Immunhistochemische Charakterisierung pathologischer Veränderungen bei der sporadischen und hereditären kolorektalen Karzinogenese und chronisch entzündlichen Darmerkrankungen: Präventionsstrategien mit resistenter Stärke Typ III, experimentelle Studien

Abstract

Zielstellung der Arbeit war die vergleichende Charakterisierung von pathophysiologisch bedeutsamen Veränderungen bei der kolorektalen Karzinogenese und bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) sowie die Verifizierung dieser Befunde in entsprechenden Tiermodellen (DMH-Tumormodell, TNBS-Kolitismodell der Ratte). Die Ergebnisse zur präventiven und therapeutischen Beeinflussbarkeit dieser Erkrankungen durch orale Gabe von Resistenter Stärke (RS) III - über eine erhöhte Butyratausbeute nach mikrobieller Fermentation - in den Modellen sollten der Vorbereitung einer klinischen Anwendung von RS III dienen. Das Verhalten ausgewählter, sowohl mit der kolorektalen Karzinogenese als auch mit CED assoziierter, prooxidativ und antioxidativ wirkender Enzyme wurde in morphologisch intaktem und in pathologisch verändertem Dickdarmgewebe des Menschen stadienabhängig charakterisiert. Gewebeproben von Patienten mit sporadischen kolorektalen Tumoren und FAP wurden ihrem Differenzierungs- bzw. die Proben von Patienten mit CED ihrem Entzündungsgrad zugeordnet. Zur Einteilung der CED-Proben wurde ein Kolitis-Score entwickelt. Die Enzymverteilung und deren Veränderung wurden immunhistochemisch erfasst, um den komplexen Aufbau der Darmwand zu berücksichtigen und Veränderungen auf zellulärer und subzellulärer Ebene � besonders im Achsen-Funktions-Verlauf der Dickdarmkrypte � verfolgen zu können. Es konnte nachgewiesen werden, dass im Epithel von morphologisch intakter Dickdarmmukosa COX-1, COX-2, iNOS, GI-GPx und 15-LOX-2, nicht jedoch 15-LOX-1 exprimiert werden. COX-2, iNOS und GI-GPx befinden sich im luminalen Saumepithel in ähnlicher zellulärer und subzellulärer Lokalisation; ihre Hochregulation über die gesamte Kryptenachse ist ein sehr frühes Ereignis im Prozess der Entdifferenzierung. In den Zellen der Lamina propria von morphologisch intaktem Gewebe werden die COX-1, COX-2, iNOS, 15-LOX-1 und 15-LOX-2 exprimiert; alle fünf Enzyme werden im Verlauf der Entdifferenzierung stark hochreguliert. FAP-Patienten weisen bereits in histologisch intakter Mukosa signifikant erhöhte COX-2-, iNOS- und GI-GPx-Spiegel im Saumepithel auf. Zusätzlich tritt bei FAP in frühen Entdifferenzierungsstadien eine starke Expression der 15-LOX-2 im Epithel auf. Chronische oxidative Schädigungen initiieren onkogene Potentiale. Tatsächlich haben die Muster der untersuchten Enzyme in der stark entzündeten Mukosa bei Colitis Ulcerosa große Ähnlichkeiten mit denen bei Entdifferenzierungsprozessen. Es konnte gezeigt werden, dass der distale Dickdarm der Ratte sowohl histologisch als auch immunhistochemisch mit dem humanen Dickdarm vergleichbar ist und in den Modellen prinzipiell ähnliche Veränderungen auftreten. Die Gabe von RS III resultierte in einer vollständigen Hemmung der Tumorentwicklung im DMH-Modell sowie einer abgeschwächten Entzündungsreaktion und verbesserten Regeneration des Gewebes im TNBS-Modell. Dies ging mit Veränderungen im Verteilungsmuster einzelner Enzyme und Proteine einher. Der Einsatz dieses spezifischen Ballaststoffes als präventiv-therapeutische Option für die entsprechenden Risikogruppen ist in klinischen Studien zu überprüfen.

The aim of this study was the comparative characterization of pathophysiologically relevant changes in the course of malignant transformation of the colorectum and chronic inflammatory bowel disease (IBD) and the verification of these findings in adequate models (DMH tumor model, TNBS colitis model; rat). The models were used to evaluate the preventive and therapeutic effect of oral administration of resistant starch (RS) III � via a high butyrate yield after microbial fermentation. These investigations should serve the preparation of a clinical application of RS III. Changes in the expression pattern of selected proxidative and antioxidative enzymes associated with colorectal cancer and IBD were analyzed grade dependent in morphologically intact and pathologically modified human colorectal tissue. Tissue samples from patients with sporadic colorectal cancer and with familial adenomatous polyposis (FAP) were classified depending on their differentiation grade; samples from patients with IBD depending on their grade of inflammation. A colitis score was developed. Enzyme distribution and its changes were determined by immunohistochemistry in order to consider the complex structure of the large intestinal wall and the cellular and sub- cellular localization. Expression of COX-1, COX-2, iNOS, GI-GPx and 15-LOX-2, but not of 15-LOX-2 was shown in the epithelial cells of normal mucosa. COX-2, iNOS and GI-GPx are expressed in the luminal epithelium in a similar cellular and sub-cellular localization. Upregulation of all 3 enzymes over the entire crypt axis is a very early event in the process of malignant transformation. Lamina propria cells of intact tissue express COX-1, COX-2, iNOS, 15-LOX-1 and 15-LOX-2; all 5 enzymes are strongly upregulated in the course of dedifferentiation. The expression pattern of COX-2, iNOS und GI-GPx differs significantly depending on the primary cause of tumor development. FAP patients have already elevated levels of these enzymes in the luminal epithelium in histologically intact mucosa. Furthermore, 15-LOX-2 was expressed in the epithelial cells in early stages of dedifferentiation in FAP. Chronic oxidative damage initiates oncogenic potential. Indeed, the pattern of the evaluated enzymes in highly inflamed mucosa from patients with ulcerative colitis show strong similarities with processes of malignant progression. The animal studies showed that the distal rat colon is histologically as well as immunohistochemically comparable with the human large intestine and that the used models possess characteristic features. Oral administration of RS III completely inhibited tumor development in the DMH model and resulted in alleviated inflammation and improved regeneration of the tissue in the TNBS model. This was accompanied by changes of the expression pattern of several proteins. These experiments could proof a protective and therapeutic effect of RS III which has to be evaluated for high-risk patients in controlled clinical studies.