| License: Creative Commons Attribution 4.0 (4MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-525892
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.52589
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 2 January 2024 |
| Referee: | Prof. Dr. Marina Kreutz |
| Date of exam: | 9 May 2022 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Dermatologie und Venerologie Medicine > Lehrstuhl für Innere Medizin III (Hämatologie und Internistische Onkologie) |
| Keywords: | UVA, metabolism, non-malignant, skin cells |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 52589 |
Abstract (English)
UV light has been known to have a plethora of negative effects on human health, ranging from skin tumor initiation to accelerated skin aging (photoaging). From the portion of UV radiation (UVR) reaching the Earth’s surface, 5% are UVB (wavelengths between 280 nm and 315 nm), and the remaining 95% consist of UVA (315-400 nm). Additionally, UVA can be differentiated into short wave UVA2 (315–340 ...
Abstract (English)
UV light has been known to have a plethora of negative effects on human health, ranging from skin tumor initiation to accelerated skin aging (photoaging). From the portion of UV radiation (UVR) reaching the Earth’s surface, 5% are UVB (wavelengths between 280 nm and 315 nm), and the remaining 95% consist of UVA (315-400 nm). Additionally, UVA can be differentiated into short wave UVA2 (315–340 nm) and longwave UVA1 (340–400 nm), with UVA1 making up 75 % of the total UVA irradiation relevant for human health.
Due to the ubiquitous exposure to UVR in our everyday life, extensive studies have been performed on its influence on human health and the molecular ways by which it could inflict damage. UVA is of special research interest since it is not only the largest effective UVR component, but it also penetrates much deeper into the skin, reaching the dermis, and thus has the potential to inflict a plethora of tissue and cellular damage. By generating reactive oxygen species (ROS) such as singlet oxygen, hydrogen peroxide, hydroxyl radical, and superoxide anion, UVA can damage DNA by modifying guanine, which results in the formation of 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG). This can cause G to T transversions, leading to miscoding DNA lesions. Furthermore, ROS can oxidize membrane lipids and proteins, leading to membrane disruption, changes in membrane composition, and misfolded proteins with reduced or aberrant function. On macroscopic levels, UVA can induce matrix metalloproteinase (MMP) expression, remodeling the extracellular matrix and leading to wrinkle-formation, cancer initiation, and increased skin tumor invasiveness. Furthermore, UVA irradiation can result in immune attenuation.
Another recently discovered effect of UVA is its influence on melanoma metabolism, published by Kamenisch et al. in 2016. Their research showed that UVA irradiation increases glucose consumption and lactate production in primary melanoma cells. They further show a connection between increased lactate levels and elevated MMP-expression, leading to enhanced tumor cell invasiveness.
Despite all these studies, our knowledge of the role of UVA in skin metabolism is still lacking, especially in the case of non-malignant skin cells. Since non-malignant skin cells are a major component of tumor stroma and are important drivers of photoaging, it is important to further elucidate the effects UVA exerts on them.
In the course of the current dissertation, the UVA-induced changes in glucose metabolism and the functional relevance of these changes in normal non-malignant cells of the skin were tested. Primary human and murine fibroblasts and keratinocytes, as well as primary human melanocytes, were treated with repetitive physiological doses of UVA radiation (6J/cm2) 3x per day for 4 days. These cells showed a UVA-induced increase in glucose consumption and lactate production compared to untreated controls. Further NMR analysis in human fibroblast showed a plethora of metabolic effects that could be tied down to UVA irradiation, including changes in metabolites crucial for glutathione synthesis (cystine, glutamine, glutamate, pyroglutamate) and changes in the secretion of metabolites that potentially have direct antioxidant functions (pyruvate, acetate, alanine).
In another experimental setup, mouse skin explants were cultured ex vivo in a standard cell culture medium (1mM pyruvate) and irradiated with repetitive UVA doses (6J/cm2 3x per day for 2 days) and metabolic analysis of the resulting supernatant was performed. Comparing the metabolic data of human fibroblasts and murine skin, two very distinct profiles were generated, that still showed similarities in the regulation of cystine.
Since Pyruvate is an essential part of many standard cell culture medium compositions, the interplay between medium pyruvate and UVA irradiation was also tested. The results showed that the absence of pyruvate from the medium, compared to standard 1mM pyruvate formulations, influence glucose, lactate, cysteine, and glutamate.
Observing that pyruvate influences metabolites involved in antioxidant defense mechanisms, and taking into consideration previous publications on the antioxidant capabilities of pyruvate, experiments were conducted to evaluate medium pyruvate (1mM) influence on ROS production and DNA-damage (8-OHdG) . The presence of pyruvate in the medium greatly reduced ROS production in human primary fibroblasts. However, pyruvate had no significant influence on UVA-induced 8-OHdG.
Last but not least, the effect of both UVA and pyruvate on the expression of MMPs and TIMP1 was assessed. UVA irradiation increased the expression of MMP2, MMP15, and TIMP1. The combination treatment of UVA and 0mM pyruvate resulted in increased expression of MMP1 and MMP3.
The data thus far indicate a conserved metabolic response to UVA in in vitro cultures of diverse cell types derived from different species – an increase in glucose consumption and lactate production. It further emphasizes on the importance of optimizing medium conditions, in regard to the presence and levels of pyruvate, in experiments aiming to elucidate cellular antioxidant defense and MMP expression. The combined influence of UVA and pyruvate on cell metabolism and MMP expression also show potential for further studies in the cosmetic applications of pyruvate as a topical antioxidant.
Translation of the abstract (German)
Es ist bekannt, dass UV-Licht eine Vielzahl negativer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat, die von beschleunigter Hautalterung (Photoaging) bis zur Entstehung von Hauttumoren reichen. Von dem Anteil der UV-Strahlung (UVR), der die Erdoberfläche erreicht, sind 5 % UVB (Wellenlängen zwischen 280nm und 315nm), die restlichen 95 % bestehen aus UVA (315-400nm). Zusätzlich kann UVA in ...
Translation of the abstract (German)
Es ist bekannt, dass UV-Licht eine Vielzahl negativer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat, die von beschleunigter Hautalterung (Photoaging) bis zur Entstehung von Hauttumoren reichen. Von dem Anteil der UV-Strahlung (UVR), der die Erdoberfläche erreicht, sind 5 % UVB (Wellenlängen zwischen 280nm und 315nm), die restlichen 95 % bestehen aus UVA (315-400nm). Zusätzlich kann UVA in kurzwelliges UVA2 (315-340nm) und langwelliges UVA1 (340-400nm) unterschieden werden, wobei UVA1 75 % der gesamten für die menschliche Gesundheit relevanten UVA-Strahlung ausmacht.
Da die UV-Strahlung in unserem Alltag allgegenwärtig ist, wurden umfangreiche Studien über ihren Einfluss auf die menschliche Gesundheit und die molekularen Wege, auf denen sie Schäden verursachen kann, durchgeführt. UVA ist von besonderem Forschungsinteresse, da es nicht nur die größte wirksame UVR-Komponente ist, sondern auch viel tiefer in die Haut eindringt, bis in die Dermis, und somit das Potenzial hat, eine Vielzahl von Gewebe- und Zellschäden zu verursachen. Durch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) wie Singulett-Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikale und Superoxidanionen kann UVA die DNA schädigen, indem es Guanin modifiziert, was zur Bildung von 8-Hydroxydeoxyguanosin (8-OHdG) führt. Dies kann G-zu-T-Transversionen verursachen, die zu fehlkodierenden DNA-Läsionen führen. Darüber hinaus können ROS Membranlipide und -proteine oxidieren, was zu Membranstörungen, Veränderungen in der Membranzusammensetzung und fehlgefalteten Proteinen mit eingeschränkter oder abweichender Funktion führt. Auf makroskopischer Ebene kann UVA die Expression von Matrix-Metalloproteinasen (MMP) induzieren, die die extrazelluläre Matrix umgestalten und zu Faltenbildung, Krebsentstehung und erhöhter Invasivität von Hauttumoren führen. Darüber hinaus kann die UVA-Bestrahlung zu einer Schwächung des Immunsystems führen.
Eine weitere kürzlich entdeckte Wirkung von UVA ist ihr Einfluss auf den Melanom-Stoffwechsel, der von Kamenisch et al. 2016 veröffentlicht wurde. In dieser Studie wurde gezeigt, dass UVA-Bestrahlung den Glukoseverbrauch und die Laktatproduktion in primären Melanomzellen erhöht. Außerdem zeigten die Autoren einen Zusammenhang zwischen erhöhten Laktatspiegeln und erhöhter MMP-Expression, was zu einer erhöhten Invasivität der Tumorzellen führt.
Trotz all dieser Studien ist unser Wissen über die Rolle von UVA im Hautstoffwechsel immer noch unzureichend, insbesondere im Fall von nicht bösartigen Hautzellen. Da nicht-maligne Hautzellen ein Hauptbestandteil des Tumorstromas sind und eine Rolle beim Photogaing spielen, ist es wichtig, die Auswirkungen von UVA auf sie weiter zu erforschen.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden die UVA-induzierten Veränderungen des Glukosestoffwechsels und die funktionelle Relevanz dieser Veränderungen in normalen, nicht-malignen Zellen der Haut untersucht. Primäre humane und murine Fibroblasten und Keratinozyten sowie primäre humane Melanozyten wurden mit wiederholten physiologischen Dosen von UVA-Strahlung (6J/cm2) dreimal pro Tag für 4 Tage behandelt. Diese Zellen zeigten einen UVA-induzierten Anstieg des Glukoseverbrauchs und der Laktatproduktion im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. Weitere NMR-Analysen in menschlichen Fibroblasten zeigten eine Vielzahl von metabolischen Effekten, die mit der UVA-Bestrahlung in Verbindung gebracht werden konnten, einschließlich Veränderungen bei Metaboliten, die für die Glutathionsynthese entscheidend sind (Cystin, Glutamin, Glutamat, Pyroglutamat) und Veränderungen bei der Sekretion von Metaboliten, die möglicherweise direkte antioxidative Funktionen haben (Pyruvat, Acetat, Alanin).
In einem anderen Versuchsaufbau wurden Hautexplantate von Mäusen ex vivo in Standard-Zellkulturmedium (1mM Pyruvat) kultiviert und mit wiederholten UVA-Dosen (6J/cm2 3x pro Tag für 2 Tage) bestrahlt und eine Stoffwechselanalyse des resultierenden Überstands durchgeführt. Der Vergleich der Stoffwechseldaten von menschlichen Fibroblasten und Mäusehaut ergab zwei sehr unterschiedliche Profile, die dennoch Ähnlichkeiten in der Zellregulation von Cystin aufwiesen.
Da Pyruvat ein wesentlicher Bestandteil vieler Standard-Zellkulturmedium-Zusammensetzungen ist, wurde auch die Wechselwirkung zwischen Medium-Pyruvat und UVA-Bestrahlung getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Abwesenheit von Pyruvat im Medium im Vergleich zu Standard 1mM-Pyruvat-Formulierungen den Glukose-, Laktat-, Cystein- und Glutamatstoffwechsel beeinflusst.
In Anbetracht der Tatsache, dass Pyruvat Metaboliten beeinflusst, die an antioxidativen Abwehrmechanismen beteiligt sind, und unter Berücksichtigung früherer Veröffentlichungen über die antioxidativen Fähigkeiten von Pyruvat, wurden Experimente durchgeführt, um den Einfluss von Pyruvat (1mM) im Medium auf die ROS-Produktion und DNA-Schäden (8-OHdG) zu bewerten. Die Anwesenheit von Pyruvat im Medium reduzierte die ROS-Produktion in menschlichen primären Fibroblasten erheblich. Pyruvat hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf das UVA-induzierte 8-OHdG.
Darüber hinaus wurde die Wirkung von UVA und Pyruvat auf die Expression von MMPs und TIMP1 untersucht. Die UVA-Bestrahlung erhöhte die Expression von MMP2, MMP15 und TIMP1. Die kombinierte Behandlung mit UVA und 1mM Pyruvat führte zu einer verringerten Expression von MMP1 und MMP3 im Vergleich zur UVA-Behandlung ohne Pyruvat im Medium.
Insgesamt deuten die bisherigen Daten auf eine universelle Stoffwechselreaktion auf UVA in in vitro Kulturen verschiedener Zelltypen aus unterschiedlichen Spezies hin - Anstieg des Glukoseverbrauchs und der Laktatproduktion. Zugleich betont die Arbeit wie wichtig es ist, die Bedingungen des Mediums im Hinblick auf das Vorhandensein und den Gehalt von Pyruvat in Experimenten zu optimieren, die darauf abzielen, den zellulären antioxidativen Schutz und die MMP-Expression zu erforschen. Der kombinierte Einfluss von UVA und Pyruvat auf den Zellstoffwechsel und die MMP-Expression zeigt auch das Potenzial für weitere Studien zur kosmetischen Anwendung von Pyruvat als topisches Antioxidans.
Metadata last modified: 02 Jan 2024 06:58
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