Electron emission and biological consequences of hormones in polar media, studied on testosterone, progesterone, 17 beta-Estradiol and Genistein

In den letzten Jahrzehnten wurde ein rascher Anstieg von Brust- und Prostatakrebsfallen in den westlichen Landern beobachtet. Neben Lifestyle-Faktoren wie Ernahrung usw. , ruckten auch immer mehr die Sexualhormone und ihre Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Karzinomen ins Zentrum des wissenschaftlichen Interesses, hierbei v.a. die spezifische Wirkung ihrer Metaboliten. In diesem Zusammenhang wurde kurzlich erstmals nachgewiesen, dass Sexualhormone wie 17β-Ostradiol (E2) und Progesteron (P4) in der Lage sind, in polarem Medium Elektronen zu emittieren, wenn sie in ihrem Singlett-Zustand angeregt werden. Die dabei entstehenden Hormontransienten fuhren daraufhin zur Bildung von Metaboliten, von denen manche neoplastische Prozesse einleiten. Daher ist es von grosem Interesse, weitere Sexualhormone in dieser Hinsicht zu erforschen und das Verhalten der resultierenden Transienten zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass das Sexualhormon Testosteron (T), gelost in 60% Ethanol und 40% dreifach destilliertem Wasser, auch Elektronen emittiert, wenn es in seinem Singlett-Zustand angeregt wird. Die Anregung erfolgte hierbei durch UV-Bestrahlung mit monochromatischem Licht mit einer Wellenlange von 254 nm. Ebenso wurde fur das Phytohormon Genistein (GEN) gezeigt, welches ursachlich mit dem relativ niedrigen Auftreten von Brustkrebs in Asien in Verbindung gebracht wird, dass es in der Lage ist, Elektronen zu emittieren. Die aus der Elektronenabgabe resultierenden Hormonprodukte konnten ebenso Elektronen emittieren, aber mit geringerer Quantenausbeute an solvatisierten Elektronen (Q(e-aq)), wie aus den gefundenen zweiten und dritten Maxima der Elektronenemissionskurven festzustellen war. Interessanterweise verminderte sich Q(e-aq) mit steigender Hormonkonzentration, was auf die Bildung von Hormonassoziaten zuruckzufuhren ist. Da T und GEN dazu fahig sind, sowohl Elektronen zu emittieren als auch aufzunehmen, wurden sie als „Elektronenmediatoren“ klassifiziert. Im Vergleich der Elektronenemission von T und P4 stellte sich heraus, dass Q(e-aq) von T 3,6mal hoher ist. Eine Erklarung hierfur liegt in der unterschiedlichen Molekularstruktur der beiden Hormone: Wahrend T eine Hydroxylgruppe an Position 17 von Ring D tragt, welche die Elektronenemission begunstigt, ist bei P4 an gleicher Stelle eine Karbonylgruppe, welche einen Teil der emittierten Elektronen von T aufnimmt. Hierdurch kam es zu einer partiellen Widerherstellung von T. In weiterer Folge wurde anhand von Vitamin C (vitC), welches ein gutes Beispiel fur einen starken Elektrondonor darstellt, mithilfe der HPLC (Hochleistungsflussigkeitschromatographie) gezeigt, dass die aus der Elektronenemission resultierenden Hormontransienten zumindest teilweise regeneriert werden konnen durch Elektronentransfer, sofern sie sich noch in ihrem „Status nascendi“ befinden. Hierbei konnte aus den erhaltenen anfanglichen Quantenausbeuten berechnet werden, dass unter den gegebenen experimentellen Bedingungen T zu 58,6% durch vitC regeneriert werden kann. Desweiteren wurde festgestellt, dass sich der Abbau von T in Gegenwart von vitC erheblich verzogert. Durch die Regeneration von Hormonen wird erwartet, dass sich nur vermindert krebserregende Metaboliten bilden. Die Auswirkung von oxidierenden und reduzierenden freien Radikalen auf Hormonmetaboliten wurde mithilfe von In vitro Experimenten mit Escherichia coli Bakterien simuliert. Durch die Sattigung der Bakterien enthaltenden Losungen mit verschiedenen Gasen vor der γ-Bestrahlung konnten definierte Konzentrationen und Arten von freien Radikalen als Produkte der Wasserradiolyse hergestellt werden: In lufthaltigem Medium waren dies 46% OH• und 54% O2•-, in N2O-gesattigtem Medium 90% OH• und 10% H• und luftfreiem Medium (gesattigt mit Argon) 44% e-aq, 10% H• und 46% OH•. Im Rahmen der Experimente wurde festgestellt, dass wasserlosliches E2 (wsE2), welches als Komplex mit 2-Hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HBC) vorliegt, ein sehr wirksamer Fanger von OH• und O2•- ist. Unter dem Einfluss von reduzierenden Radikalen (e-aq, H•) zeigte sich eine starke, antiproliferative Wirkung von wsE2 auf die Bakterien. Kontrare Ergebnisse wurden fur wasserlosliches P4 alleine (wsP4, im Komplex mit HBC) und im Gemisch mit wsE2 gefunden, was darauf hindeutet, dass eine Kombination der beiden Hormone zu einer erheblichen Reduzierung der karzinogenen Metaboliten von wsE2 fuhren konnte. T und vitC wurden auch im Rahmen von In vitro Experimenten mit Escherichia coli Bakterien untersucht. Allen Medien wurde hierbei 4x10-2 mol/L Ethanol zugesetzt, da T nicht in reinem Wasser loslich ist. Da Ethanol ein guter Fanger von allen primaren freien Radikalen auser e-aq ist, waren in lufthaltigem Medium nur oxidierende Radikale vorhanden und in Medien gesattigt mit N2O oder Argon uberwiegend reduzierende Spezies. Die aus dem Angriff von oxidierenden Radikalen entstehenden Zwischenprodukte von T zeigten eine schwach zytotoxische Wirkung auf die Bakterien. Unter dem Einfluss von reduzierenden Radikalen induzierte T hingegen starke Proliferation. VitC intensivierte den jeweiligen Effekt von T. Die erhaltenen Ergebnisse ermoglichen einen tieferen Einblick in das biologische Verhalten von Sexualhormonen und ihren Metaboliten. Mogliche Reaktionsmechanismen von Hormonen mit freien Radikalen werden prasentiert, aber es sind weitere strahlenbiologische Untersuchungen vonnoten, da die Reaktionsmechanismen sehr kompliziert sind und mit vielen anderen biologischen Prozessen uberlappen. Die Pulsradiolyse-Methode konnte bedeutend zur Aufklarung dieser Prozesse beitragen. Die Experimente mit Hormon-vitC-Kombinationen konnten neue Ansatze zur Anwendung von Hormonen in der Medizin aufzeigen.