Induktion und Reparatur von DNA

Induktion und Reparatur von DNADoppelstrangbrüchen nach
niedrigen Strahlendosen
Markus Löbrich
Fachrichtung Biophysik
Medizinische Fakultät
Universität des Saarlandes
10 µGy
100 µGy
1 mGy
10 mGy
100 mGy
1 Gy
10 Gy
100 Gy
•Freie Radikale
•Replikationsvorgänge
•Ionisierende Strahlung
•Chemotherapeutika
•Chemikalien
•Antikörperbildung
•Meiose
DSB
Sensoren
Effektoren
Zelltod
DSB-Reparatur
Zellzyklusarrest
Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE)
DNA-Fragmente
Strahlendosis
Reparaturzeit
g-H2AX Immun-Fluoreszenz-Mikroskopie (IFM)
Fluorochrom
P
Sekundärer Antikörper
P
Primärer Antikörper
P
Phosphatgruppe am Histon
Reparaturzeit
Kontrolle
DSB-Reparatur in menschlichen Zellen
Foci
Foci pro
per Zelle
cell
80
MRC-5
180BR
60
40
20
0
0.05
0.25
2
24
Incubation time[h]
(h)
Reparaturzeit
DSBs [%]
Verbleibende
% DSBs remaining
2 Gy
80 Gy
100
MRC-5
180BR
80
60
40
20
0
0
0.25
2
24
Incubation time [h]
(h)
Reparaturzeit
g-H2AX Foci repräsentieren DSBs
Initiale g-H2AX Foci und DSBs
10000
H2AX
DSBs
cell
properZelle
DSBs
1000
PFGE
100
10
1
0,1
0,01
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Dose [Gy]
(Gy)
Dosis
g-H2AX IFM weist DSBs im mGy-Bereich nach
primäre humane Hautfibroblasten
Kontrolle
1 mGy Probe
DSB-Reparatur nach niedrigen Dosen
20 mGy
0,25
0,6
0,4
0,2
1,2 mGy
5 mGy
1.2 mGy
0,2
Foci per cell
20 mGy
Foci per cell
pro
Foci
Foci
perZelle
cell
0,8
5 mGy
0,15
0,1
0,1
0,05
0,05
0
0
0
0,05 0,25 2
24
Incubation time (h)
0,05 0,25 2
24
Incubation time (h)
0,05 0,25 2
24
Incubation time (h)
Reparaturzeit [h]
Im mGy-Bereich ist die DSB-Reparatur stark beeinträchtigt
Foci pro Zelle
Unreparierte DSBs nach niedrigen Dosen
Experiment
Ein DSB in 10 Zellen bleibt unrepariert
Unreparierte DSBs nach täglicher Bestrahlung
ohne Reparatur
Foci
Focipro
perZelle
cell
0,5
0,4
0,3
24 h Reparatur
nach jeder Fraktion
0,2
0,1
0
1.2
5
12
10x0.5 10x1.2
10x5
Dosis
Dose[mGy]
(mGy)
Ein DSB in 10 Zellen bleibt unrepariert
Ein lineares Modell (LNT)
unterschätzt das Risiko
niedriger Strahlendosen
Ein lineares Modell (LNT)
überschätzt das Risiko
niedriger Strahlendosen
Risiko
Bedeutung für die Risikoabschätzung
Dosis
Unreparierte DSBs nach langen Zeiten
ruhende Zellen
1,2 mGy
1.2 mGy
Foci per cell
Foci
Focipro
per Zelle
cell
0,15
0,1
0,05
0
wachsende Zellen
1,2 mGy
0,15
1.2 mGy
0,1
0,05
0
1
1
4
4
7
7
14
14
1
7
14
1 7 14
Incubation time
(days)
Incubation
time
Reparaturzeit
[Tage]
(days)
DSBs verschwinden in wachsenden Zellen
Auswirkungen unreparierter DSBs
Apoptose [%]
% apoptotic cells
2,5
ruhende
Zellen
wachsende
Zellen
2
1,5
?
1
0,5
0
m
1 . Gy
2
m +1d
G
5 y+
m 1d
G
0 y+
m 1
1 . Gy d
2
m +7d
G
5 y+
m 7d
G
y+
7d
0
Zellen sterben nach niedrigen Dosen
Auswirkungen unreparierter DSBs
% micronucleated cells
Mikrokern-Bildung [%]
2,5
ruhende
Zellen
wachsende
Zellen
2
1,5
?
1
0,5
0
d 1d 1d 7d 7d 7d
1
y+ y+ y+ y+ y+ y+
G G
G G
G
G
m m m m m m
2
2
0
5
0
5
1.
1.
Mikrokern-Bildung nach niedrigen Dosen
Situation nach hohen Strahlendosen
Reparatur
Chromosomenaberrationen
Krebsentstehung
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 sich
mit unreparierten Brüchen
in zwei Tochterzellen
und verliert Teile ihrer
Chromosomen
Anwendungen für Teilchenstrahlen
Spuren von a-Teilchen
in der Nebelkammer
in einer Zelle
direkt nach Bestrahlung
einen Tag später
Anwendungen in der diagnostischen Radiologie
589 mGy*cm (120KV, 200mAs/Sl.)
KM früh
292 mGy*cm (120KV, 200mAs/Sl.)
vor KM
KM spät
623 mGy*cm (120KV, 187mAs/Sl.)
DSBs nach einer CT-Untersuchung (Thorax)
Blutentnahme nach CT
in vivo-Bestrahlung
Blutentnahme vor CT
ex vivo-Bestrahlung
Foci
Foci pro
proZelle
Zelle
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
21 mGy
0.0
0
5
10
15
20
100
Patient
Dosis
[mGy]
Dosis
[mGy]
Biologische Dosimetrie für Röntgenuntersuchungen
DSBs nach einer CT (Thorax + Abdomen)
Blutentnahme vor CT
ex vivo-Bestrahlung
Blutentnahme nach CT
in vivo-Bestrahlung
Foci
Foci pro
proZelle
Zelle
1.00
0.75
0.50
0.25
49 mGy
0.00
0
5
20
40
100
Patient
Dosis
[mGy]
Dosis
[mGy]
Biologische Dosimetrie für Röntgenuntersuchungen
Reparatur von DSBs nach CT-Untersuchungen
Blutentnahme nach verschiedenen Zeiten
0.4
Zelle
Foci
Focipro
pro
Zelle
CT
0.3
0.2
0.1
0.0
Kontrolle
Kontrolle
0,5 h
2,5 h
5h
24 h
Reparaturprozesse im Menschen können verfolgt werden
DSB-Reparatur im Menschen
0,8
individuelle CTs für 6 Patienten:
P1 bei 1353 mGy*cm
P2 bei 1505 mGy*cm
CT
P3 bei 1320 mGy*cm
Foci pro Zelle
0,6
P4 bei 1331 mGy*cm
P5 bei 1451 mGy*cm
P6 bei 966 mGy*cm
0,4
0,2
0
Kontrolle
0,5 h
1h
2.5 h
5h
24 h
DSB-Reparatur im Menschen
0,8
individuelle CTs für 6 Patienten: normiert auf gleiche Dosen
P1 bei 1000 mGy*cm
P2 bei 1000 mGy*cm
CT
P3 bei 1000 mGy*cm
Foci pro Zelle
0,6
P4 bei 1000 mGy*cm
P5 bei 1000 mGy*cm
P6 bei 1000 mGy*cm
0,4
0,2
0
Kontrolle
0,5 h
1h
2.5 h
5h
24 h
Strahlenempfindliche Personen weisen mehr DSBs auf
Beteiligte Wissenschaftler
Medizinische Fakultät, Universität des Saarlandes
Fachrichtung Biophysik
Dr. Kai Rothkamm
Dr. Nicole Rief
Dr. Martin Kühne
Abteilung für Radiodiagnostic
Prof. Dr. Michael Uder
Abteilung für Strahlentherapie
Prof. Dr. Christian Rübe
Finanzielle Unterstützung
Bundesministerium für
Bildung und Forschung