Wirkung schwerer Ionen auf strahlenresistente und strahlensensitive Tumorzellen
Effect of heavy ions upon radioresistant and radiosensitive tumor cells
by Hana Hofman-Hüther
Date of Examination:2001-10-31
Date of issue:2003-03-12
Advisor:Prof. Dr. Rüdiger Hardeland
Referee:Prof. Dr. Rüdiger Hardeland
Referee:Prof. Dr. Hans-Joachim Fritz
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-565
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Description:Dissertation
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Abstract
English
The reasons for the highly variable sensitivity of different cell types and tissues against ionising radiation are still unknown. The increased radiosensitivity was observed at the level of reproductive cell death as well as chromosome aberrations. The radiation-induced cell killing and the induction of structural chromosome aberrations in tumour cells irradiated with carbon ions of different energies (100 MeV/u, 200 MeV/u, 400 MeV/u and extended Bragg peak) in comparison with 200 kV X-rays has been analysed in detail in this work. Moreover, repair proteins (DNA-PKCS, Ku 70 und Ku 86) involved in the DNA-PK-dependent NHEJ repair have been investigated. Two tumour cell lines (WiDr and MCF-7) displaying quite different radiosensitivities after irradiation with X-rays were selected for the experiments. The large difference between the intrinsic radiosensitivities of these cell lines was observed also after irradiation with carbon ions. The radiation-induced cell death in the a nalysed cells was mostly due to clonogenic cell death since irradiation induced only a small fraction of apoptotic cell death (< 12 %). The RBE with respect to clonogenic cell death increased with increasing LET in both tumour cell lines. The frequencies of unstable and stable chromosome aberrations increased with increasing LET as well. After irradiation with carbon ions, a higher proportion of complex exchanges including simple and multiple insertions, was found. The induction of protein clusters (DNA-PKCS, Ku 70 und Ku 86) after irradiation with X-rays as well as with carbon ions was comparable with cluster induction in normal epithelial cells. This results show, that the analysed tumour cells possess a proficient NHEJ repair and thus imply that the different radiosensitivities of the analysed tumour cells must have other reasons. The distribution of the various aberration types and the dose-effect-relations of the analysed chromosome aberrations point towards a crucial role of the domain topology and the chromatin structure of the chromosomes in the radiation reaction of these cell lines. In summary, cellular intrinsic radiosensitivity appears to result from coactions of multiple factors including not only the repair efficiency, but also the distribution and the character of the initial damage as well as the structure and the geometrical distribution of the chromosome domains.
Keywords: heavy ions; carbon ions; survival; chromosome aberrations; irradiation; FISH; LET; RBE
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Die Ursachen unterschiedlicher Strahlensensitivität der Zellen gegenüber ionisierender Strahlung sind bis heute nicht vollständig geklärt. Es ist jedoch bekannt, dass die erhöhte Strahlensensitivität in bezug auf den reproduktiven Zelltod häufig mit einer erhöhten chromosomalen Sensitivität korreliert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb neben der Zellinaktivierung, auch die Induktion von strukturellen Chromosomenaberrationen nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen verschiedener Energien (100 MeV/u, 200 MeV/u, 400 MeV/u und im ausgedehnten Bragg Peak) im Vergleich zur 200 kV-Röntgenstrahlung untersucht. Zusätzlich wurden auch die an der DNA-PK-abhängigen NHEJ-Reparatur beteiligten Proteine (DNA-PKCS, Ku 70 und Ku 86) untersucht. Als Modellsystem wurden zwei etablierte Tumorzelllinien (WiDr und MCF-7) ausgewählt, die eine unterschiedliche intrinsische Strahlensensitivität gegenüber der Röntgenstrahlung haben. Die nach Röntgenstrahlung beobachtete unterschiedliche intrinsische Strahlensensitivität der analysierten Tumorzellen blieb auch nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen für alle biologischen Endpunkte vorhanden. Die RBW für den strahleninduzierten klonogenen Zelltod stieg mit steigendem LET von Kohlenstoffionen bei beiden Tumorzelllinien an. Der strahleninduzierte Zelltod wurde vor allem durch den reproduktiven Zelltod verursacht. Beide Strahlenarten induzierten in den untersuchten Tumorzellen nur selten (< 12 %) den apoptotischen Zelltod. Die Häufigkeiten instabiler als auch stabiler Chromo-somenaberrationen stiegen mit höherem LET an. Nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen wurde außerdem ein hohes Vorkommen von komplexen Aberrationen, vor allem Insertionen, beobachtet. Die Verteilungsmuster der verschiedenen Aberrationstypen und die Dosis-Effekt-Beziehungen der analysierten Chromosomenaberrationen ließen Rückschlüsse auf die Rolle der Chromosomen-Domänentopologie bzw. der Chomatinstruktur für die Strahlenreaktion der unter-suchten Zellen zu. Die Clusterbildung in beiden Tumorzelllinien war sowohl nach Röntgenbestrahlung als auch nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen mit der Clusterbildung in normalen Epithelzellen vergleichbar. Dies deutet daraufhin, dass in den untersuchten Tumorzellen die NHEJ-Reparatur normal verläuft und die Ursachen der unterschiedlichen Strahlensensitivität woanders zu suchen sind. Die intrinsische Strahlensensitivität scheint aus einem Zusammenwirken mehrerer Faktoren zu resultieren. Eine signifikante Rolle spielen dabei neben der Reparatureffizienz auch die Verteilung und die Art des initialen Schadens sowie die Struktur und die geometrische Verteilung der Chromosomen-Domänen.
Schlagwörter: schwere Ionen; Kohlenstoffionen; Überleben; chromosomale Aberrationen; Bestrahlung; FISH; LET; RBW
