Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach

niedrigen Strahlendosen

Markus Löbrich

Fachrichtung Biophysik

Medizinische Fakultät

Universität des Saarlandes

100 Gy10 Gy1 Gy100 mGy10 mGy1 mGy100 µGy10 µGy

DSB-Reparatur

DSB

•Ionisierende Strahlung•Chemotherapeutika•Chemikalien

•Freie Radikale•Replikationsvorgänge

•Antikörperbildung•Meiose

Sensoren

Zellzyklusarrest

Effektoren

Zelltod

Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE)

Fra

gmen

tgrö

ße

Str

ahle

nsch

aden

Strahlendosis Reparaturzeit

DNA-Fragmente

-H2AX Immun-Fluoreszenz-Mikroskopie (IFM)

Reparaturzeit

Kontrolle

PP

P Phosphatgruppe am Histon

Primärer Antikörper

Sekundärer Antikörper

Fluorochrom

DSB-Reparatur in menschlichen Zellen

2 Gy 80 Gy

-H2AX Foci repräsentieren DSBs

0

20

40

60

80

0.05 0.25 2 24Incubation time (h)

Foc

i per

cel

l

MRC-5

180BR

0

20

40

60

80

100

0 0.25 2 24Incubation time (h)

% D

SB

s re

mai

ning

MRC-5

180BR

Reparaturzeit [h]Reparaturzeit [h]

Ver

blei

bend

e D

SB

s [%

]

Foc

i pro

Zel

le

Initiale -H2AX Foci und DSBs

-H2AX IFM weist DSBs im mGy-Bereich nach

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Dose (Gy)

DS

Bs

per

cell

H2AX

PFGE

Dosis [Gy]

DS

Bs

pro

Zel

le

1 mGy Probe

primäre humane Hautfibroblasten

Kontrolle

Im mGy-Bereich ist die DSB-Reparatur stark beeinträchtigt

DSB-Reparatur nach niedrigen Dosen

20 mGy

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0,05 0,25 2 24Incubation time (h)

Foc

i per

cel

l

1.2 mGy

0

0,05

0,1

0,05 0,25 2 24Incubation time (h)

5 mGy

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,05 0,25 2 24Incubation time (h)

Foc

i per

cel

l

Foc

i pro

Zel

le

Reparaturzeit [h]

5 mGy20 mGy 1,2 mGy

Unreparierte DSBs nach niedrigen Dosen

Ein DSB in 10 Zellen bleibt unrepariert

Fo

ci p

ro Z

elle

Experiment

Unreparierte DSBs nach täglicher Bestrahlung

Ein DSB in 10 Zellen bleibt unrepariert

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1.2 5 12 10x0.5 10x1.2 10x5

Dose (mGy)

Foc

i per

cel

lohne Reparatur

Dosis [mGy]

Fo

ci p

ro Z

elle

24 h Reparaturnach jeder Fraktion

Bedeutung für die Risikoabschätzung

Ein lineares Modell (LNT)unterschätzt das Risikoniedriger Strahlendosen

DosisR

isik

o

Ein lineares Modell (LNT)überschätzt das Risikoniedriger Strahlendosen

DSBs verschwinden in wachsenden Zellen

1.2 mGy

0

0,05

0,1

0,15

1 4 7 14

Foc

i per

cel

l

1.2 mGy

0

0,05

0,1

0,15

1 7 14

Unreparierte DSBs nach langen Zeiten

Reparaturzeit [Tage]

Fo

ci p

ro Z

elle

ruhende Zellen 1,2 mGy

wachsende Zellen 1,2 mGy

1 4 7 14 1 7 14

Auswirkungen unreparierter DSBs

Apoptose [%]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

% a

popt

otic

ce

llsruhendeZellen

wachsendeZellen

Zellen sterben nach niedrigen Dosen

?

Auswirkungen unreparierter DSBs

Mikrokern-Bildung [%]

0

0,5

1

1,5

2

2,5%

mic

ronu

cle

ate

d ce

llsruhendeZellen

wachsendeZellen

Mikrokern-Bildung nach niedrigen Dosen

?

Chromosomenaberrationen Krebsentstehung

Reparatur

Situation nach hohen Strahlendosen

Situation nach niedrigen Strahlendosen

geschädigte Zellen sterben ungeschädigte Zellen teilen sich

Ein neues Konzept zur Beseitigung von DNA-Schäden

Anwendungen während der Zellteilung

eine bestrahlte Zelle teilt sichmit unreparierten Brüchen

in zwei Tochterzellen

und verliert Teile ihrerChromosomen

Anwendungen für Teilchenstrahlen

Spuren von -Teilchen

in der Nebelkammer in einer Zelle

direkt nach Bestrahlung einen Tag später

vor KM

KM früh

KM spät

292 mGy*cm (120KV, 200mAs/Sl.)

589 mGy*cm (120KV, 200mAs/Sl.)

623 mGy*cm (120KV, 187mAs/Sl.)

Anwendungen in der diagnostischen Radiologie

DSBs nach einer CT-Untersuchung (Thorax)

Biologische Dosimetrie für Röntgenuntersuchungen

Blutentnahme vor CT ex vivo-Bestrahlung

Blutentnahme nach CTin vivo-Bestrahlung

0 5 10 15 20 100 Patient0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Dosis [mGy]

Fo

ci p

ro Z

elle

21 mGy

Fo

ci p

ro Z

elle

Dosis [mGy]

DSBs nach einer CT (Thorax + Abdomen)

Biologische Dosimetrie für Röntgenuntersuchungen

Blutentnahme vor CT ex vivo-Bestrahlung

0 5 20 40 100 Patient0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

Dosis [mGy]

Fo

ci p

ro Z

elle

49 mGy

Blutentnahme nach CTin vivo-Bestrahlung

Fo

ci p

ro Z

elle

Dosis [mGy]

Kontrolle 0,5 h 2,5 h 5 h 24 h0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Fo

ci p

ro Z

elle

Reparatur von DSBs nach CT-Untersuchungen

Reparaturprozesse im Menschen können verfolgt werden

Blutentnahme nach verschiedenen Zeiten

CT

Fo

ci p

ro Z

elle

Kontrolle

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Kontrolle 0,5 h 1 h 2.5 h 5 h 24 h

P1 bei 1353 mGy*cm

P2 bei 1505 mGy*cm

P3 bei 1320 mGy*cm

P4 bei 1331 mGy*cm

P5 bei 1451 mGy*cm

P6 bei 966 mGy*cm

Fo

ci p

ro Z

elle

DSB-Reparatur im Menschen

CT

individuelle CTs für 6 Patienten:

0

0,2

0,4

0,6

0,8

Kontrolle 0,5 h 1 h 2.5 h 5 h 24 h

P1 bei 1000 mGy*cm

P2 bei 1000 mGy*cm

P3 bei 1000 mGy*cm

P4 bei 1000 mGy*cm

P5 bei 1000 mGy*cm

P6 bei 1000 mGy*cm

Fo

ci p

ro Z

elle

DSB-Reparatur im Menschen

Strahlenempfindliche Personen weisen mehr DSBs auf

CT

normiert auf gleiche Dosenindividuelle CTs für 6 Patienten:

Beteiligte Wissenschaftler

Medizinische Fakultät, Universität des Saarlandes

Fachrichtung BiophysikDr. Kai Rothkamm

Dr. Nicole RiefDr. Martin Kühne

Abteilung für RadiodiagnosticProf. Dr. Michael Uder

Abteilung für StrahlentherapieProf. Dr. Christian Rübe

Finanzielle Unterstützung

Bundesministerium für Bildung und Forschung