Umfassende Folgeuntersuchungen von Hirntumorpatienten und die Aufarbeitung medizinischer Daten ergaben eine erschreckende Korrelation zwischen niedrigen und moderaten Dosen ionisierender Strahlung und induzierten kognitiven Dysfunktionen. Die besondere Radiosensitivität der adulten Neurogenese innerhalb des adulten Gehirns wird als wichtigster Faktor für die zugrundeliegende Pathogenese angesehen. Adulte Neurogenese bezeichnet die Differenzierung von neuralen Stammzellen zu reifen Neuronen im adulten Gehirn. Die neurale Differenzierung lässt sich in drei Hauptphasen unterteilen: die frühe Vorläufer-phase, die Zellschicksalsspezifikations-phase und die Zellreifungs-phase. Die zelluläre Basis der neuralen Differenzierung bildet ein begrenzter Stammzellpool aus selbsterneuernden neuralen Stammzellen (NSZs). Um den Einfluss niedriger und mittlerer Dosen ionisierender Strahlung (IR) auf die adulte Neurogenese zu untersuchen, unterteilten wir den Differenzierungsprozess in seine dynamischen Subpopulationen, die in den einzelnen Differenzierungsphasen abgebildet sind. Basierend auf aus embryonalen Stammzellen generierten neuralen Stammzellen, haben wir ein 2D-Modellsystem entwickelt und charakterisiert, welches die drei Differenzierungsphasen der adulten Neurogenese abbildet. Im ersten Teil dieser Arbeit haben wir die Differenzierung des J1 NSZ Modellsystems hinsichtlich spezifischer Markerprotein Expression, Morphologie und funktioneller Differenzierungsmarker charakterisiert. Die breite Charakterisierung ergab, dass das J1-Modellsystem jede der drei Differenzierungsphasen, d.h. die frühe Vorläufer-phase, die Zellschicksalsspezifikations-phase und die Zellreifungs-phase der adulten Neurogenese sowohl auf intra- und interzellulärer als auch auf funktioneller Ebene in einer synchronisierten, zeitabhängigen Differenzierung widerspiegelt. Wir nutzten die synchrone Differenzierung des J1-Modellsystems um die einzelnen Differenzierungsphasen zeitlich zu diskriminieren. Im zweiten Teil dieser Arbeit analysierten wir die individuelle Radiosensitivität der einzelnen Differenzierungsphasen, wobei wir niedrige bis moderate Röntgendosen zwischen 0,25 und 2Gy verwendeten, in Bezug auf Strahlentherapie und diagnostische Dosen. Um die individuellen Radiosensitivität von neuralen Stammzellen und den drei Differenzierungsphasen zu bestimmen, wurde die Abnahme der Vitalität der einzelnen Subpopulationen nach Bestrahlung ermittelt. Zuzüglich wurde die individuelle mittlere letale Dosis (LD50) jeder Differenzierungsphase bestimmt. Neurale Stammzellen wie auch jede der drei Differenzierungsphasen, zeigte eine individuelle Radiosensitivität, die sich signifikant von der der anderen Subpopulationen unterscheidet. Die proliferativen Subpopulationen, neurale Stammzellen und frühe Vorläuferzellen zeigten die höchste Radiosensitivität, während Zellen in der letzten Differenzierungsphase, der Zellreifung-phase, die niedrigste Radiosensitivität zeigte. In weiterführenden Analysen untersuchten wir die Mechanismen, die für die strahleninduzierten Reduktionen in den einzelnen Subpopulationen ursächlich sind. Innerhalb der postmitotischen Differenzierungsphasen, der Zellschicksalsspezifikation-phase und der Zellreifungs-phase, ist die strahleninduzierte Apoptose der zugrundeliegende Mechanismus. In den proliferativen Subpopulationen wird die Reduktion der Zellzahl überwiegend durch eine reduzierte Proliferation in neuralen Stammzellen und einer induzierten Apoptose in der frühen Vorläufer-phase verursacht. Zur genaueren Untersuchung der Wirkung von ionisierender Strahlung auf einzelne Differenzierungsphasen wurden die drei definierten Differenzierungsphasen getrennt bestrahlt und auf die charakteristischen Differenzierungseigenschaften der jeweiligen Differenzierungsphase mittels funktioneller, morphologischer und histochemischer Marker analysiert. Frühe Vorläuferzellen, die erste Subpopulation innerhalb der neuralen Differenzierung, sind in der Proliferation beeinträchtigt, aber weder die Migration der überlebenden Zellen noch der Übergang in den postmitotischen Zustand wird durch Niedrigdosisstrahlung beeinflusst. Im nächsten Schritt verfolgten wir die Differenzierung von J1-Zellen, die in der Zellschicksalsspezifikations-phase bestrahlt wurden. Die Zellschicksalsbestimmung der überlebenden Zellpopulation zeigte einen reduzierten Anteil an zukünftigen Neuronen nach ionisierender Strahlung im Vergleich zu unbestrahlten Proben. Die terminale Differenzierungsphase zeigte eine breite Modulation in den phasenspezifischen Eigenschaften, hervorgerufen durch Niedrigdosisstrahlung. Wir konnten Veränderungen in der neuronalen Architektur und einer geringeren Dichte synaptischer Marker in Neuroblasten sowie einer reduzierten Dichte des spannungsabhängigen Kaliumkanals KV1.1 bestimmen. Hinsichtlich der funktionelle Ebene fanden wir eine lang anhaltende Stagnation in der Erregbarkeit der, in der Zellreifungs-phase bestrahlten Kulturen, die sich in reduzierter Feuerrate, verminderter Koordination im Aktivitätsmuster und Verlust in der Spike-Synchronität äußerte. Im letzten Teil dieser Arbeit untersuchten wir, ob die Merkmale der sich selbst erneuernden neuralen Stammzellen ebenfalls durch Strahlung beeinflusst sind. In vorangegangenen Arbeiten ermittelte Dr. Bastian Roth, dass funktionelle Merkmale von J1 NSZs nach Niedrigdosisbestrahlung verändert sind. In weiterführenden Experimenten überprüften wir, ob Niedrigdosisstrahlung zu Veränderungen der morphologischen und immunhistologischen Merkmale innerhalb der J1-NSZ-Population führt. Die Weiterverfolgung der bestrahlten neuralen Stammzellen ergab einen hoch signifikanten Anstieg des Differenzierungsmarkers Doublecortin (DCX) innerhalb der sich selbsterneuernden Population. Durch die Verwendung von K+ Kanalblockern während der Bestrahlung konnten wir die Zunahme der DCX-Zellen nach Niedrigdosisstrahlung hemmen. Zusammenfassend fanden wir, im dritten und vierten Teil dieser Arbeit, strahlungsinduzierte Modulationen in den phasenspezifischen Merkmalen jeder Subpopulation, repräsentiert durch neurale Stammzellen und den drei Differenzierungsphasen.

Abschließend konnten wir, in einer aus ES-generierten neuronalen Stammzelllinie, abhängig von der Differenzierungsphase, mehrere spezifische physiologische und zelluläre Auswirkungen niedriger und moderate Strahlungsdosen während der neuronalen Differenzierung identifizieren.