2. Carbonyl-Reduktion: ein enzymatischer Schutzmechanismus vor toxischen Substanzen

2.1. Detoxifizierung von xenobiotischen Aldehyden, Ketonen und Chinonen

Neuere Studien belegen die Bedeutung der enzymatischen Carbonyl-Reduktion in der Detoxifizierung und Ausscheidung potentiell toxischer Aldehyde, Ketone und Chinone. Carbonylverbindungen werden hauptsächlich über die Nahrung oder inhalativ aufgenommen und tragen mit zur Fremdstoff-Exposition bei. Problematisch ist z.B. auch die endogene Bildung von Acrolein, 4-Hydroxynoneal und Malondialdehyd, welche innerhalb der Zelle durch Lipidperoxidation entstehen. Diese Verbindungen bilden Schiff'sche Basen mit Proteinen, reagieren mit Thiol-Gruppen in Proteinen oder interagieren mit der DNA. Im Falle der Chinone können Semichinon-Radikale entstehen, welche Membranschädigungen verursachen.

In den letzten Jahren sind mehrere Enzyme identifiziert worden, die diese Stoffe durch Reduktion der Keton- bzw. Aldehydfunktion in nicht-toxische Hydroxy-Verbindungen umwandeln. Im Falle der endogenen und exogenen Chinone wird durch Carbonyl-Reduktion (Zwei-Elektronen-Reduktion) die Bildung von nicht-toxischen Hydrochinonen favorisiert, und damit die Entstehung von Semichinon-Radikalen (Ein-Elektron-Reduktion) verhindert.

Wir haben spezielle Reinigungsschemata etabliert, mit denen wir diese Enzyme isolieren und hinsichtlich ihrer Substratspezifität und Kinetik charakterisieren. Mittels selbst hergestellter Antikörper und synthetischen Oligonukleotiden führen wir Expressionsstudien auf Protein- und RNA-Ebene in verschiedenen menschlichen Geweben (v.a. Lunge und Leber) und diversen Zellkultursystemen durch. Ferner gelang uns die Herstellung rekombinanter Carbonyl-Reduktase, mit der wir zur Zeit versuchen, die bis lang noch unbekannte physiologische Funktion dieses Enzyms aufzuklären.

2.2. Metabolismus neuer Chemotherapeutika (Oracin, Benfluron) in menschlichen Geweben.

Oracin und Benfluron sind neue Chemotherapeutika, die sich zur Zeit in der klinischen Phase II befinden. Diese Substanzen werden u.a. an der Karls-Universität in Prag entwickelt und wir untersuchen im Rahmen einer Kooperation die Toxizität und den Metabolismus dieser Substanzen in menschlichen Geweben. In Vorversuchen haben wir eine Reihe der für den Metabolismus verantwortlichen Enzyme identifiziert und wollen diese demnächst aus menschlicher Leber isolieren und funktionell sowie biochemisch charakterisieren. Bisher wurden diese Arbeiten durch einen Kooperationsvertrag der Universitäten in Marburg und Prag finanziert. Basierend auf den erfolgreichen Vorversuchen haben wir für Prof. Dr. Wsol aus Prag ein Stipendium von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung bekommen. Prof. Wsol forscht seit Januar 2004 am Institut.

Ausgewählte Literatur zum Thema :

1. Bueld JE, Mangoura SA and Maser E: Developmental changes of carbonyl reductase activity in mouse liver and kidney.
Exp Toxic Pathol 48: 51-57, 1996.

2. Rekka EA, Soldan M, Belai I, Netter KJ and Maser E: Biotransformation and toxicity of insecticidic anti-ecdysterone metyrapone analogues by carbonyl reduction in human liver.
Xenobiotica 26: 1221-1229, 1996.

3. Pröpper D and Maser E: Daunorubicin carbonyl reduction in rabbit liver and heart.
Pharmacol Toxicol 80: 240-245, 1997.

4. Oppermann UCT and Maser E: Molecular and structural aspects of xenobiotic carbonyl metabolizing enzymes. Role of reductases and dehydrogenases in xenobiotic phase I reactions.
Toxicology 144: 71-81, 2000.

5. Atalla A and Maser E: Characterization of enzymes participating in carbonyl reduction of 4-(methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone (NNK) in human placenta.
Chem-Biol Interact 130: 737-748, 2001.

6. Skalova L, Nobillis M, Szotakova B, Kondrova E, Savlik, M, Wsol V, Pichard-Garcia L and Maser E: Carbonyl reduction of the potential cytostatic drugs benfluron and 3,9-dimethoxybenfluron in human in vitro.
Biochem Pharmacol 64:297-305, 2002.

7. Wsol V, Szotakova B, Skalova L, Maser E: The novel anticancer drug oracin: different stereospecificity and cooperativity for carbonyl reduction by purified human liver 11b-hydroxysteroid dehydrogenase type 1.
Toxicology 197: 253-261, 2004.

8. Breyer-Pfaff U, Martin H-J, Ernst M and Maser E: Enantioselectivity of carbonyl reduction of 4-methylnitrosamino-1-(3-pyridyl)-1-butanone by tissue fractions from man and rat and by enzymes isolated from human liver.
Drug Metab Dispos 32: 915-922, 2004.

9. Doorn JA, Maser E, Blum A, Claffey DC and Petersen DR: Human carbonyl reductase catalyzes reduction of 4-oxonon-2-enal.
Biochemistry (in press) 2004.