Apoptoseinduktion und Zellzyklusarretierung nach Bestrahlung mit Photonen oder Kohlenstoffionen

In der vorliegenden Arbeit wurde die biologische Wirkung von Kohlenstoffionen im Vergleich zu Photonen in der Bronchialkarzinomzelllinie A549 untersucht. Dabei ging es in erster Linie um die Untersuchung von Apoptoseinduktion und Zellzyklusarrest nach Bestrahlung mit den verschiedenen Strahlenqualit...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
1. Verfasser: Bonifer, Elisabeth Theresa
Beteiligte: Engenhart-Cabillic, Rita (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2013
Radiologie
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0737
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:In der vorliegenden Arbeit wurde die biologische Wirkung von Kohlenstoffionen im Vergleich zu Photonen in der Bronchialkarzinomzelllinie A549 untersucht. Dabei ging es in erster Linie um die Untersuchung von Apoptoseinduktion und Zellzyklusarrest nach Bestrahlung mit den verschiedenen Strahlenqualitäten. Zur Ermittlung der relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) von Kohlenstoffionen gegenüber Photonen wurde ein Koloniebildungstest durch unsere Arbeitsgruppe durchgeführt. Die relative Genexpression der Apoptose- und Zellzyklus-relevanten Gene BAX, BCL2 und BIRC5 bzw. CDKN1A und GADD45A wurde mittels quantitativer Real-Time RT-PCR in Monolayerzellen (Photonen max. 7,5 Gy, 12C max. 4,5 Gy) und in einem Xenograftmodell (Photonen 6 Gy, 12C 2 Gy) untersucht. Zudem wurde über die durchflusszytometrische Messung des DNA-Gehalts die Zellzyklusverteilung nach Bestrahlung untersucht, sowie über ein Annexin V/ PI-Assay die strahleninduzierte Induktion von Apoptose detektiert. Zusammenfassend wurden folgende Ergebnisse ermittelt: · Die relative biologische Wirksamkeit von Kohlenstoffionen (9,8 MeV/u, LET 170keV/μm) im Vergleich zu Photonenstrahlung (6 MV) betrug in Bezug auf das klonogene Überleben in A549-Monolayerzellen im Bereich von 10% Überleben 2,88. · Das pro-apoptotische Gen BAX wurde im Monolayer nach geringeren Dosen Kohlenstoffionenexposition länger und deutlicher heraufreguliert als nach Photonenbestrahlung. · Das anti-apoptotische Gen BIRC5 wurde nach Kohlenstoffionenbestrahlung im Monolayer wesentlich deutlicher herabreguliert (0,18-fach, Photonen: unterschwellig). · Nach Kohlenstoffionenbestrahlung bis 4 Gy war ein höherer Prozentsatz (max. 12%) an strahleninduziert toten Zellen in der Tumorzelllinie A549 zu detektieren als nach Photonenbestrahlung bis 10 Gy (max. 6,7%). · Der am G1/S-Übergang beteiligte Zellzyklusinhibitor CDKN1A wurde im Monolayer nach Photonenexposition bis knapp 4-fach und unter Kohlenstoffionenexposition bis 18-fach hochreguliert. · Das am G2/M-Arrest beteiligte Gen GADD45A wurde im Monolayer nach Photonenexposition kaum induziert, wohingegen nach Kohlenstoffionenbestrahlung eine fast 12-fache Heraufregulierung beobachtet werden konnte. · Exponentiell wachsende Zellen zeigten nach Photonenbestrahlung einen Arrest in der G2/M- und in der G1-Phase. Nach Kohlenstoffionenbestrahlung war dieser Arrest schon bei Bestrahlung mit geringeren physikalischen Dosen deutlich stärker und länger ausgeprägt. · Die Ergebnisse der Genexpressionsanalysen im Xenograftmodell unterschieden sich von den Ergebnissen in Monolayerzellen. Die Expression war nach gleicher physikalischer Dosis Photonenstrahlung im Xenograftmodell teilweise höher als in den Monolayerzellen. Umgekehrt zeigte sich nach Kohlenstoffionenexposition im Xenograftmodell zum Teil eine geringere Expression als in den Monolayerzellen. Es konnte gezeigt werden, dass durch Kohlenstoffionenbestrahlung bei äquivalenter physikalischer Dosis fast dreimal mehr Zellen ihre Teilungsfähigkeit verloren als nach Photonenexposition. Die stärkere Induktion bzw. Suppression Apoptose-relevanter Gene zeigt die stärkere Aktivierung des Apoptosesignalwegs nach Kohlenstoffionenexposition. Auch die über Annexin V morphologisch nachgewiesene Induktion von Apoptose in A549-Zellen war nach Kohlenstoffionenexposition höher als nach Photonen, jedoch insgesamt gering. Somit kann die in dieser Arbeit ermittelte höhere RBW für das zelluläre Überleben nach Kohlenstoffionenbestrahlung nur zu einem kleinen Teil auf der Induktion von Apoptose beruhen. Der stärker und länger ausgeprägte Zellzyklusarrest und die deutlichere Induktion der Zellzyklusinhibitoren nach Kohlenstoffionenexposition lassen sich vermutlich auf die komplexeren Schäden durch Hoch-LET-Strahlung zurückführen, da die Zellen mehr Zeit für deren Reparatur benötigen. Dass die Reparaturkapazität der A549-Zellen nach Kohlenstoffionenexposition häufiger überstiegen wurde, zeigen die Ergebnisse der Apoptosedetektion. Die abweichenden Genexpressionsergebnisse im Xenograftmodell veranschaulichen die wichtige Rolle des Tumormikromilieus für die Reaktionen auf Bestrahlung in vivo. Welche Einflüsse in welcher Form auf die Strahlenantwort nach Hoch-LET-Strahlung in vivo wirken, bleibt in nachfolgenden Arbeiten zu klären. Als weiterführende Untersuchungen wäre außerdem die Analyse von anderen an Apoptose und Zellzyklusprogression beteiligten Genen bzw. deren Expression auf Proteinebene nach Kohlenstoffionenbestrahlung von Interesse.
DOI:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0737