König, Anke (2016)
Einfluss von naher Infrarotstrahlung in Kombination mit ionisierender Strahlung auf Zellen der Haut.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Sowohl Röntgen als auch Infrarotbestrahlung ist Bestrandteil des therapeutischen Spektrums der Onkologie. Röntgenstrahlung wird hierbei kurativ zur Reduktion malignen Gewebes eingesetzt, nahes Infrarot eher palliativ zur Linderung von Schmerzen und zur Verbesserung der Wundheilung nach einem operativen Eingriff. Darüber hinaus ist der Wellenlängenbereich des nahen Infrarots Teil der natürlichen solaren Strahlung. Im Zuge einer Krebstherapie ist eine kombinierte Applikation der beiden Strahlenarten somit sehr wahrscheinlich. Eine Reihe verschiedener Studien aus den frühen 50er Jahren belegen, dass eine solche Doppelbestrahlung zu einer Destabilisierung der genomischen Integrität in Tradescantia und Drosophila melanogaster führt. 2012 zeigten Heselich et al., dass wassergefiltertes nahes Infrarot (NIR, 0,6-1,4 µm) auch in humanen und murinen Monolayerzellkulturen die röntgeninduzierte Stressantwort maßgeblich verändert. Käme es bei Patienten zu einer solchen Wechselwirkung der beiden Strahlenarten, könnte dies den Behandlungserfolg einer Tumortherapie entscheidend beeinflussen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Arbeit, die Auswirkung der kombinierten Bestrahlung auf Zellen im Gewebeverbund zu untersuchen sowie die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen der Wechselwirkung näher zu charakterisieren. Hierfür wurden, basierend auf Heselich et al., für beide Strahlenqualitäten therapierelevante Bestrahlungsparameter gewählt. Da beide Strahlentypen alle Schichten der Haut durchdringen, wurde für die Untersuchung der Übertragbarkeit ein humanes in vitro Hautmodell (FTSM) etabliert. Die Fähigkeit der integrierten Zellen zur Markierung und Reparatur von röntgeninduzierten DSBs wurde vorab mit Hilfe der 53BP1 Foci Analyse nachgewiesen. Für die Mechanismusaufklärung wurden analog zu Heselich et al. murine NIH/3T3 Fibroblasten sowie humane HaCaT Keratinozyten verwendet. Die Untersuchung der kombiniert bestrahlten FTSM bewies klar, dass eine Vorbestrahlung mit NIR auch in Zellen im Gewebeverbund (FTSM) Auswirkungen auf die röntgeninduzierte Stressantwort hat. So zeigte sich unter anderem ein hemmender Einfluss auf die Anzahl initial markierter DSBs, sowie eine erhöhte Persistenz unreparierter DSBs in den kombiniert bestrahlten FTSM. Des Weiteren wurde ein deutlich inhibitorischer Einfluss der NIR Vorbestrahlung auf die Entstehung röntgeninduzierter Apoptosen im dermalen Teil des FTSM gefunden. Vergleichbar mit Zellen in der Monolayerkultur wirkt NIR auch im FTSM der röntgeninduzierten Hemmung der Proliferation signifikant entgegen. Die Untersuchung des Proliferationsmarkers Ki67 verdeutlicht, dass dieser Effekt nicht mit einer erhöhten Anzahl proliferationsfähiger Zellen zusammenhängt, sondern eine NIR Vorbestrahlung wahrscheinlich zu einer Beschleunigung des Zellzyklus führt. Schwerpunkte der Mechanismusaufklärung waren die verzögerte Reparatur von DSBs, die erhöhte genomische Instabilität sowie der metabolische Zustand der kombiniert bestrahlten Zellen. Im Zusammenhang mit der erhöhten Persistenz von DSBs in kombiniert bestrahlten NIH/3T3 Fibroblasten wurden die Heterochromatin-assoziierten Faktoren H3K9me3, KAP1 und ATM näher untersucht. Die hierbei gefundenen Effekte der vorgeschalteten NIR Bestrahlung lassen den Schluss zu, dass die verzögerte Reparatur von DSBs in kombiniert bestrahlten Zellen mit der Modifikation der Chromatinverteilung einhergeht. Im Zuge von Untersuchungen verschiedener Faktoren, deren Beteiligung an der Entstehung mitotischer Katastrophen beschrieben ist, wurde der Transkriptionsfaktor FOXM1 als möglicher Verursacher für die durch NIR induzierte erhöhte genomische Instabilität gefunden. In den kombiniert bestrahlten Zellen konnte sowohl eine gehemmte Transkription von FOXM1 als auch die einer Reihe FOXM1 nachgeschalteter Gene nachgewiesen werden. Analysen des zellulären Metabolismus zeigten zwar keinen signifikanten Einfluss der kombinierten Bestrahlung auf die Sekundärmetabolite Ca2+ und cAMP, im Hinblick auf den von Heselich et al. beschriebenen Anstieg Reaktiver Sauerstoffspezies konnte jedoch bewiesen werden, dass dieser nicht durch eine Störung der Superoxid Dismutase verursacht wird. Darüber hinaus konnte eine erhöhte Phosphorylierung des NFƙB Inhibitors Iƙbα nachgewiesen werden, was auf eine Aktivierung des redox sensitiven NFƙB Signalweges in den kombiniert bestrahlten Zellen schließen lässt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier nachgewiesene Relevanz der von Heselich et al. gezeigten Effekte in der humanen Gewebekultur bestätigt, dass die unbedachte Bestrahlung von Patienten mit NIR und Röntgenstrahlen ein nicht zu unterschätzendes Risiko birgt. Andererseits könnte die Verschlechterung der DNA Reparaturkapazität, sowie die Herunterregulation von FOXM1 durch die kombinierte Bestrahlung dabei helfen, bestimmte Tumore durch das Vorschalten einer NIR Bestrahlung schneller zu bekämpfen.

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