@article{SchumannScherthanFranketal.2020,
  author    = {Schumann, Sarah and Scherthan, Harry and Frank, Torsten and Lapa, Constantin and M{\"u}ller, Jessica and Seifert, Simone and Lassmann, Michael and Eberlein, Uta},
  title     = {DNA Damage in Blood Leukocytes of Prostate Cancer Patients Undergoing PET/CT Examinations with [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I\&T},
  series = {Cancers},
  volume    = {12},
  journal   = {Cancers},
  number    = {2},
  issn      = {2072-6694},
  doi       = {10.3390/cancers12020388},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-200585},
  pages     = {388},
  year      = {2020},
  abstract  = {The aim was to investigate the induction and repair of radiation-induced DNA double-strand breaks (DSBs) as a function of the absorbed dose to the blood of patients undergoing PET/CT examinations with [68Ga]Ga-PSMA. Blood samples were collected from 15 patients before and at four time points after [68Ga]Ga-PSMA administration, both before and after the PET/CT scan. Absorbed doses to the blood were calculated. In addition, blood samples with/without contrast agent from five volunteers were irradiated ex vivo by CT while measuring the absorbed dose. Leukocytes were isolated, fixed, and stained for co-localizing γ-H2AX+53BP1 DSB foci that were enumerated manually. In vivo, a significant increase in γ-H2AX+53BP1 foci compared to baseline was observed at all time points after administration, although the absorbed dose to the blood by 68Ga was below 4 mGy. Ex vivo, the increase in radiation-induced foci depended on the absorbed dose and the presence of contrast agent, which could have caused a dose enhancement. The CT-dose contribution for the patients was estimated at about 12 mGy using the ex vivo calibration. The additional number of DSB foci induced by CT, however, was comparable to the one induced by 68Ga. The significantly increased foci numbers after [68Ga]Ga-PSMA administration may suggest a possible low-dose hypersensitivity.},
  language  = {en}
}
@article{SchumannEberleinMuhtadietal.2018,
  author    = {Schumann, Sarah and Eberlein, Uta and Muhtadi, Razan and Lassmann, Michael and Scherthan, Harry},
  title     = {DNA damage in leukocytes after internal ex-vivo irradiation of blood with the α-emitter Ra-223},
  series = {Scientific Reports},
  volume    = {8},
  journal   = {Scientific Reports},
  number    = {2286},
  doi       = {10.1038/s41598-018-20364-7},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-175596},
  year      = {2018},
  abstract  = {Irradiation with high linear energy transfer α-emitters, like the clinically used Ra-223 dichloride, severely damages cells and induces complex DNA damage including closely spaced double-strand breaks (DSBs). As the hematopoietic system is an organ-at-risk for the treatment, knowledge about Ra-223-induced DNA damage in blood leukocytes is highly desirable. Therefore, 36 blood samples from six healthy volunteers were exposed ex-vivo (in solution) to different concentrations of Ra-223. Absorbed doses to the blood were calculated assuming local energy deposition of all α- and β-particles of the decay, ranging from 0 to 142 mGy. γ-H2AX + 53BP1 co-staining and analysis was performed in leukocytes isolated from the irradiated blood samples. For DNA damage quantification, leukocyte samples were screened for occurrence of α-induced DNA damage tracks and small γ-H2AX + 53BP1 DSB foci. This revealed a linear relationship between the frequency of α-induced γ-H2AX damage tracks and the absorbed dose to the blood, while the frequency of small γ-H2AX + 53BP1 DSB foci indicative of β-irradiation was similar to baseline values, being in agreement with a negligible β-contribution (3.7\%) to the total absorbed dose to the blood. Our calibration curve will contribute to the biodosimetry of Ra-223-treated patients and early after incorporation of α-emitters.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schumann2022,
  author    = {Schumann, Sarah},
  title     = {Zeit- und Dosisabh{\"a}ngigkeit von DNA-Sch{\"a}den induziert durch interne Bestrahlung mit unterschiedlichen Radionukliden},
  doi       = {10.25972/OPUS-22390},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-223904},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {In der Nuklearmedizin werden radioaktive Substanzen eingesetzt, um zu therapeutischen Zwecken gezielt b{\"o}sartiges Gewebe zu zerst{\"o}ren oder in diagnostischen Anwendungen Stoffwechselvorg{\"a}nge bildlich darzustellen. Die ionisierende Strahlung der eingesetzten Radionuklide kann jedoch auch DNA-Sch{\"a}den in gesunden Zellen verursachen. DNA-Doppelstrangbr{\"u}che geh{\"o}ren dabei zu den kritischsten L{\"a}sionen, da sie schwer zu reparieren sind und eine fehlerhafte Reparatur zu Mutationen oder zum Zelltod f{\"u}hren kann. W{\"a}hrend Radionuklidtherapien ist daher in Risikoorganen darauf zu achten, dass die deponierte Energie pro Masse, die Energiedosis, bestimmte Werte nicht {\"u}berschreitet. Zu diesen Risikoorganen geh{\"o}rt auch das blutbildende System. Da eine Absch{\"a}tzung der Energiedosis im Knochenmark h{\"a}ufig {\"u}ber die Bestimmung der Energiedosis im Blut als Surrogat erfolgt, ist deren Kenntnis von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wurden daher Berechnungen der Energiedosis im Blut nach interner Bestrahlung durchgef{\"u}hrt und die Ergebnisse mit der Anzahl an strahlungsinduzierten DNA-Doppelstrangbr{\"u}chen in PBMCs korreliert. Zur Quantifizierung der DNA-Sch{\"a}den wurden die Biomarker \(\gamma\)-H2AX und 53BP1 verwendet, die nach Entstehung eines Doppelstrangbruchs um diesen akkumulieren und sich durch Immunfluoreszenzf{\"a}rbung als mikroskopische Foci sichtbar machen und quantifizieren lassen. Dadurch erm{\"o}glicht der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assay einen quantitativen Nachweis strahlungsinduzierter Doppelstrangbr{\"u}che. Somit konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Kenntnisse {\"u}ber die Dosisabh{\"a}ngigkeit von DNA-Sch{\"a}den in PBMCs w{\"a}hrend interner Bestrahlung mit unterschiedlichen Radionukliden sowohl ex vivo als auch in vivo gewonnen werden. Ex-vivo-Untersuchungen haben den Vorteil, dass sie unter gleichbleibenden, gut definierten Bedingungen durchgef{\"u}hrt werden k{\"o}nnen und somit eine Analyse der Induktion von Doppelstrangbr{\"u}chen bei festgelegten Energiedosen und einer konstanten Bestrahlungsdauer erlauben. In dieser Arbeit wurden Blutproben von gesunden Versuchspersonen durch Zugabe von Radionukliden in bestimmten Aktivit{\"a}tskonzentrationen eine Stunde lang intern bestrahlt. F{\"u}r die Bestrahlung wurden die \(\alpha\)-Emitter \(^{223}\)Ra und \(^{224}\)Ra, die \(\beta\)\(^{-}\)-Emitter \(^{177}\)Lu und \(^{90}\)Y, der \(\beta\)\(^{+}\)-Emitter \(^{68}\)Ga und der \(\gamma\)-Emitter \(^{99m}\)Tc verwendet. Der untersuchte Energiedosisbereich lag zwischen 5 mGy und 136 mGy. Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern wurde beobachtet, dass die Anzahl der strahlungsinduzierten \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci (RIF) in den PBMCs linear mit der Energiedosis im Blut ansteigt. Zudem zeigte sich, dass die Induktion der RIF unabh{\"a}ngig vom verwendeten Radionuklid und unabh{\"a}ngig von der Versuchsperson ist. Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\alpha\)-Emittern waren zus{\"a}tzlich zu den nach Expositionen mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern beobachteten kleinen, runden Foci auch \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltende Spuren \(\alpha\)-Spuren) in den Zellkernen erkennbar, welche die Trajektorien der emittierten \(\alpha\)-Teilchen darstellten. Es konnte gezeigt werden, dass die Anzahl dieser \(\alpha\)-Spuren linear mit der Energiedosis im Blut zunimmt und damit ein geeigneter Parameter f{\"u}r die Biodosimetrie nach Expositionen mit \(\alpha\)-emittierenden Radionukliden ist. Auch in vivo wurde die Dosisabh{\"a}ngigkeit der DNA-Doppelstrangbr{\"u}che w{\"a}hrend der internen Bestrahlung durch Radionuklide mit unterschiedlichen Emissionseigenschaften untersucht. Aufgrund der neuen, vielversprechenden Entwicklungen von Radiopharmaka zur Therapie und Diagnostik des Prostatakarzinoms in den letzten Jahren wurden daf{\"u}r Blutproben von Prostatakarzinom-Patienten w{\"a}hrend Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I\&T, w{\"a}hrend PET/CT-Diagnostik mit [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I\&T und w{\"a}hrend Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) untersucht. W{\"a}hrend Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I\&T zeigte sich, dass die Anzahl der RIF in den ersten Stunden nach Therapiebeginn durch eine lineare Anpassungskurve angen{\"a}hert werden kann, die mit der Energiedosis im Blut ansteigt, gefolgt von einem R{\"u}ckgang der RIF zu sp{\"a}teren Zeitpunkten, der durch die DNA-Reparatur erkl{\"a}rt werden kann. Die gesamte Energiedosis im Blut lag im Mittel bei (109 \(\pm\) 28) mGy. Der linear dosisabh{\"a}ngige Anstieg der RIF zu Therapiebeginn gleicht der dosisabh{\"a}ngigen Induktion der RIF ex vivo nach Bestrahlung mit \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden und kann gut mit der entsprechenden Ex-vivo-Kalibrierkurve beschrieben werden. Zu sp{\"a}teren Zeitpunkten (48 h und 96 h nach Verabreichung) konnte in dieser Arbeit eine lineare Korrelation zwischen der Anzahl der noch verbleibenden RIF und der Dosisleistung nachgewiesen werden. Eine signifikante Korrelation der Anzahl der RIF 96 h nach Verabreichung mit dem PSA-Wert deutet zudem darauf hin, dass ein Zusammenhang mit klinischen Parametern besteht. Ein signifikanter Anstieg der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci konnte auch nach Verabreichung von [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I\&T f{\"u}r diagnostische PET/CT-Untersuchungen beobachtet werden, obwohl die Energiedosen im Blut bis zum PET/CT-Scan nur < 3 mGy betrugen. Im Vergleich zur Ex-vivo-Kalibrierkurve war die Steigung der linearen Anpassungskurve in vivo im Bereich < 3 mGy in dieser Studie etwa um ein Zehnfaches h{\"o}her, was auf eine m{\"o}gliche Hypersensitivit{\"a}t im Niedrigdosisbereich hindeuten k{\"o}nnte. Der Beitrag der CT zur Energiedosis im Blut konnte durch Ex-vivo-Experimente auf etwa 12 mGy abgesch{\"a}tzt werden. Auch w{\"a}hrend Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) lagen die berechneten Energiedosen im Blut im Niedrigdosisbereich < 17 mGy. Trotzdem konnten in dieser Studie erstmalig \(\alpha\)-Spuren in vivo nach der Verabreichung eines \(\alpha\)-emittierenden Radionuklids quantifiziert werden, deren Anzahl 3 h und 4 h nach Verabreichung des Radiopharmakons signifikant erh{\"o}ht war. Auch zu sp{\"a}ten Zeitpunkten, bis vier Wochen nach Therapiebeginn, waren noch \(\alpha\)-Spuren nachweisbar, was auf eine unvollst{\"a}ndige Reparatur der komplexen, durch die \(\alpha\)-Teilchen induzierten DNA-Sch{\"a}den hinweisen k{\"o}nnte. Leider erlaubte die geringe Anzahl an Patienten und Datenpunkten keine zuverl{\"a}ssigen Korrelationen mit der Energiedosis oder mit klinischen Parametern. Nachdem in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, dass DNA-Sch{\"a}den nach interner Bestrahlung mit \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden mit Hilfe des \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assays zuverl{\"a}ssig nachgewiesen und anhand der Schadensgeometrie unterschieden werden k{\"o}nnen, w{\"a}re es in Zukunft interessant, DNA-Sch{\"a}den auch nach Bestrahlung mit Radionuklidgemischen zu untersuchen. Dies k{\"o}nnte sowohl im Hinblick auf den Nachweis von Inkorporationen bei Strahlenunf{\"a}llen hilfreich sein als auch zu einem besseren Verst{\"a}ndnis der Effekte bei Behandlungen mit Radionuklidgemischen beitragen, welche vielversprechende M{\"o}glichkeiten f{\"u}r nuklearmedizinische Therapien bieten. Zudem zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass insbesondere im f{\"u}r die Diagnostik relevanten Bereich sehr niedriger Energiedosen < 10 mGy weiterer Forschungsbedarf besteht. Durch die Untersuchung der dosisabh{\"a}ngigen Reparatur der durch interne Bestrahlung induzierten DNA-Sch{\"a}den k{\"o}nnte beispielsweise analysiert werden, ob die Reparaturf{\"a}higkeit im Niedrigdosisbereich eingeschr{\"a}nkt ist. Außerdem w{\"a}re es gerade im Bereich niedriger Dosen von Interesse, zu untersuchen, inwiefern Beobachtungen ex vivo das Verhalten in vivo geeignet repr{\"a}sentieren. Um die erh{\"o}hten statistischen Unsicherheiten im Niedrigdosisbereich zu reduzieren, k{\"o}nnten zuk{\"u}nftig Verbesserungen auf dem Gebiet der automatisierten Auswertung der \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltenden Foci und Spuren hilfreich sein. Weitere Ziele zuk{\"u}nftiger Forschungsvorhaben k{\"o}nnten gezielte Untersuchungen zu Korrelationen zwischen der dosisabh{\"a}ngigen Induktion und Reparatur von DNA-Sch{\"a}den und klinischen Parametern sowie die Analyse von DNA-Sch{\"a}den w{\"a}hrend mehrerer Therapiezyklen darstellen. In Zusammenhang mit der Analyse klinischer Parameter w{\"a}re es denkbar, dass biodosimetrische Auswertungen zuk{\"u}nftig auch zur personalisierten Therapieplanung oder auch zur Vorhersage des Therapieerfolgs dienen und somit langfristig zu einer Optimierung nuklearmedizinischer Therapien beitragen k{\"o}nnten.},
  subject      = {Nuklearmedizin},
  language  = {de}
}
@article{ScherthanLeeMausetal.2019,
  author    = {Scherthan, Harry and Lee, Jin-Ho and Maus, Emanuel and Schumann, Sarah and Muhtadi, Razan and Chojowski, Robert and Port, Matthias and Lassmann, Michael and Bestvater, Felix and Hausmann, Michael},
  title     = {Nanostructure of clustered DNA damage in leukocytes after in-solution irradiation with the alpha emitter Ra-223},
  series = {Cancers},
  volume    = {11},
  journal   = {Cancers},
  number    = {12},
  issn      = {2072-6694},
  doi       = {10.3390/cancers11121877},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-193038},
  year      = {2019},
  abstract  = {Background: Cancer patients are increasingly treated with alpha-particle-emitting radiopharmaceuticals. At the subcellular level, alpha particles induce densely spaced ionizations and molecular damage. Induction of DNA lesions, especially clustered DNA double-strand breaks (DSBs), threatens a cell's survival. Currently, it is under debate to what extent the spatial topology of the damaged chromatin regions and the repair protein arrangements are contributing. Methods: Super-resolution light microscopy (SMLM) in combination with cluster analysis of single molecule signal-point density regions of DSB repair markers was applied to investigate the nano-structure of DNA damage foci tracks of Ra-223 in-solution irradiated leukocytes. Results: Alpha-damaged chromatin tracks were efficiently outlined by γ-H2AX that formed large (super) foci composed of numerous 60-80 nm-sized nano-foci. Alpha damage tracks contained 60-70\% of all γ-H2AX point signals in a nucleus, while less than 30\% of 53BP1, MRE11 or p-ATM signals were located inside γ-H2AX damage tracks. MRE11 and p-ATM protein fluorescent tags formed focal nano-clusters of about 20 nm peak size. There were, on average, 12 (±9) MRE11 nanoclusters in a typical γ-H2AX-marked alpha track, suggesting a minimal number of MRE11-processed DSBs per track. Our SMLM data suggest regularly arranged nano-structures during DNA repair in the damaged chromatin domain.},
  language  = {en}
}
@article{GoeringSchumannMuelleretal.2022,
  author    = {G{\"o}ring, Lukas and Schumann, Sarah and M{\"u}ller, Jessica and Buck, Andreas K. and Port, Matthias and Lassmann, Michael and Scherthan, Harry and Eberlein, Uta},
  title     = {Repair of a-particle-induced DNA damage in peripheral blood mononuclear cells after internal ex vivo irradiation with \(^{223}\)Ra},
  series = {European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging},
  volume    = {49},
  journal   = {European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging},
  number    = {12},
  doi       = {10.1007/s00259-022-05860-3},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-324557},
  pages     = {3981-3988},
  year      = {2022},
  abstract  = {Purpose As α-emitters for radiopharmaceutical therapies are administered systemically by intravenous injection, blood will be irradiated by α-particles that induce clustered DNA double-strand breaks (DSBs). Here, we investigated the induction and repair of DSB damage in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) as a function of the absorbed dose to the blood following internal ex vivo irradiation with [\(^{223}\)Ra]RaCl2. Methods Blood samples of ten volunteers were irradiated by adding [\(^{223}\)Ra]RaCl2 solution with different activity concentrations resulting in absorbed doses to the blood of 3 mGy, 25 mGy, 50 mGy and 100 mGy. PBMCs were isolated, divided in three parts and either fixed directly (d-samples) or after 4 h or 24 h culture. After immunostaining, the induced γ-H2AX α-tracks were counted. The time-dependent decrease in α-track frequency was described with a model assuming a repair rate R and a fraction of non-repairable damage Q. Results For 25 mGy, 50 mGy and 100 mGy, the numbers of α-tracks were significantly increased compared to baseline at all time points. Compared to the corresponding d-samples, the α-track frequency decreased significantly after 4 h and after 24 h. The repair rates R were (0.24 ± 0.05) h-1 for 25 mGy, (0.16 ± 0.04) h-1 for 50 mGy and (0.13 ± 0.02) h-1 for 100 mGy, suggesting faster repair at lower absorbed doses, while Q-values were similar. Conclusion The results obtained suggest that induction and repair of the DSB damage depend on the absorbed dose to the blood. Repair rates were similar to what has been observed for irradiation with low linear energy transfer.},
  language  = {en}
}