HABILITATIONSSCHRIFT

 


Tierärztliche Hochschule Hannover / BibliothekUniversity of Veterinary Medicine Hannover – Foundation / Library

 

Stephan Wilhelm Barth

 

Ernährungsbasierte Modulation der Kolon-Kanzerogenese in vivo

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-h2607

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2012

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/h_barth12.pdf

Zusammenfassung

Zahlreiche epidemiologische Studien belegen den Zusammenhang zwischen Ernährungs- und Lebensstil-Faktoren mit dem Risiko, an einem Kolorektalkarzinom (KRK) zu erkranken. Verschiedene Obst-Arten, wie z.B. der Apfel, können das KRK-Risiko senken, während Adipositas und Typ 2-Diabetes das Risiko erhöhen. Wirkmechanismen, die eine Proliferationshemmung, Induktion der Apoptose sowie eine zytotoxische Wirkung von Apfelinhaltsstoffen in Tumorzellen vermitteln, wurden bislang in Zellkultursystemen charakterisiert. Ziel unserer in vivo Untersuchungen war es, die Übertragbarkeit der in vitro Ergebnisse auf einen lebenden Organismus (Labortier, Mensch) zu überprüfen, um Aussagen zu einer möglichen krebspräventiven Wirkung machen zu können und zugrundeliegende Mechanismen in vivo aufzuklären. Bei den Interventions- und Fütterungsstudien standen Obst und Gemüse, sowie im Speziellen der Apfel im Fokus der Untersuchungen.

Im Rahmen humaner Interventionsstudien führte die tägliche Zufuhr von 8 Portionen Obst und Gemüse (100 g oder 200 mL pro Portion) im Vergleich zu einer niedrigen Aufnahme (2 Portionen) über einen Zeitraum von 4 Wochen zu einer signifikanten Abnahme des Inflammationsmarkers C-reaktives Protein (CRP) im Plasma. Hingegen hatte der tägliche Verzehr von 750 mL naturtrübem Apfelsaft über 4 Wochen bei Adipösen keinen Einfluss auf proinflammatorische Zytokine (IL-6, TNFα) oder CRP. In dieser Studie wurde die Körperfettmasse, als ein weiterer Risikofaktor für KRK, durch den naturtrüben Apfelsaft im Vergleich zu einem isokalorischen Kontrollgetränk reduziert. Bei Trägern einer mutierten IL-6-174 C/C-Allelvariante führte die Apfelsaft-Intervention im Vergleich zum Kontrollgetränk zu einer signifikanten Abnahme des Körperfetts (-2%), während bei Probanden mit dem G/G- und G/C-Genotyp keine signifikante Reduktion des Körperfett-Anteils durch die 4-wöchige Apfelsaft-Intervention auftrat. Den Ergebnissen dieser zwei humanen Interventionsstudien zufolge, reduzierte bei Normalgewichtigen eine hohe Verzehrsmenge verschiedener Obst- und Gemüse-Arten den Inflammationsmarker CRP, der als Risikofaktor auch mit dem KRK-Risiko korreliert. Wird hingegen von Adipösen nur eine Obst-Art (Apfel) in Form eines Saftes aufgenommen, wird dieser Inflammationsmarker nicht beeinflusst, während die Körperfettmasse ausschließlich bei Probanden mit einem bestimmten IL-6 Genotyp reduziert wurde.

Parallel zu den Interventionsstudien durchgeführte tierexperimentelle Fütterungsstudien in einem mit dem Prokanzerogen 1,2-Dimethylhydrazin (DMH) chemisch induzierten KRK-Rattenmodell ergaben, dass die 7-wöchige ad libitum Aufnahme von täglich etwa 20 mL eines naturtrüben Apfelsaftes im Vergleich zur Trinkwasser-Gruppe neben einer signifikanten Reduktion großer präneoplastischer Dysplasien (-50%) auch genotoxische Schäden (-60%) und die epitheliale Hyperproliferation (-40%) im distalen Kolon signifikant reduzierte. Klarsaft, mit einer weitgehend fehlenden polysaccharidhaltigen Trubfraktion, hatte eine signifikante, jedoch geringere antiproliferative Wirkung (-15%), ohne eine signifikante Wirkung auf die Genotoxizität oder der Ausprägung (Größe, Anzahl) präneoplastischer Dysplasien. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass solche Substanzgruppen für die Bioaktivität des Trübsaftes verantwortlich sein könnten, die im Trübsaft entweder ausschließlich, in einer höheren Menge oder anderem Spektrum (Polyphenole, Trub) als im Klarsaft vorkommen.

Auf diese Arbeitshypothese aufbauend, fand eine weitere Fütterungssstudie statt. Eine 7-wöchige Aufnahme zum Trübsaft adäquater Mengen einer Polyphenolfraktion (667 mg/l) oder Trubfraktion (750 mg/l) einzeln (Polyphenole: -20%; Trub: -24%) oder in Kombination (-20%) hatte nicht nur eine signifikant schwächere antiproliferative Wirkung als der Trübsaft (-35%) im Vergleich zur Trinkwassergruppe, sondern besaß auch keinen Einfluss auf die genotoxischen Schäden oder die Entwicklung präneoplastischer Dysplasien. Somit konnte auf Grundlage dieser Fütterungsstudie keine der Fraktionen als die Fraktion mit der Bioaktivität des Trübsaftes identifiziert werden.

In weiterführenden tierexperimentellen Studien wurde das KRK-Rattenmodell mit der Pathogenese einer Adipositas kombiniert, indem die Kanzerogenese mit DMH in einem genetischen Adipositas-Rattenmodell (Zucker-obese-Ratte) induziert wurde. Adipositas (obese: fa/fa) führte im Vergleich zur normalgewichtigen Kontrollgruppe (lean: Fa/+) zu einer signifikanten, 20-fach höheren Anzahl DMH-induzierter präneoplastischer Dysplasien, während kein signifikanter Unterschied hinsichtlich der genotoxischen Schäden und epithelialen Hyperproliferation im distalen Kolon zu beobachten war. Neben dem Körpergewicht und der Energieaufnahme, war die errechnete Korrelation der Plasma-Konzentrationen von Cholesterin, Triglyzerid und Malondialdehyd mit der Größe und Anzahl dieser Krebsvorstufen am höchsten. In diesem kombinierten Tiermodell ließ sich somit der pathophysiologische Zusammenhang zwischen Adipositas und der KRK-Kanzerogenese modellhaft simulieren.

Darauf aufbauend wurde in diesem kombinierten Tiermodell eine abschließende 9-wöchige Fütterungsstudie mit einer täglichen Aufnahme von 10-15 ml Trübsaft oder eines isokalorischen Kontrollgetränkes (Zucker, Fruchtsäuren, Mineralien, Vitamin C, pH-Wert entsprechend Trübsaft) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass der Trübsaft im Vergleich zum Kontrollgetränk keinen Einfluss auf die DMH-induzierte epitheliale Hyperproliferation, genotoxische Schädigung sowie die Anzahl und Größe präneoplastischer Dysplasien im distalen Kolon hatte.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse aller Studien, dass durch den Verzehr von Obst und Gemüse oder von naturtrübem Apfelsaft verschiedene Parameter beeinflusst werden können, die nicht nur im Tiermodell sondern auch beim Menschen entweder als Risikofaktoren oder als beteiligte zelluläre Parameter im Kolon mit der Kanzerogenese assoziiert sind. Allerdings belegen die Studienergebnisse auch, dass nicht nur die Bioaktivität sondern wahrscheinlich auch die Verfügbarkeit der Lebensmittel (-Inhaltsstoffe) maßgeblich durch die Art der Darreichungsform (flüssig versus fest), das Spektrum und die Dosis der Lebensmittel (Obst/Gemüse versus Apfel-Saft versus Saft-Fraktion) sowie die Spezies (Mensch versus Laborratte), den Phänotyp (normalgewichtig versus adipös) und den Genotyp funktionell relevanter Polymorphismen beeinflusst wird.

Trotz dieser Limitierungen geben die vorgestellten in vivo Untersuchungen einen Hinweis auf mögliche zelluläre Mechanismen, die einer krebspräventiven Wirkung komplexer Lebensmittel zugrunde liegen könnten. Nach Beleg der Übertragbarkeit der Ergebnisse aus dem Tiermodell auf den Menschen wäre es in Zukunft somit möglich, durch ein entsprechendes Ernährungsverhalten (patho-) physiologische Prozesse im Sinne einer Chemoprävention frühzeitig zu beeinflussen.

 

Abstract

Numerous epidemiological studies document a correlation between nutrition and lifestyle factors and the risk of developing colorectal cancer (CRC). Several types of fruit, for example apples, can lower the risk of developing CRC, whereas obesity and type II diabetes increase the risk.

Modes of action that inhibit tumor cell proliferation, induce apoptosis, and mediate cytotoxicity of apple compounds have so far been characterized in cell culture systems. The goal of the in vivo analyses was to examine whether the in vitro results could be transferred to a living organism (lab rodent, human) in order to draw conclusions as to a possible cancer preventive effect and to elucidate the underlying mechanisms in vivo. During the intervention and feeding studies fruits and vegetables, especially apples, were at the focal point of research.

In the course of human intervention studies, the daily intake of 8 portions of fruits and vegetables (100 g or 200 ml per portion) compared to a low intake (2 portions) over a period of 4 weeks lead to a significant decrease of the inflammation marker C-reactive protein (CRP) in plasma. In contrast, the daily consumption of 750 ml cloudy apply juice over a period of 4 weeks had no effect on proinflammatory cytokines (IL-6, TNFα) or CRP in obese subjects. In this study the body fat mass, as an additional risk factor for CRC, was reduced by the cloudy apple juice compared to an isocaloric control beverage. In individuals bearing a mutated IL-6-174 C/C allelic variation the apple juice intervention lead to a significant reduction (-2 %) of body fat mass compared to the control beverage, whereas subjects with the G/G and G/C genotype did not show a significant reduction of the body fat mass. According to the results of these two intervention studies, a high consumption of various types of fruits and vegetables by normal-weight subjects reduced the inflammation marker CRP, which also correlates as a risk factor for CRC. However, when obese subjects consumed only one type of fruit (apples) in form of apple juice, this inflammation marker was not influenced, while the body fat mass was only reduced in subjects with a specific IL-6 genotype.

Animal feeding studies were performed in a rodent model, chemically induced with the procarcinogen 1,2-Dimethylhydrazine (DMH) for developing CRC. The 7-week ad libitum intake of approx. 20 ml cloudy apply juice daily compared to a drinking water group aside from reducing large preneoplastic dysplasia (-50 %) also significantly reduced genotoxic damages (-60 %) and the epithelial hyperproliferation (-40 %) in the distal colon. Clear apple juice, mostly lacking the polysaccharide-containing cloud fraction, either had a significantly lower antiproliferative effect than the cloudy juice (-15 %) or completely lack bioactivity on genotoxicity and grade (size, number) of preneoplastic dysplasia. These results indicate that those substance groups could be responsible for the bioactivity of the cloudy juice which either occur exclusively or in a higher amount, or in another spectrum (polyphenols, cloud) than in the clear juice.

As deduced from this working hypothesis, another feeding study was conducted. Based on the concentrations in cloudy juice, a 7-week intake of comparable amounts of a polyphenol fraction (667 mg/l) or cloud fraction (750 mg/l), separately (polyphenols: -20 %; cloud: -24%) or in combination (-20 %), not only had a significantly weaker antiproliferative effect than the cloudy juice (-35 %) compared to the drinking water group, but also had no influence on the genotoxic damages or the development of preneoplastic dysplasia. Therefore, on the basis of this feeding study none of the fractions could be identified as the fraction with the bioactivity of the cloudy juice.

In continuing animal studies the CRC rodent model was combined with the pathogenesis of obesity by inducing the carcinogenesis with DMH in a genetically obese rat model (Zucker obese rat). Obesity (obese: fa/fa) compared to the normal-weight control group (lean: Fa/+) lead to a significant, 20 times higher number of DMH-induced preneoplastic dysplasia, while no significant difference regarding epithelial genotoxicity and hyperproliferation in the distal colon could be detected. Aside from a close calculated correlation of body weight and energy intake with pre-cancer stages, the correlation of the plasma concentrations of cholesterol, triglycerides, and malondialdehyde with the size and number of these preneoplastic dysplasia was the highest. Thus, in this combined animal model the pathophysiological relationship between obesity and the CRC carcinogenesis was successfully simulated.

Based on these results we took this combined animal model and conducted a final 9-week feeding study with a daily intake of 10 – 15 ml cloudy juice or an isocaloric control beverage (sugar, fruit acids, minerals, vitamin C, pH-value corresponding to cloudy juice). In obese, the cloudy juice compared to the control did not influence the DMH-induced epithelial hyperproliferation, genotoxic damage, as well as number and size of preneoplastic dysplasia in the distal colon.

In conclusion, the results of all studies demonstrate that by consuming fruits and vegetables or cloudy apple juice several parameters can be influenced, which not only in rodents but also in humans are associated with the colon carcinogenesis either as risk factors or as contributing cellular parameters.

However, the study results also prove that not only bioactivity but probably also bioavailability of the foods (or food compounds) are significantly influenced by the type of formulation (liquid vs. solid), the spectrum and dose of the foods (fruits/vegetables vs. apple juice vs. juice fraction), as well as the species (human vs. rodent), the phenotype (normal-weight vs. obese), and the genotype of functionally relevant polymorphisms.

In spite of these limitations, the presented in vivo analyses provide an indication of possible cellular mechanisms that could be the basis of the cancer preventive effect of complex foods.

After having demonstrated that the results of the rodent models can be transferred to the human status, it would consequently be possible in future to influence at an early stage (patho-) physiological processes in terms of a chemoprevention through appropriate dietary behaviour.

 

keywords

Apfel, Ernährung, Gesundheit; apple, nutrition, health

kb

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