydnocarpine (Papp ratio 0.48) was able to inhibit transport to the same extent as the model inhibitor verapamil (Papp ratio 0.48).…