Study of the genotoxicity mechanisms of all-trans retinoic acid and its analogue EA-4
Authors: Alakhras Raghda 
Published: January 2014

Η βιταμίνη Α και οι μεταβολίτες της, ρετινόλη και ρετινοϊκό οξύ είναι ισχυροί παράγοντες για τη ρύθμιση σημαντικών λειτουργιών, όπως της κυτταρικής ανάπτυξης, διαφοροποίησης και άλλων. Τα ρετινοειδή είναι γνωστά για την μεταλλαξιγόνο αλλά και αντιμεταλλαξιγόνο δράση τους, αν και έχουν αναφερθεί αντικρουόμενα ευρήματα. Το all-trans ρετινοϊκό οξύ (ATRA) χρησιμοποιείται στη θεραπεία πολλών ασθενειών, όπως η ακμή, ψωρίαση, ιχθύωση, αλλά και στη θεραπεία κακοηθειών όπως η μυελογενής λευχαιμία. Συχνά σε περιπτώσεις όπου το ATRA αποτελεί τη βασική θεραπεία παρατηρούνται υποτροπιάσεις Έτσι, η κατανόηση του μηχανισμού δράσης του ATRA στα κύτταρα θα αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο για την ανάπτυξη νέων, ισχυρών και μη-τοξικών θεραπευτικών παραγόντων προερχόμενων από αυτό. Το EA-4 είναι ένα πρόσφατα συντεθέν στεροειδικό ανάλογο του ATRA, που θεωρείται υποσχόμενος παράγοντας για την αναστολή της ανάπτυξης ανθρώπινων λευχαιμικών κυττάρων. Η μελέτη της γονιδιοτοξικότητας αποτελεί σημαντική παράμετρο για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών παραγόντων. Οι γονιδιοτοξικές επιπτώσεις αντικαρκινικών φαρμάκων σε μη-καρκινικά κύτταρα είναι ιδιαίτερης σημασίας, και αποτελούν πιθανή αιτία εμφάνισης δευτερογενών όγκων σε ασθενείς. Έτσι, είναι σημαντικό να μελετηθεί η γονιδιοτοξική δράση ενός φαρμάκου που θα χρησιμοποιηθεί στη χημειοθεραπεία. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, θεωρήθηκε ενδιαφέρον να εκτιμηθεί η γονιδιοτοξικότητα του EA-4 σε σύγκριση με το ATRA ως προς την ικανότητά τους να προκαλούν την εμφάνιση μικροπυρήνων (MN) είτε μέσω της χρωμοσωματικής θραύσης είτε μέσω της χρωμοσωματικής καθυστέρησης. Οι μικροπυρήνες προέρχονται από χρωμοσωματικά θραύσματα ή ολόκληρα χρωμοσώματα, τα οποία καθυστερούν κατά την ανάφαση της μείωσης ή της μίτωσης. Σύμφωνα με όσα μέχρι σήμερα γνωρίζουμε, δεν φαίνεται να υπάρχουν στοιχεία που αφορούν την ικανότητα του all-trans ρετινοϊκού οξέος (ATRA) να επάγει το σχηματισμό μικροπυρήνων. Για τη διερεύνηση της ικανότητας του ATRA και του στεροειδικού αναλόγου του EA-4 να επάγει την εμφάνιση μικροπυρήνων, πραγματοποιήθηκε η μέθοδος αναστολής της κυτταροκίνησης (CBMN assay) σε ανθρώπινα λεμφοκύτταρα in vitro. Με την ίδια μέθοδο εκτιμήθηκε και η κυτταροτοξικότητα των δύο ρετινοειδών. Για την διευκρίνιση του μηχανισμού δημιουργίας των μικροπυρήνων από τη δράση των ATRA και EA-4, η μέθοδος CBMN συνδυάστηκε με την in situ υβριδοποίηση με φθοροχρώματα (FISH) και χρήση α-δορυφορικού (α-satellite) πανκεντρομερικού ανιχνευτή για την επισήμανση του κεντρομέρους και την ανίχνευσή του σε μικροπυρήνες. Η παρουσία σήματος υβριδοποίησης στους μικροπυρήνες υποδηλώνει την ύπαρξη άθικτου χρωμοσώματος στο εσωτερικό τους. Το αντίθετο υποδεικνύει την παρουσία άκεντρου χρωμοσωματικού θραύσματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο χημικές ενώσεις προκαλούν στατιστικά σημαντική αύξηση της συχνότητας των μικροπυρήνων Το ATRA οδηγεί στην δημιουργία μικροπυρήνων κυρίως μέσω χρωμοσωματικής θραύσης, και σε ηπιότερο βαθμό μέσω χρωμοσωματικής καθυστέρησης. Αντίθετα, το EA-4 επάγει το σχηματισμό μικροπυρήνων αποκλειστικά μέσω χρωμοσωματικής θραύσης. Επίσης το ATRA και το EA-4 παρουσιάζουν ισχυρή κυτταροτοξικότητα, όπως φάνηκε από τη στατιστικά σημαντική μείωση του κυτταρικού δείκτη πολλαπλασιασμού (CBPI), σε σύγκριση με τις καλλιέργειες του μάρτυρα. Προκειμένου να επιβεβαιωθεί η γονιδιοτοξικότητα του ATRA και του EA-4, διερευνήθηκε η ικανότητά τους να προκαλούν αυξημένες συχνότητες μικροπυρήνων σε ένα δεύτερο βιολογικό σύστημα, την κυτταρική σειρά ποντικού C2C12. Η ανάλυση των MN πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο διπλού ανοσοφθορισμού α-τουμπουλίνης/CREST, για την ανίχνευση σήματος κινητοχώρου στο εσωτερικό του μικροπυρήνα κι έτσι την παρουσία ολόκληρου χρωμοσώματος. Επίσης, η κυτταροτοξικότητα τους διερευνήθηκε με την εκτίμηση του μιτωτικού δείκτη. Με τη ίδια μέθοδο αναλύθηκε η πρόοδος του κυτταρικού κύκλου. Παρατηρήθηκε ότι το ATRA και το EA-4 παρουσιάζουν κυτταροτοξική δράση στα κύτταρα C2C12 μειώνοντας το ρυθμό κυτταρικού πολλαπλασιασμού σε στατιστικά σημαντικά επίπεδα. Επιπλέον αποκαλύφθηκε στατιστικά σημαντική αύξηση της συχνότητας κυττάρων με μικροπυρήνες. Η επισήμανση του κινητοχώρου επιβεβαίωσε τη θραυσματογόνο δράση των υπό μελέτη ρετινοειδών που παρατηρήθηκε στα ανθρώπινα λεμφοκύτταρα. Η δημιουργία μικροπυρήνων μέσω του ATRA ήταν αποτέλεσμα κυρίως χρωμοσωματικής θραύσης και σε μικρότερη έκταση χρωμοσωματικής καθυστέρησης, σε συμφωνία με τα ευρήματα από τα πειράματα στις καλλιέργειες ανθρώπινων λεμφοκυττάρων. Αντίθετα, παρατηρήθηκε ότι το EA-4, πλην της ισχυρής θραυσματογόνου δράσης, προκαλεί και χρωμοσωματική καθυστέρηση. Οι παρατηρήσεις αυτές υποδεικνύουν ότι το ATRA και το EA-4 είναι ισχυροί θραυσματογόνοι παράγοντες, αλλά σε μικρότερο βαθμό είναι ικανοί να διαταράξουν και τον χρωμοσωματικό αποχωρισμό κατά την πυρηνική διαίρεση. Η μελέτη του κυτταρικού κύκλου έδειξε ότι τόσο το ATRA και όσο και το EA-4 προκαλούν καθυστέρηση συσσωρεύοντας τα κύτταρα στα στάδια ανάφασης και τελόφασης της πυρηνικής διαίρεσης. Κύτταρα που συσσωρεύονται στα παραπάνω στάδια χαρακτηρίζονται από την εμφάνιση πυρηνοπλασματικών γεφυρών, την παρουσία περισσότερων του ενός πυρήνων, αλλά και την παρουσία μικροπυρήνων, φαινόμενα τα οποία είναι σύμφωνα με τη διττή γενετική δράση των ATRA και EA-4. Επίσης, παρατηρήθηκαν πολυπύρηνα μεσοφασικά κύτταρα και μεσοφασικά κύτταρα με πολλαπλούς μικροπυρήνες, με τον δεύτερο τύπο κυττάρων να προέρχεται τόσο από χρωμοσωματική θραύση όσο και από χρωμοσωματική καθυστέρηση. Έτσι, φαίνεται ότι τα δύο υπό μελέτη ρετινοειδή μπορούν να χαρακτηρισθούν μόρια με θραυσματογόνες αλλά και ανευπλοειδογόνες ιδιότητες. Για τη λεπτομερέστερη ανάλυση του μηχανισμού δράσης του ATRA και του EA-4 σχεδιάσθηκαν πειράματα σε δύο βασικούς άξονες που αφορούσαν την περαιτέρω μελέτη τόσο της ανευπλοειδογόνου όσο και της θραυσματογόνου δράσης τους. Έτσι, μελετήθηκε η επίδραση του ATRA και του EA-4 αντίστοιχα ως προς: α) την ακεραιότητα της μιτωτικής συσκευής, η οποία αποτελεί κυτταρικό στόχο ανευπλοειδογόνων ενώσεων. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στην κυτταρική σειρά C2C12, μέσω της μεθόδου διπλού ανοσοφθορισμού για τη β- και γ-τουμπουλίνη, δομικά στοιχεία των μικροσωληνίσκων και του κεντροσώματος, και β) την δημιουργία δίκλωνων ρηγμάτων στο DNA μέσω της μεθόδου ηλεκτροφόρησης μοναδιαίων κυττάρων (SCGE assay-Comet assay) σε δύο διαφορετικές κυτταρικές σειρές, στα κύτταρα ποντικού C2C12 και στα λευχαιμικά κύτταρα ανθρώπου HL-60. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι τα υπό εξέταση ρετινοειδή επηρεάζουν τον χρωμοσωματικό προσανατολισμό κατά τη μετάφαση με την εμφάνιση διπολικών μεταφάσεων με τα χρωμοσώματα μη-διατεταγμένα στο ισημερινό πεδίο, λόγω ανωμαλιών του δικτύου των μικροσωληνίσκων. Επίσης, φάνηκε ότι προκαλούν ανωμαλία στον πολλαπλασιασμό και πιθανοί στον αποχωρισμό των κεντροσωμάτων, παρατήρηση που δικαιολογείται από την παρουσία μονοπολικών μεταφάσεων, καθώς και ανά τελοφάσεων αλλά και μεσοφασικών κυττάρων με υπεράριθμο κεντροσωματικό αριθμό. Επιβεβαιώθηκε επίσης η επίδρασή τους στην πορεία του κυτταρικού κύκλου με συσσώρευση των κυττάρων στα στάδια ανάφασης-τελόφασης. Επιπρόσθετα, φάνηκε ότι το ΕΑ-4, στη μεγαλύτερη συγκέντρωση, διακόπτει τον κυτταρικό κύκλο στο στάδιο της μετάφασης. Παράλληλα, παρατηρήθηκε διαταραχή στη δομή του δικτύου των μικροσωληνίσκων. Όλα τα παραπάνω ευρήματα ερμηνεύουν τόσο την ανευπλοειδογόνο όσο και τη θραυσματογόνο δράση των δύο ρετινοειδών. Με τη μέθοδο ηλεκτροφόρησης μοναδιαίων κυττάρων δείχθηκε ότι το ATRA και το στεροειδικό του ανάλογο EA-4 προκάλεσαν τη δημιουργία «κομητών», δηλαδή πυρήνων με ανώμαλη μορφολογία μέσω του σχηματισμού δίκλωνων θραυσμάτων DNA. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε τόσο στα κύτταρα ποντικού C2C12 όσο και στα λευχαιμικά κύτταρα ανθρώπου HL-60, με το EA-4 να παρουσιάζει ισχυρότερη επαγωγή θραύσης του DNA. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τα ευρήματα των μεθόδων FISH και CREST, υποδεικνύοντας ότι τα υπό εξέταση ρετινοειδή παρουσιάζουν ισχυρή θραυσματογόνο δράση. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, μπορούμε να ισχυριστούμε ότι τα ευρήματά μας διευκρινίζουν την κυτταροτοξική και γονιδιοτοξική δράση του ρετινοϊκού οξέος. Υποδεικνύουν ιδιότητες ισχυρώς θραυσματογόνων παραγόντων μέσω δημιουργίας δίκλωνων ρηγμάτων στο DNA των κυττάρων. Δευτερογενώς μπορούν να χαρακτηρισθούν ως ήπιες ανευπλοειδογόνες ενώσεις που προκαλούν ανώμαλο χρωμοσωματικό αποχωρισμό μέσω ανωμαλιών τόσο του δικτύου των μικροσωληνίσκων όσο και της ακεραιότητα της μιτωτικής συσκευής.