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Titel: Nachweis von DNA-Doppelstrangbrüchen bei computertomographischen Untersuchungen - Einfluss von Kontrastmittelgabe
Autor: Pathe, Caroline
Weitere Beteiligte: Heverhagen, Johannes (Prof. Dr. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0448
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0448
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-04485
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): DNA double strand breaks in computed tomography - influence of constrast medium administration

Dokument

Schlagwörter:
dna double strand breaks, contrast medium, Radiologische Diagnostik, γH2AX, Computertomographie, computed tomography, Kontrastmittel, radiology, DNS-Doppelstrangbruch, γH2AX, x ray, Röntgenstrahlung

Zusammenfassung:
Die Computertomographie stellt die Hauptquelle der gegenwärtigen Strahlenexposition der Bevölkerung dar. Nach Bestrahlung sind Doppelstrangbrüche (DSBs) die gravierendsten Läsionen der DNA, da hierbei die genetische Information auf beiden DNA-Strängen unterbrochen wird. Werden Doppelstrangbrüche nicht oder fehlerhaft repariert, kann es zur Entstehung von Mutationen und zur malignen Entartung von Zellen kommen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Induktion und Reparatur von Doppelstrangbrüchen nach Computertomographie in vivo untersucht. Um die Bildgebung zu unterstützen, werden im Rahmen von Computertomographieuntersuchungen häufig Kontrastmittel appliziert. Deren Wirkung auf die Induktion und Reparatur von Doppelstrangbrüchen in vivo wurde im zweiten Teil dieser Arbeit evaluiert. Seit einigen Jahren wird γH2AX als Marker für Doppelstrangbrüche herangezogen. Da allein diese Methode im Bereich von wenigen mGy sensitiv ist, ist sie zur Zeit der Goldstandard für die Detektion von DSBs im Niedrigdosisbereich der Computertomographie. Mit Hilfe eines spezifischen Antikörpers werden die Doppelstrangbrüche mittels Immunfluoreszenzmikroskopie in Form von deutlich sichtbaren Foci dargestellt. Dabei entspricht ein Focus genau einem DSB. Der Verlust von γ-H2AX-Foci in Zellkernen entspricht der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen. 47 Patienten im Alter von durchschnittlich 56,8 ± 17,38 Jahren (Mittelwert ± Standardabweichung) wurde nach einer klinisch indizierten Computertomographieuntersuchung zu definierten Zeitpunkten Blut abgenommen (vor der Computertomographie als Kontrolle zur Bestimmung des „Hintergrundfocuslevels“, 5 min post CT, 1 h, 2 h sowie 24 h nach der CT-Untersuchung). Die Lymphozyten des Blutes wurden isoliert und mittels der γ-H2AX-Methode die Focusanzahl untersucht. Im Vergleich zum direkt vor der CT-Untersuchung ermittelten Hintergrundfocuslevel, welches das permanente Schadenslevel der DNA vor Röntgenstrahlenexposition reflektiert, stieg 5 min nach Computertomographie die Focusanzahl um den Faktor 4,2 an. Dies bestätigt, dass Computertomographieuntersuchungen DNA-Schäden in Form von Doppelstrangbrüchen induzieren und diese mit Hilfe der γ-H2AX-Methode erfolgreich in vivo detektiert werden können. Die ermittelte Focusanzahl entspricht Ergebnissen anderer Studien. Zu den nachfolgenden Untersuchungszeitpunkten zeigte sich ein linearer Rückgang der Focuswerte, welcher der Reparatur der Doppelstrangbrüche entspricht. Um den Effekt von Kontrastmittel auf die DSB-Entstehung und -Reparatur zu prüfen, wurden zwei Patientengruppen gebildet. Gruppe I setzte sich aus den 21 Patienten zusammen, die ausschließlich native CT-Untersuchungen erhalten hatten und wies ein mittleres Alter von 59 ± 18,88 Jahren (Mittelwert ± Standardabweichung) auf. Gruppe II bestand aus den 26 Patienten, die während der Computertomographieuntersuchung Kontrastmittel appliziert bekommen hatten und im Mittel 55,04 ± 15,84 Jahre alt wa-ren (Mittelwert ± Standardabweichung). Bei Kontrastmittelapplikation in Gruppe II zeigte sich im Vergleich zur Nativcomputertomographie von Gruppe I 5 min post CT eine um 29% erhöhte Focusanzahl. Dieses Ergebnis sollte Anlass geben, bei der Einschätzung der Strahlenbelastung durch Computertomographie die Kontrastmittelapplikation zu berücksichtigen, da durch sie vermehrt DNA-Schäden entstehen. Vermutlich ist die Ursache ein gesteigerter Photoeffekt, der durch die hohe Ordungszahl (Z) des im KM enthaltenen Jods verursacht wird. Damit kommt es zu einer vermehrten Bildung von sekundären Radikalionen, die die DNA schädigen. Nach 24 h wiesen beide Gruppen ähnliche residuale Focuswerte auf. Die zusätzlich entstandenen Doppelstrangbrüche bei Kontrastmittelapplikation sind demnach repariert worden. Hervorzuheben sind die großen interindividuellen Unterschiede der Focuszahlen in unserer Patientenstudie, deren Ursachen in zukünftigen Studien untersucht werden sollten. Diese Studie ist eine präliminäre Studie. Um definitive Aussagen v.a. zum Kontrastmitteleffekt treffen zu können, bedarf es einer Folgestudie mit einer größeren Patientenanzahl. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Patientengruppen die gleiche Altersstruktur, das gleiche Geschlecht, die gleichen klinischen Vorerkrankungen, die gleiche CT-Untersuchung mit ähnlichen DLP-Werten und die gleiche verabreichte Kontrastmittelmenge aufweisen. Da bisher nicht bekannt ist, inwiefern die genannten Parameter die Ergebnisse beeinflussen, könnte dies Gegenstand zukünftiger Studien sein.

Summary:
Computed tomography is the main source of present radiation exposure of the population. After radiation, double-strand breaks (DSBs) are the most significant lesion of the DNA because the genetic information is compromised on both DNA-strands. If un- or misrepaired, mutations and malignant degeneration of cells may result. The first part of this work aimed to investigate the induction and repair of double-strand breaks after computed tomography in vivo. To enhance medical imaging, contrast media is frequently applied during the CT scans. The effect these have on the induction and repair of double-strand breaks in vivo is evaluated in the second part of this study. For several years, γH2AX has been used as a marker for detecting DSBs. Since this is the only method that has proven to be sensitive in radiation doses as low as a few mGy, it has become the gold standard for the detection of DSBs in computed tomography´s low dose range. Using a fluorescent antibody specific for γH2AX, double-strand breaks can be visualized as foci. Each focus represents precisely one double-strand break. The loss of γ-H2AX foci in the nucleus reflects the repair of the DNA-double-strand breaks. Blood samples were taken from 47 patients with an average age of 56.8 ± 17.38 years (mean ± standard deviation). All of them underwent a clinically indicated computed tomography at defined points of time (prior as well as 5 min, 1 hr, 2 hrs and 24 hrs af-ter the CT-scan). Lymphocytes were isolated from the blood and the number of foci was quantified by using the γ-H2AX method. In comparison to the background focus level, which was determined by evaluating the blood sample prior to the CT-scan and which reflects the permanent damage of the DNA before the x-ray exposure, the number of foci 5 min after the CT-scan increased by a factor of 4.2. This confirms that CT examinations induce DNA-damage in the form of double-strand breaks and that these can be successfully detected in vivo with the γ-H2AX method. The detected number of foci is consistent with the results of similar studies. The subsequent time points showed a linear decrease of the focus level, reflecting the repair of the induced double-strand breaks. After 24 hrs a residual focus level of 25% remains, which implies that not all of the induced DSBs were repaired. In order to measure the effect of contrast medium on the formation and repair of double-strand breaks, two patient groups were formed. Group I consisted of 21 patients who solely underwent unenhanced CT and were an average age of 59 ± 18.88 years (mean ± standard deviation). Group II was comprised of 26 patients who solely received contrast-enhanced CT and were an average age of 55,04 ± 15,84 years (mean ± standard deviation). 5 min post CT, the contrast-enhanced group II showed an in-crease of 29% in foci levels compared to the unenhanced group I. Since this result suggests that the administration of contrast medium induces additional DNA damage, this should be taken into consideration when estimating the radiation exposure of computed tomography. The greater DNA damage is most likely an effect of an enhanced photoelectric effect due to the high atomic number Z of the iodine in the contrast agent. Thus more secondary radical electrons are generated that damage the DNA. After 24 hrs both groups showed similar residual foci levels. The additional double-strand breaks due to the contrast medium seem to have been repaired. The great interindividual differences in the number of foci between the patients as well as the incomplete repair of the double-strand breaks after 24 hrs have to be emphasized. The cause of the high variance of the DSB numbers and the repair capacity should be explored further as should the period of time the residual double-strand breaks undergo repair, if at all. This study has the character of a preliminary study. In order to draw definite conclusions as to the effect of contrast medium, a follow-up study with a higher number of patients should be initiated. It should take measures to include groups of patients with consistent age structures, sex, pre-existing illnesses, type of CT with similar DLP values and amount of applied contrast medium. And since it is not yet known how the given parameters influence the results, this too could be further investigated.


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