Bis in die 60er Jahre hinein waren allein Chirurgie und Bestrahlung die einzigen etablierten Therapieoptionen in der Onkologie. Mit der Erkenntnis, dass eine rein lokale Therapie, wie sie die Chirurgie und Bestrahlung darstellt, im Hinblick auf unerkannte Mikrometastasen zur Kuration oftmals nicht ausreicht, erlangte die systemisch verabreichte Chemotherapie eine größere Bedeutung. Erstmals wurden solide Tumore, wie das Mammakarzinom oder das kolorektale Karzinom, adjuvant (postoperativ) mit Chemotherapeutika behandelt. Das Ergebnis waren deutlich höhere Remissions- und Überlebensraten. Neben diesem adjuvanten Therapiekonzept hat sich heute bei einigen Neoplasien auch der neoadjuvante (präoperative) Einsatz einer Chemotherapie etabliert (DeVita und Chu 2008). Neben der Entwicklung neuer und wirkungsvollerer Chemotherapeutika verbesserte sich auch die Krebsprävention in den letzten Jahrzehnten (Lippman und Hawk 2009). Ein besseres Verständnis für die molekularen Mechanismen in der Zelle führte zur Identifizierung zahlreicher Auslöser der Kanzerogenese  hierzu gehört auch oxidativer Stress. Um sich hiervor effektiv zu schützen, entwickelten die Zellen im Laufe der Evolution zahlreiche antioxidative Mechanismen. Von oxidativem Stress spricht man, wenn das Gleichgewicht zwischen Radikalbildung und zellulärer Detoxifikation gestört ist (Sies 1991).

 Bis in die 60er Jahre hinein waren allein Chirurgie und Bestrahlung die einzigen etablierten Therapieoptionen in der Onkologie. Mit der Erkenntnis, dass eine rein lokale Therapie, wie sie die Chirurgie und Bestrahlung darstellt, im Hinblick auf unerkannte Mikrometastasen zur Kuration oftmals nicht ausreicht, erlangte die systemisch verabreichte Chemotherapie eine größere Bedeutung. Erstmals wurden solide Tumore, wie das Mammakarzinom oder das kolorektale Karzinom, adjuvant (postoperativ) mit Chemotherapeutika behandelt. Das Ergebnis waren deutlich höhere Remissions- und Überlebensraten. Neben diesem adjuvanten Therapiekonzept hat sich heute bei einigen Neoplasien auch der neoadjuvante (präoperative) Einsatz einer Chemotherapie etabliert (DeVita und Chu 2008). Neben der Entwicklung neuer und wirkungsvollerer Chemotherapeutika verbesserte sich auch die Krebsprävention in den letzten Jahrzehnten (Lippman und Hawk 2009). Ein besseres Verständnis für die molekularen Mechanismen in der Zelle führte zur Identifizierung zahlreicher Auslöser der Kanzerogenese  hierzu gehört auch oxidativer Stress. Um sich hiervor effektiv zu schützen, entwickelten die Zellen im Laufe der Evolution zahlreiche antioxidative Mechanismen. Von oxidativem Stress spricht man, wenn das Gleichgewicht zwischen Radikalbildung und zellulärer Detoxifikation gestört ist (Sies 1991).

 1.2 Oxidativer Stress Der sauerstoffabhängige Stoffwechsel aerober Organismen führt ständig zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies. Hierbei handelt es sich um so genannte Radikale, die ein ungepaartes Elektron aufweisen. Um zu verstehen, warum im aeroben Stoffwechsel Sauerstoffradikale entstehen, ist es notwendig sich zu vergegenwärtigen, mit welcher elementaren chemischen Reaktion Zellen biologische Energie gewinnen. Bei der so genannten Knallgasreaktion, hierbei handelt es sich um eine starke exotherme Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff (H2 + ½ O2  H2O), werden pro Mol gebildetes Wasser 285,6 kJ Energie frei. Aerobe Organismen nutzen diese Reaktion zur Energiegewinnung, jedoch unter strikt kontrollierten Bedingungen („biologische Knallgasreaktion“). Der beim Abbau energiereicher Verbindungen entstehende Wasserstoff wird mit Hilfe von - 3 - Carriermolekülen, auch Reduktionsäquivalente genannt, in die Mitochondrien transportiert, wo die Elektronen in der inneren Mitochondrienmembran schrittweise auf molekularen Sauerstoff (O2) übertragen werden. Für die Reduktion von 1 Mol Sauerstoff zu Wasser ist die Übertragung von 2 Mol Wasserstoff (H2) bzw. 4 Elektronen (2H2  4H + + 4e - ) notwendig. Geschieht die Übertragung der Elektronen auf molekularen Sauerstoff nicht in diesem stöchiometrischen Verhältnis, so entstehen reaktive Sauerstoffspezies an der Atmungskette (Shigenaga et al. 1994). Bis zu 3 % Sauerstoff werden nicht vollständig zu Wasser reduziert und gelangen als Sauerstoffradikale in das Zytosol (Pohl 2011). führen (Slater et al. 1995).

Bei folgenden pathophysiologischen Situationen wurde eine starke Radikalbildung nachgewiesen: Kanzerogenese (Wiseman und Halliwell 1996; Moriya et al. 2001; Pillai CK und Pillai KS 2002; Hemnani und Parihar 1998) sowie kardiologische und neurologische Erkrankungen (Madamanchi et al. 2005; Nunomura et al. 2007). Bei der amyotrophen Lateralsklerose führt die fehlerhafte Synthese der Superoxiddismutase (Tab. 1.1) zur Schwächung des anti-oxidativen Potentials und damit zu einem vorzeitigen Untergang der Alpha-Motoneuronen und der Betz-Pyramidenzellen im zentralen Nervensystem mit kritischen neurologischen Konsequenzen (Reaume et al. 1996). Oxidativer Stress erfüllt aber auch physiologische Aufgaben im menschlichen Organismus, beispielsweise bei der Immunabwehr durch Makrophagen im Rahmen des „oxidative burst“ (Sies 1991). Benigne Zellen verfügen über eine Vielzahl verschiedener Mechanismen, um reaktive Sauerstoffspezies zu neutralisieren (Sies 1997). In neoplastischen Zellen hingegen ist die antioxidative Abwehr nur schwach ausgebildet (Oberley TD und Oberley LW 1997), weshalb sie anfälliger für oxidativen Stress sind. Die gezielte Induktion von oxidativem Stress in neoplastischen Zellen wäre somit therapeutisch hoch interessant (McCarty et al. 2010). 

Ein prooxidativer Zustand ist dabei über zwei Wege zu erreichen: Durch Verstärkung der Radikalbildung, z.B. durch Störung der mitochondrialen Atmung (Pelicano et al. 2003), oder - 5 - durch Schwächung der antioxidativen Abwehr (Klingelhöffer et al. 2012). Die selektive Hemmung von Superoxiddismutase (Hileman et al. 2001; Shen et al. 2003; Zhou Y et al. 2003) oder Katalase (Iwai et al. 2003; Klingelhöffer et al. 2012) ist von hoher Wirksamkeit; ebenso die selektive Hemmung der Glutathionsynthese (Maeda et al. 2004). In diesem Zusammenhang ist erwähnenswert, dass selbst chemoresistente Neoplasien noch empfindlich gegenüber oxidativem Stress reagieren (Schor et al. 2004). Diese Beobachtung eröffnet möglicherweise neue Ansätze zur Entwicklung effektiver Therapien, um das Problem der Chemoresistenz zu überwinden. Jedoch steht der klinische Nutzen der in diesem Abschnitt aufgezählten experimentellen Ansätze noch aus.

Auch in anderen Bereichen der Medizin sind prooxidativ wirksame Substanzen bereits seit vielen Jahren im Einsatz. Zu nennen sind Medikamente gegen Malaria (Tracy und Webster 1996) sowie einige Antibiotika, wie z.B. das Fluorchinolon Ciprofloxacin (Becerra und Albesa 2002). Eine lesenswerte Zusammenfassung zum therapeutischen Potential von oxidativem Stress wurde im Jahre 2005 publiziert (Tandon et al. 2005). Zu den starken Auslösern von oxidativem Stress zählen die sogenannten Chinone. Hierbei handelt es sich um eine große Gruppe organischer Verbindungen, die als Elektronen- und Protonenüberträger nahezu ubiquitär vorkommen. So befindet sich in der Atmungskette das Ubichinon, im Blut die für die Blutgerinnung sehr wichtigen K-Vitamine (z.B. Menadion) und im Verteidigungssekret des Bombardierkäfers Benzochinone (Eisner et al. 1977; Beheshti und McIntosh 2007). Chinone sind Oxidationsprodukte aromatischer Verbindungen, die Redoxzyklen durchlaufen können.

 Durch Verwendung geeigneter Reduktionsmittel können Semichinonradikale entstehen, die in der Lage sind, Elektronen an passende Elektronenakzeptoren wie beispielsweise molekularen Sauerstoff abzugeben (Abb. 1.3). Das Resultat sind prooxidative Superoxidanionen (Halliwell und Gutteridge 1984). Nur langlebige Semichinonradikale sind stabil genug, um zelltoxisch wirken zu können. Vor allem die beiden Benzochinone 2,5-Dimethoxy1,4-Benzochinone und 2,6-Dimethoxy-1,4-Benzochinone bilden solche stabilen Semichinonradikale mit einer Halbwertszeit von 140 bzw. 195 Sekunden (!) - 7 - (Pethig et al. 1983). Ein geeignetes Reduktionsmittel für Chinone ist Vitamin C bzw. dessen biologisch aktive Form Ascorbinsäure. Diese erfüllt im menschlichen Organismus wichtige Funktionen als Elektronendonor bei RedoxReaktionen oder als Cofaktor für verschiedene Enzyme. Im Gegensatz z.B. zur Ratte können Primaten und somit auch der Mensch Vitamin C nicht synthetisieren; ihnen fehlt das Enzym L-Gulono--lacton-Oxidase. Die dafür zuständige Genregion GLO auf Chromosom 8 mutierte erstmals vor 70 Millionen Jahren und verlor damit seine Funktion (Velázquez und Fernéndez-Mejía 2004). Der Mensch muss somit Vitamin C über die Nahrung aufnehmen, ein Mangel an Ascorbinsäure würde zu Skorbut führen. Hierbei handelt es sich um eine Kollagensynthesestörung, die bis ins 18. Jahrhundert eine der häufigsten Todesursachen auf Seereisen war (Hodges et al. 1971). 

Entdeckt wurde Ascorbinsäure zwischen den Jahren 1928 und 1934 von dem ungarischen Nobelpreisträger Albert Szent-Györgyi (Szent-Györgyi 1938; Svirbely und SzentGyörgyi 1932; Zetterström 2009). Zur gleichen Zeit entdeckte auch der Amerikaner Charles Glen King unabhängig von Szent-Györgyi Vitamin C (King und Waugh 1932). 1.3 FWGE – ein medizinisches Nahrungsergänzungsmittel Besonders reich an 2,6-Dimethoxy-1,4-Benzochinonen und 2-Methoxy-Benzochinonen ist das Naturprodukt und medizinische Nahrungsergänzungsmittel (Medical Nutriment) FWGE . In den letzten Jahrzehnten machte FWGE durch den erfolgreichen supportiven Einsatz bei onkologischen Patienten auf sich aufmerksam. Positive Effekte ließen sich sowohl in vitro als auch in vivo nachweisen (Johanning und Wang-Johanning 2007). FWGE wird durch ein besonderes Fermentierungsverfahren aus Weizenkeimlingen gewonnen, die besonders reich an 2,6-Dimethoxy-1,4-Benzochinonen und 2-MethoxyBenzochinonen sind. Diese sind jedoch glykosidisch gebunden und somit inaktiv. Um Benzochinone aus ihrer glykosidischen Bindung zu lösen, sind Glykosidasen notwendig, die z.B. im Extrakt von Bierhefe (Sacharomyces cerevisiae) vorkommen (Cosgrove et al. 1952; Schmidt S et al. 2011). Im Anschluss an den Fermentierungsprozess wird dem Extrakt das Wasser entzogen und getrocknet. Das wasserlösliche Pulver enthält freie Benzochinone in einer 1.4 Ziele der Arbeit Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war, die zelltoxische Wirkung von FWGE an verschiedenen Tumorzelllinien zu überprüfen.

 Bisher publizierte Daten zu FWGE basieren lediglich auf Untersuchungen an einzelnen Tumorzelllinien. Weizenkeimlinge weisen einen natürlich hohen Gehalt an 2,6-Dimethoxy-1,4- Benzochinonen auf. Diese sind glykosidisch gebunden und somit biologisch inaktiv. In FWGE sind die glykosidischen Bindungen durch ein spezielles Verfahren aufgelöst (s. oben) und die Benzochinone liegen in freier Form vor. Der hohe Gehalt an Benzochinonen wird zwar für den zelltoxischen Effekt von FWGE verantwortlich gemacht, doch wurde dies bisher überraschenderweise nie systematisch untersucht. Deshalb sollte FWGE mit der Reinsubstanz 2,6-Dimethoxy-1,4-Benzochinone (Benzochinone) verglichen werden, um so Rückschlüsse auf die Wirkungsweise von FWGE zu erhalten. Hierzu wurde die Wirkung von FWGE an zwölf malignen Tumorzelllinien überprüft. Wesentliche Untersuchungen zum Wirkmechanismus von FWGE wurden dabei an den vier gastrointestinalen Zelllinien BxPC-3, HT-29, HRT-18 und 23132/87 durchgeführt (Tab. 3.1).

 Im Gegensatz zu den Weizenkeimlingen enthält der Mehlkörper keine Benzochinone. Für den Hauptbestandteil des Weizenmehls, dem Gluten, wurden bisher keine zelltoxischen Untersuchungen durchgeführt. Ein weiterer Bestandteil des Weizenmehls sind Weizenlektine (wheat germ agglutinin); für diese Glykoproteine gibt es Hinweise auf eine zelltoxische Wirkung. Zusätzlich zum FWGE wurden somit auch Weizenmehl, Gluten und Weizenlektine auf ihre zelltoxischen Eigenschaften untersucht. Die Enzyme Superoxiddismutase, Katalase und Glutathion gehören zu den antioxidativ wirksamen biologischen „Systemen“ einer Zelle (Tab. 1.1). Sollte FWGE oxidativen Stress auslösen, dann sollten diese Enzyme bzw. Substanzen der zelltoxischen Wirkung von FWGE entgegen wirken. Sie wurden in dieser Arbeit getestet; ihre Wirkungsweise ist in Abb. 1.5 dargestellt.