PLoS ONE: mercaptursyrer Afledt af giftstoffer Acrolein og Crotonaldehyd i urinen af ​​cigaret rygere fra Five Etniske grupper med forskellige risici for Lung Cancer

Abstrakt

multietniske Kohorte epidemiologi undersøgelse har tydeligt vist, at sammenlignet med hvide og for samme antal cigaretter røget, afroamerikanere og Native stenplatforme har en højere risiko for lungekræft mens Latinoer og japanske amerikanere har en lavere risiko. Acrolein og crotonaldehyd er to vigtige bestanddele af cigaretrøg, der har veldokumenterede toksiske virkninger og kunne spille en rolle i lungekræft ætiologi. Deres metabolitter i urinen 3-hydroxypropylmercapturic acid (3-HPMA) og 3-hydroxy-1-methylpropylmercapturic acid (HMPMA) henholdsvis er validerede biomarkører for acrolein og crotonaldehyd eksponering. Vi kvantificerede niveauer af 3-HPMA og HMPMA i urinen på mere end 2200 rygere fra disse fem etniske grupper, dels er foretaget en genom bred forening undersøgelse ved hjælp af blodprøver fra disse emner. Efter justering for alder, køn, kreatinin, og den samlede nikotin ækvivalenter, geometriske middel niveauer af 3-HPMA og HMPMA var signifikant forskellige i de fem grupper (P 0,0001). Native hawaiianerne havde den højeste og Latinoer de laveste geometriske gennemsnitlige niveauer af både 3-HPMA og HMPMA. Niveauer af 3-HPMA og HMPMA var 3787 og 2759 pmol /ml urin, henholdsvis i Native stenplatforme og 1720 og 2210 pmol /ml urin i Latinoer. Disse resultater antyder, acrolein og crotonaldehyd kan være involveret i lungekræft ætiologi, og at deres divergerende niveauer delvist kan forklare de forskellige risici for indfødte Hawaii og latino rygere. Ingen stærke signaler var forbundet med 3-HPMA i foreningen brede genom undersøgelse, tyder på, at dannelsen af ​​glutathion konjugat af acrolein er hovedsagelig ikke-enzymatisk, mens den øverste signifikant sammenhæng med HMPMA blev placeret på kromosom 12 nær

TBX3

gen, men dens forhold til HMPMA udskillelse er ikke klart

Henvisning:. Park SL, Carmella SG, Chen M, Patel Y, Stram DO, havål CA, et al. (2015) mercaptursyrer Afledt af giftstoffer Acrolein og Crotonaldehyd i urinen af ​​cigaret rygere fra Five Etniske grupper med forskellige risici for lungekræft. PLoS ONE 10 (6): e0124841. doi: 10,1371 /journal.pone.0124841

Academic Redaktør: Max Costa, New York University School of Medicine, UNITED STATES

Modtaget: Januar 26, 2015; Accepteret: 17 marts 2015; Udgivet: Juni 8, 2015

Copyright: © 2015 Park et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed: Alle data er tilgængelige på NIH dbGaP databasen. The Study Tiltrædelse nummer er phs000220.v1.p1. Eventuelle yderligere anmodninger om oplysninger skal ske til Loic Le Marchand ([email protected]), principal investigator i det multietniske Kohorte studie

Finansiering:. Denne undersøgelse blev støttet af tilskud nr. CA-138.338 og delvist af tilskud nr. CA-14089 fra US National Cancer Institute (https://www.cancer.gov). Massespektrometri blev udført i Analytical Biochemistry Shared ressource af frimurerisk Cancer Center, delvist understøttet af National Cancer Institute Cancer Center Support give no. CA-77598

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Lungekræft er den hyppigste årsag til kræft dødsfald i verden, der er ansvarlig til 1.590.000 dødsfald i 2012, omkring 4400 per dag [1]. Cigaretrygning er årsag til ca. 80% af denne svimlende dødstal i hanner og mindst 50% hos kvinder [2]. En reduktion af forekomsten af ​​cigaretrygning er en gennemprøvet metode til forebyggelse lungekræft; et mål ville være at vende tilbage lungekræft til den kategori af en relativt sjælden sygdom, som det var tidligt i 20

århundrede [3]. Men verden har 1,25 milliarder rygere [4], hvis nikotinafhængighed ivrigt fodret og støttet af tobak virksomheder med massive økonomiske midler, så det ikke ud til, at dette mål vil blive nået i den nærmeste fremtid. I mellemtiden er det vigtigt at forstå faktorer, der dikterer modtagelighed for lungekræft, så alternative forebyggende foranstaltninger kan udtænkes.

En nøgle til en bedre forståelse af lungekræft modtagelighed er forskellige risici blandt rygere i varieret etnisk grupper. Således efterforskere i Multietnisk Kohorte (MEC) undersøgelse viste, at for den samme mængde cigaretter røget, afroamerikanere og Native hawaiianerne var i større risiko for lungekræft end hvide, mens Latinoer og japanske amerikanere var mindre modtagelige [5]. Disse forskelle var tydelige hos mænd og kvinder og for alle histologiske typer af lungekræft. Forskellene i modtagelighed var mest udtalt ved lavere antal cigaretter røget per dag, og blev ikke observeret hos ikke-rygere. Mange undersøgelser, der sammenligner lungekræft risiko mellem specifikke etniske grupper har produceret lignende resultater [6-15].

Vores arbejdshypotese er, at forskelle i optagelse og metabolisme af pulmonale kræftfremkaldende stoffer og giftstoffer i tobaksrøg er ansvarlige, i det mindste delvis, til den observerede variation i risiko lungekræft. Vi udforsker denne hypotese ved at analysere tobaksrøg bestanddele og deres metabolitter i urinen af ​​emner fra de fem etniske grupper nævnt ovenfor i tandem med en forening bred genom undersøgelse (GWAS). I undersøgelser afsluttet indtil videre har vi rapporteret forskelle i nikotin og dets metabolitter samt metabolitter af tobak-specifikke lunge kræftfremkaldende 4- (methylnitrosamino) -1- (3-pyridyl) -1-butanon (NNK) i disse fem etniske grupper og har undersøgt forholdet mellem nikotin metabolitter til GWAS signaler på kromosom 4, specielt varianter i

UGT2B10

[16-18]. I undersøgelsen, der præsenteres her, har vi undersøgt de mulige roller acrolein og crotonaldehyd ved analyse af deres metabolitter 3-hydroxypropyl mercaptursyre (3-HPMA) og 3-hydroxy-1-methylpropylmercapturic syre (HMPMA) henholdsvis i urin [19 , 20]. Strukturer af disse forbindelser er vist i figur 1. 3-HPMA og HMPMA dannes ved konjugering af acrolein og crotonaldehyd henholdsvis med cellulær glutathion, efterfulgt af metabolisme af glutathion-konjugater og udskillelse i urinen.

Både acrolein og crotonaldehyd er intense øjne og luftveje irritationsfremkaldende [21,22]. Konsekvent, inhalationsstudier af acrolein i forsøgsdyr demonstrerer en række forskellige toksiske virkninger, herunder irritation, inflammation, celleproliferation, pladecellekræft metaplasi og andre effekter [21]. De irriterende egenskaber af crotonaldehyd også veletableret [22]. Både acrolein og crotonaldehyd reagerer med DNA til at danne cyklisk 1,

N

2

-deoxyguanosine addukter og relaterede strukturer [23,24]. De cykliske addukter er blevet påvist i lungevæv fra rygere [25,26], og det DNA-bindende mønster af acrolein i

p53

tumorsuppressorgenet ligner mønstret for mutations hotspots i

p53

fundet i lungetumorer fra rygere [27]. Der er debat om den rolle, acrolein i lunge carcinogenese ved cigaretrøg, som der er lidt evidens for sin carcinogenicitet i forsøgsdyr [21,28]. Lokalirriterende og inflammatoriske egenskaber af begge disse a, P-umættede aldehyder, sammen med

p53

data for acrolein, angiver, at de kan spille en rolle i lunge carcinogenese hos rygere. I betragtning af disse kendsgerninger, har vi analyseret HPMA og HMPMA i urinen af ​​selvidentificerede afroamerikanere, Native hawaiianerne, hvide, latinoer, og japanske amerikanere, som alle var regelmæssige cigaretrygere. En GWAS på jagt efter fælles genetiske varianter muligvis prædiktive af 3-HPMA og HMPMA niveauer i disse fag blev også udført.

Materialer og metoder

Emner

Godkendelse til denne undersøgelse , herunder godkendelsesproceduren, blev opnået fra Institutional Review Boards fra University of Minnesota, University of Hawaii, og University of Southern California. Undersøgelsens deltagere forudsat skriftlige samtykke. IRB kodenummer: 0912M75654. Emner deltog i MEC, en prospektiv kohorte undersøgelse undersøger sammenslutningen af ​​genetiske og livsstilsfaktorer med kroniske sygdomme i en befolkning med forskellige etnisk baggrund [29]. Den kohorte består af 215,251 mænd og kvinder i alderen 45 til 75 ved baseline, som tilhører primært følgende fem etniske /racemæssige grupper: Afrikansk amerikanere, Native Hawaiians, hvide, latinoer, og japanske amerikanere. Potentielle deltagere blev identificeret mellem 1993 og 1996 i Hawaii og Californien (hovedsagelig Los Angeles County) gennem vælgerregistreringscentrene lister, kørekort filer, og Health Care Finansiering Administration data. Hver deltager gennemført en selvadministreret spørgeskema, som blev leveret med posten og adspurgt om demografiske, kosten, livsstil og andre eksponering faktorer.

Denne specifikke undersøgelse blev gennemført i en undergruppe af MEC deltagere, der var nuværende rygere og var cancer-fri på tidspunktet for urinopsamling. Således omkring 10 år efter deres indtræden i kohorte, 2393 af denne undergruppe deltog i MEC bio-prøven sub-kohorte og forudsat en blodprøve og en urinprøve første morgen (emner rekrutteret i Californien) eller natten urinprøve (emner rekrutteret i Hawaii), og afsluttede en epidemiologisk spørgeskema, rygning historie spørgeskema og medicin rekord. Den overnight urinprøve blev opsamlet startende fra 17:00 til 09:00 (afhængigt af emnet). Denne prøve omfatter alle urin passeret i løbet af natten og den første morgen urin. Alle urin blev holdt på is indtil forarbejdning. Alikvoter blev efterfølgende opbevaret i en -80 ° C fryser indtil analyse. Overnight eller morgenurin blev anvendt til måling 3-HPMA og HMPMA.

Analyse af 3-HPMA og HMPMA

Dette blev udført ved anvendelse af en 96-brønds højt gennemløb LC-MS /MS fremgangsmåde som beskrevet tidligere [30]. Detektionsgrænser var 4,5 pmol /ml for 3-HPMA og 3,5 pmol /ml for HMPMA. Nøjagtighed var 92% for 3-HPMA og 97% for HMPMA. Inter-dages præcision var 9,1% [variationskoefficient (CV)] for 3-HPMA og 11,0% for HMPMA. Blandt blinde dubletter er blandt prøverne, der var inter-batch CV 18,9% for 3-HPMA og 19,6% for HMPMA mens de intra-batch CV’er var 9,2% og 7,7% for de respektive metabolitter.

Total nikotin ækvivalenter

Total nikotin ækvivalenter, summen af ​​nikotin og dets metabolitter nikotin glucuronid, cotinin, cotinin glucuronid, 3′-hydroxycotinin, 3′-hydroxycotinin glucuronid, og nikotin

N

oxid, blev bestemt som tidligere [16] beskrevne. Disse data er blevet offentliggjort [16], og blev brugt her til statistiske justeringer af 3-HPMA og HMPMA data.

Kreatinin Analyse

Kreatinin blev analyseret ved hjælp af en kolorimetrisk mikroplade assay (CRE34- K01) købt fra Eagle Bioscience (https://stores.eaglebio.com/creatinine-microplate-assay-kit).

statistiske metoder

Til denne analyse blev 2.291 emner bevaret. Disse personer havde total nikotin ækvivalenter 1,27 nmol /ml (4 gange den grænse for kvantificering) [16] og havde enten 3-HPMA eller HMPMA målt. Af de 2.291 forsøgspersoner, ni fag manglede foranstaltninger af 3-HPMA og syv emner manglede foranstaltninger af HMPMA.

Derudover blandt de emner, bevares for denne analyse, 11 deltagere manglede BMI og 42 deltagere havde manglende værdier for cigaretter om dagen (CPD) på tidspunktet for urinopsamling. Brug af Markov Chain Monte Carlo metode og PROC MI erklæring fra SAS v9.2 software (SAS Institute, Cary, NC) [31], blev de manglende værdier for BMI og CPD imputerede. De imputerede værdier var baseret på alder ved kohorte indrejse, race /etnicitet, tid mellem kohorte indrejse og tidspunkt for urinopsamling, BMI ved baseline eller antal CPD ved baseline og rygning varighed (for manglende CPD). Ti datasæt blev skabt for de imputerede manglende værdier og de gennemsnitlige værdier på tværs af alle 10 datasæt blev brugt til at erstatte de manglende foranstaltninger.

For at undersøge sammenhængen mellem tre-HPMA, HMPMA og foranstaltninger af rygning (CPD og total nikotin ækvivalenter), blev Pearson partielle korrelationskoefficienter (r) korrigeret for alder, køn og race /etnicitet og kreatinin niveauer (naturlig log). At sammenligne rang af 3-HPMA og HMPMA niveauer på tværs af race /etnisk oprindelse, blev Wilcoxon Mann-Whitney-test anvendt. Også blev de kovarianteffekter-justerede geometriske middel til 3-HPMA og HMPMA beregnet for hver etnisk /racemæssige gruppe på middelværdien kovariant vektor. Vi brugte to multivariable lineære modeller. Den første korrigeret for følgende prædiktorer: alder på tidspunktet for urinopsamling (kontinuerlig), køn, race, og kreatinin niveauer (naturlige log) og den anden desuden korrigeret for total nikotin ækvivalenter. Vi undersøgte også, om andre faktorer såsom BMI var forbundet med 3-HPMA og HMPMA. Bedre at kunne imødekomme modelantagelser blev 3-HPMA og HMPMA forvandlet ved at tage den naturlige logaritme. For at lette fortolkningen, værdierne præsenteret i tabellerne var back-transformeret som geometriske middel til deres naturlige skala.

GWAS metoder

I alt 2.418 nuværende rygere blev genotypede hjælp af Illumina Human1M- Duo BeadChip (1,199,187 SNP’er), som tidligere beskrevet [17]. Imputering af varianterne indgår i 1000 genomer Project (https://www.1000genomes.org/) blev udført ved hjælp SHAPEIT [32] og IMPUTE2 [33] ved hjælp af en kosmopolitisk henvisning panel (alle grupper inkluderet). Efter imputering med IMPUTE2 brugte vi SNPs med en IMPUTE2 info score på ≥0.30 og mindre allel frekvens (MAF) 1% i nogen MEC etnisk gruppe i vores forening test. For 3-HPMA og HMPMA, i alt 2.211 og 2.213 undersøgelsens deltagere, henholdsvis med komplet genotype og fænotype data, og 11,892,802 SNPs /indels (1.131.426 genotypede og 10.761.376 imputeret) blev inkluderet i analysen. I de genetiske analyser justeret vi for hovedkomponenter, race, køn, alder, kreatinin og total nikotin ækvivalenter, og tvungne kriterier 5×10

-8 for genom bred betydning.

Resultater

Karakteristik af de emner i denne undersøgelse er sammenfattet i tabel 1. Median aldre i de 5 etniske grupper varierede fra 60-64 år, BMI fra 24.4-26.9 kg /m

3, kreatinin 54-89 mg /dl, cigaretter per dag 7,1-20, og de samlede nikotin ækvivalenter fra 27,2 til 44,4 nmol /ml. Mænd omfattede 30,6% af de afrikanske amerikanere, 36,5% af de indfødte stenplatforme, 43,3% af de hvide, 51,5% af latinoer, og 57,1% af de japanske amerikanere. I alle grupper, hanner røget flere cigaretter om dagen end kvinder, og mænd havde højere niveauer af total nikotin ækvivalenter end kvinder i alle fem etniske grupper.

Korrelationer blandt cigaretter om dagen, i alt nikotin ækvivalenter, og niveauer af 3-HPMA og HMPMA er opsummeret i tabel 2. Alle korrelationer var signifikante (p 0,0001). De stærkeste korrelationer var mellem 3-HPMA og HMPMA, r = 0,83-0,86, mens sammenhænge mellem total nikotin ækvivalenter og mercaptursyre niveauer var noget svagere, r = 0,52-0,6. Lignende korrelationskoefficienter blev opnået, når analyseret af etnisk gruppe eller køn, i alle tilfælde signifikant (p 0,0001).

medianer og interkvartile intervaller for niveauer af 3-HPMA og HMPMA, udtrykt som pmol /ml urin, er sammenfattet i tabel 3. for både 3-HPMA og HMPMA, niveauer af disse metabolitter var højeste og ikke signifikant forskellig blandt afroamerikanere, Native hawaiianerne, og hvide, mens Latinoer og japanske amerikanere havde signifikant lavere niveauer. Dataene stratificeret efter køn i S1 tabel. Inden hvert køn blev den samme tendens, når man sammenligner de etniske grupper. De relativt høje værdier på 3-HPMA og HMPMA i Native hawaiianerne var ikke på grund af afvigende værdier, fordi de var tilbage efter fjernelse af bunden og toppen 1% af såvel det samlede nikotin ækvivalenter og mercaptursyre værdier. Vi bemærkede også, at niveauer af både 3-HPMA og HMPMA var signifikant højere hos mænd end hos kvinder i alle etniske grupper (S1 tabel). Når udtrykt pr samlede nikotin ækvivalenter, 3-HPMA niveauer var højest i Native hawaiianerne og japanske amerikanere, og HMPMA var højest i Native hawaiianerne (tabel 3). Når udtrykt pr samlede nikotin ækvivalenter, 3-HPMA og HMPMA niveauer signifikant højere hos mænd end kvinder i alle etniske grupper (p 0,01). Undtagen HMPMA i Latinoer (p = 0,14) (S1 Table)

medianer og interkvartile intervaller for niveauer af 3-HPMA og HMPMA, udtrykt pr mg kreatinin, er opsummeret i tabel 3. niveauer af 3-HPMA og HMPMA var højest i hvide og indfødte stenplatforme, med væsentligt lavere niveauer i afrikanske amerikanere, latinoer , og japanske amerikanere. De lavere niveauer i afroamerikanere når udtrykt på denne måde skyldes de betydeligt højere niveauer af kreatinin i denne gruppe (tabel 1).

Geometriske hjælp af 3-HPMA og HMPMA i de fem etniske grupper er præsenteret i tabel 4. I model 1, er de blevet korrigeret for alder, køn og kreatinin. For både 3-HPMA og HMPMA, de højeste niveauer var i hvide og indfødte stenplatforme, med væsentligt lavere niveauer i afroamerikanere, japansk amerikanere, og Latinoer. De laveste niveauer for begge mercaptursyrer var i Latinoer, og disse var signifikant lavere end i alle andre grupper. Model 2 blev desuden justeret for total nikotin ækvivalenter; resultaterne var de samme som i model 1, bortset fra, at forskellene mellem Latinoer og afroamerikanere ikke længere var signifikant for enten mercaptursyre, og forskellen i 3-HPMA-niveauer i de japanske amerikanere og hvide ikke længere signifikant. Disse resultater er illustreret grafisk i figur 2.

I GWAS analyse af 3-HPMA og HMPMA vi observerede ingen tegn på inflation i teststørrelsen i den samlede multietniske prøve (λ = 1,0 ; S1 og S2 fig), eller i en enkelt etnisk gruppe (0,95 ≤ Å-s ≤ 1,0) for enten fænotype. Der var ingen globalt væsentlige varianter for det samlede resultat for 3-HPMA bruger vores genomisk tærskel af p 5×10

-8 (S2 tabel). De overordnede resultater for HMPMA viste i alt ni globalt væsentlige varianter (p-værdier varierede fra 4.3×10

-8 til 9.7×10

-10) på syv forskellige kromosomer; alle disse SNPs er almindelige i afroamerikanere, to er også almindelig i hvide og to andre i Latinoer (S3 tabel). Den øverste signifikant sammenhæng, rs55922880 (chr12), ligger i nærheden af ​​gen

TBX3

, et gen involveret i koder transkriptionsfaktorer. Tilsammen udgør disse ni varianter forklarer kun 5,4% af variationen i HMPMA samlet, men når observeret af etniske gruppe, de forklarer 15,8% i afroamerikanere, 11,7% i Latinoer fulgt af 2,8% i Native hawaiianerne og 2,1% i Whites med mindst variabilitet forklaret i de japanske amerikanere på 1,4%.

i etnisk specifikke analyser for begge fænotyper der var udbredt spredte foreninger, der ofte var vanskelige at fortolke på grund af meget lave mindre allelfrekvenserne (S4, S5, S6, S7, S8 , S9, S10, S11, S12, S13 Tables). Af de ni overordnede væsentlige varianter for HMPMA, blev kun én (rs7675915) også at være globalt signifikant i etnisk specifik analyse (blandt Latinoer på 2,95 x 10

-8). Men alle de foreninger tendens til at være konsekvent, som de forskellige etniske grupper.

Diskussion

De urinprøver i denne undersøgelse er tidligere analyseret for total nikotin ækvivalenter og total NNAL [16,18 ]. Total nikotin ækvivalenter er en glimrende indikator for nikotin dosis hos rygere [34]. Total NNAL (summen af ​​gratis NNAL og dens glucuronider) korrelerer med samlede nikotin ækvivalenter [18]. Gratis NNAL og NNAL glucuronider er metabolitter af den potente tobak-specifikke lunge kræftfremkaldende NNK [35]. Fri NNAL selv er en kraftfuld lunge kræftfremkaldende [36,37]. I disse undersøgelser median niveauer af total nikotin ækvivalenter og total NNAL, udtrykt pr ml urin, var højest i afroamerikanere, mellemprodukt i Whites, og lavest i japanske amerikanere, og disse forskelle var signifikante [16,18]. Denne ordre af den samlede nikotin ækvivalenter og totale NNAL koncentrationer er i overensstemmelse med den risiko, lungekræft for afroamerikanere (højeste), Whites (mellemliggende), og japanske amerikanere (lavest) [5]. Men dataene for indfødte hawaiianerne og Latinoer i de to undersøgelser ikke afspejlede deres risiko for lungekræft. Native hawaiianerne havde signifikant lavere niveauer af total nikotin ækvivalenter og total NNAL end hvide, udtrykt som medianer per ml urin, og Latinoer havde niveauer på samme måde som Whites [16,18]. Resultaterne af undersøgelsen rapporteret her, i model 2 (tabel 4 og figur 2), viser, at Native hawaiianerne havde de højeste niveauer af acrolein og crotonaldehyd metabolitter 3-HPMA og HMPMA blandt de fem etniske grupper, og disse var statistisk ikke skelnes fra de hvide, og væsentligt højere end de andre grupper. Kollektivt, vores resultater til dato tyder således at acrolein og crotonaldehyd kan spille en vis rolle i den relativt høje lungekræft risiko for Native stenplatforme. Desuden de relativt lave niveauer af 3-HPMA og HMPMA i Latinoer er også i overensstemmelse med deres lavere risiko lungekræft.

Alle mennesker har 3-HPMA og HMPMA i deres urin, fordi acrolein og crotonaldehyd er allestedsnærværende miljø- og kosten vælgere samt at det er produkter af endogent stofskifte. Niveauer af 3-HPMA er typisk omkring 4-10 gange højere i urinen af ​​rygere end ikke-rygere, og de falde hurtigt og betydeligt, når folk holder op med at ryge [19,38-43]. Lignende resultater vedrører HMPMA men er blevet indberettet færre undersøgelser [19,40,41,44]. Cigaret hovedstrømsrøgen typisk indeholder 5-60 ug acrolein pr cigaret, og disse niveauer samt de af nikotin korrelerer med “tjære” i de samme mærker [45]; færre data er tilgængelige for crotonaldehyd. “Mouth niveau eksponering” til acrolein i cigaret rygere, som bestemt i cigaretter med stigende leverancer af acrolein, er stærkt korreleret med 3-HPMA i urinen [46]. Tilsvarende er mund-niveau eksponering for nikotin stærkt korreleret med nikotin ækvivalenter i urinen [46]. Endvidere vores undersøgelse og i en stor population baseret undersøgelse, alt nikotin ækvivalenter i urin korreleret med 3-HPMA i urin [47]. Kollektivt, disse observationer indikerer, at acrolein og nikotin i cigaretrøg samt total nikotin ækvivalenter i urinen er stærke determinanter for 3-HPMA i urinen. De indfødte hawaiianerne i vores undersøgelse synes at repræsentere en undtagelse fra denne generelle som deres samlede nikotin ækvivalenter var betydeligt lavere end for afroamerikanere (p 0,0001) eller hvide (p = 0,0145) [16], men deres 3-HPMA niveauer var så høje som for afroamerikanere og hvide. Dette antyder, at der er en vigtig kilde til acrolein eksponering i Native stenplatforme, enten exogent eller endogent, bortset cigaretrøg, der bidrager til deres relativt høje niveauer af urin 3-HPMA og eventuelt risiko lungekræft. Lignende betragtninger vil formentlig gælde for HMPMA. Vi har ikke data om de typer af cigaretter røget af Native stenplatforme i denne undersøgelse, ligesom vi heller ikke har data på 3-HPMA eller HMPMA i Native Hawaiian ikke-rygere sammenlignet med ikke-rygere fra andre etniske grupper. Sådanne data kan muligvis give yderligere indsigt i deres 3-HPMA niveauer.

Tidligere undersøgelser har klart fastslået tilstedeværelsen af ​​3-HPMA i urinen af ​​alle ikke-rygere, men niveauerne kan være variabel [19]. I en undersøgelse, en ikke-ryger gruppe havde niveauer af 3-HPMA som var mere end 5 gange højere end rapporteret i nogle store undersøgelser af rygere, indikerer vigtige kilder til acrolein eksponering end tobaksrøg, men disse blev ikke identificeret [48 ]. Skovbrande, urbane brande, bil udstødning, mados og andre kilder til ufuldstændig forbrænding, herunder industrielle emissioner er blandt de miljømæssige kilder til acrolein [21,49-51]. Det er også blevet påvist i visse fødevarer og drikkevarer såsom kaffe og te [21] og produceres i kroppen under lipidperoxidation, aminosyremetabolismen, og polyamin metabolisme [52]. Kilder til eksponering for crotonaldehyd ligner dem af acrolein, og der er overbevisende dokumentation fra undersøgelser af DNA-addukter der crotonaldehyd dannes endogent i mennesker [22,53,54].

De toksiske effekter af acrolein, en intenst irriterende stof med en ubehagelig skarp og stikkende lugt, er veldokumenterede [21,49]. Indånding af acrolein forårsager alvorlig respiratorisk distress og en bred vifte af toksiske virkninger hos laboratoriedyr, herunder toksicitet for cilia, deprimeret respirationsfrekvens, vægttab, inflammation, immunsuppression, celleproliferation, og forskellige histopatologiske ændringer i luftvejene [21,49,52 , 55]. Acrolein reagerer let med kritiske proteiner, såsom thioredoxin reduktase i bronkiale epitelceller, hvilket resulterer i dysregulering af cellulær oxidativ balance og beslægtede virkninger [56-58]. Det hæmmer også acetylering af aromatiske aminer og nukleotid excision reparation [59,60]. Karcinogenicitetsundersøgelser af acrolein alene har været ensartet negative [21]. En undersøgelse viste en signifikant øget forekomst af blæretumorer i rotter behandlet ved i.p. injektion med acrolein efterfulgt af kosten uracil [21]. På trods af disse relativt negative carcinogenicitetsdata i forsøgsdyr, som kan være dels en konsekvens af acrolein toksicitet, en mulig rolle af acrolein i cigaretrøg-induceret lungekræft er opstået fra studier af dets samspil med

p53

tumorsuppressorgen som afspejler dem, der findes i lungetumorer fra rygere [27]. Acrolein er kendt for at danne exocyklisk 1,

N

2

-deoxyguanosine addukter i DNA [23]. Den mutagenicitet af disse addukter varierer fra ingen til moderat [24]. Flere undersøgelser har påvist acrolein-DNA-addukter i humane væv eller celler, herunder orale celler, kolon celler, leukocytter, blære slimhinde, og lunge, men der er på nuværende tidspunkt ingen beviser for, at disse addukt er højere i lungerne hos rygere end ikke-rygere [26,61-64]. Kollektivt antyder disse undersøgelser en mulig genotoksisk rolle for acrolein i lungekræft induceret af cigaretrøg, men denne hypotese har mangler. Acrolein kunne også bidrage til lungekræft ætiologi ved at øge betændelse i lungerne [55], hvilket virker som en co-kræftfremkaldende ved at styrke konsekvenserne af DNA-skader ved kræftfremkaldende stoffer i tobaksrøg.

Crotonaldehyd, ligesom acrolein, er en potent irriterende for luftvejene og øjnene. Det vakte præneoplastiske læsioner og en lav forekomst af neoplastiske knuder og hepatocellulært carcinom i rotter ved indgivelse i drikkevandet [65]. Crotonaldehyd former mutagene cyklisk 1,

N

2

-deoxyguanosine addukter i DNA [23,24,66], svarer til dem, der er fremstillet af acrolein, og disse er blevet påvist i human lunge samt andre væv [22,25,53,54].

Formentlig ville inhalation være den relevante eksponeringsvej for de fleste af følgerne diskuteret her, selv om det er muligt, at endogene processer i lungen forbundet med de toksiske virkninger af rygning kan medføre lokal generation af acrolein eller crotonaldehyd. For eksempel oxidation af w -3 fedtsyrer producerer acrolein [67,68]; Det er muligt, at oxidanter i cigaretrøg interagerer med w -3 fedtsyrer i lungen resulterer i lokal dannelse af acrolein. Der kunne også være ikke-genkendte kosten eller endogene kilder til acrolein og crotonaldehyd.

Vi observerede højere niveauer af 3-HPMA og HMPMA i urinen hos mandlige end hos kvindelige rygere, i overensstemmelse med tidligere rapporterede resultater af ca. [47] , men ikke alle undersøgelser af 3-HPMA [48]. Højere niveauer af en række biomarkører, herunder total nikotin ækvivalenter i urinen af ​​mandlige rygere sammenlignet med kvindelige rygere er blevet observeret i flere tidligere undersøgelser, hvilket afspejler forskelle i rygning topografi [47,69-71]. Men i vores undersøgelse, niveauer af 3-HPMA og HMPMA var højere hos mænd end hos kvinder, selv efter korrektion for den samlede nikotin ækvivalenter. I overensstemmelse med ovenstående diskussion, dette tyder på, at der er en anden kilde til acrolein og crotonaldehyd eksponering, der er større hos mænd end hos kvinder.

De relativt lave niveauer af 3-HPMA og HMPMA i Latinoer er også værd at bemærke, da det er i overensstemmelse med deres relativt lav risiko lungekræft, i modsætning til vores tidligere observationer af total nikotin ækvivalenter og total NNAL i denne gruppe, som ikke var signifikant forskellige fra dem i hvide. Men vi også konstatere, at de japanske-amerikanere niveauer af 3-HPMA i Model 2 (tabel 4, figur 2) er statistisk ikke skelnes fra dem af Whites, og dette ikke korrelerer med deres lungekræft risiko.

Vi har ikke oplever en betydelig signal i GWAS i jagten på fælles genetiske varianter forbundet med urin niveauer af 3-HPMA i vores befolkning. Acrolein er kendt for at være en fremragende substrat for GSTP1 med K

cat /K

m værdier på 92-350 mM

-1.s-1, mens GSTM1-1 og GSTA1-1 har mindre katalytisk aktivitet [ ,,,0],72-74]. K

kat /K

M værdier for katalyse af glutathion konjugation af crotonaldehyd af disse enzymer er mindre end 1/10

th dem af acrolein [73,74].

GSTP1

genet, lokaliseret på kromosom 11q13, er en polymorf gen, der koder variantproteiner med moderate aktiviteter for katalyse af acrolein konjugation [74].

GSTP

-null mus har lidt øget blære skader ved behandling med cyclophosphamid, som frigiver acrolein som en metabolit, selv om den samlede udskillelse af 3-HPMA i disse mus var uændret [75]. Baseret på disse data samlet, kunne vi have forventet at se et signal på kromosom 11, især i forbindelse med 3-HPMA, men dette blev ikke observeret. Vi kunne se signifikante varianter forbundet med HMPMA, med den stærkeste association på kromosom 12 (rs 55922880), beliggende nær genet

TBX3

, men forholdet af dette gen til crotonaldehyd stofskifte er ikke klart på nuværende tidspunkt. Samlet set antyder resultaterne, at dannelsen af ​​glutathion konjugater af acrolein og crotonaldehyd, der metaboliseres til urin 3-HPMA og HMPMA er hovedsagelig en ikke-enzymkatalyseret proces. De ikke-katalyserede reaktioner acrolein og crotonaldehyd med glutathion og beslægtede sulfhydrylforbindelser er veletablerede [52,72].

Sammenfattende resultaterne af denne undersøgelse giver nogle spændende nye kundeemner i forhold til den mulige rolle af α , β-umættede giftstoffer acrolein og crotonaldehyd i lungekræft ætiologi hos rygere. 5.0×10

−8).

doi:10.1371/journal.pone.0124841.s015

(JPEG)

Acknowledgments

This