Gene expression profiling of lung cancer cells irradiated by carbon ion and X-rays

Das Lungenkarzinom ist die häufigste tödliche Krebserkrankung des Mannes und die dritthäufigste tödliche Krebserkrankung der Frau in Deutschland. Die Strahlentherapie spielt eine wichtige Rolle in der multimodalen Behandlung vom Lungenkarzinom. Aufgrund der hervorragenden Dosisverteilung und der höheren relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) im Tumor zeigt die Schwerionentherapie mit Kohlenstoff vielversprechende klinische Ergebnisse bei unterschiedlichen Karzinomen. Die genetischen Unterschiede der Strahlenreaktionen im Krebsgewebe nach intensiver Ionenbestrahlung und konventioneller Photonenbestrahlung sind aber bis heute nicht vollständig geklärt. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb die Expressionsprofilen humaner A549 Lungenkarzinomzellen nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen und Röntgenstrahlen mittels eines cDNA Microarrays mit 11.800 menschlichen Genen verglichen und differentiell exprimierten Gene identifiziert. Mit quantitativer Real-Time PCR (qRT-PCR) wurden die Veränderungen der ausgewählten differentiell exprimierten Kandidatengene analysiert. Die A549 Lungenkarzinomzellen wurden mit Kohlenstoffionen (9,8 MeV/nucleon) und Röntgen (250 kV) bestrahlt. Die biologischen Äquivalentdosen der Kohlenstoffionen und Röntgenstrahlen wurden mit dem klonogenen Überleben-Assay bestimmt. Im Vergleich zur unbestrahlten Kontrolle zeigte die Mikroarray-Analyse signifikante Veränderungen der Expression von 49 Genen (mindestens 2-fach) nach Bestrahlung mit Kohlenstoff. Davon waren 29 Gene und 20 Gene hoch- und runterreguliert. Anhand der Analyse der Expressionsprofile konnten 326 differentiell exprimierten Gene zwischen Bestrahlung mit Kohlenstoffionen und Röntgenstahlen mit den biologischen Äquivalentdosen identifiziert werden. Im Vergleich zur Röntgenstrahlung waren 169 bzw. 157 Gene nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen signifikanter hoch- und runterreguliert. Die genetische Netzwerk und funktionelle Klassifizierungen der 49 differentiell exprimierten Gene zwischen Kohlenstoffionenstrahlung und unbestrahlter Kontrolle zeigten vier fusionierten Netzwerke, welche in der Regulation des Zellzykluses, des Zelltods, und des Zellsignalwegs beteiligt sind. Weitere funktionelle Analyse der hochregulierten Gene zwischen Kohlenstoffionen und Röntgenstahlen zeigte drei wichtige funktionelle Netzwerke, welche an der Regulation der zellulären Proliferation, des Zellzykluses und der Oxidation beteiligt sind. Die Analyse der runterregulierten Gene zeigte drei wichtige molekulare funktionelle Netzwerke in der Regulation der zellulären Funktion and der Erhaltung des Karzinoms, des Zellzykluses mit der DNA-Reparatur und der posttranskriptionellen Modifizierung. Zur Bestätigung der Mikroarraydaten wurde die Expression der 8 ausgewählten differentiell exprimierten Kandidatengene, welche an der Regulation des Zellzykluses, der DNA-Schädigung und der Transkription beteiligt sind, durch qRT-PCR analysiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuteten darauf hin, dass beide Strahlenqualitäten mit biologischen Äquivalentdosen signifikante unterschiedliche Genexpressionen induzieren und dadurch die unterschiedlichen Wirkungen auf der Regulation der Signaltransduktionswege beeinflussen konnten. Die differentiell expremierten Gene sind an der Regulation der Zellzyklen, DNA-Reparatur und der Oxidierung beteiligt. Die Identifizierung der differentiell exprimierten Gene in der vorliegenden Arbeit kann zum Verständnis der komplizierten molekularen Reaktionen auf Bestrahlung mit Kohlenstoffionen hinzufügen und wertvolle Ressource sowohl für experimentelle als auch für klinische Anwendung der Schwerionentherapie von Lungenkarzinom zur Verfügung stehen.