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In der nuklearmedizinischen Therapie werden Radiopharmaka meist systemisch verabreicht. Primär werden dafür, wegen der kurzen Reichweite, beta-Strahler eingesetzt. Als Folge davon verteilt sich das Radiopharmakon im Körper, reichert sich in Organen und Zielstrukturen an und bestrahlt somit den Körper intern, im Gegensatz zur externen Bestrahlung bei der Strahlentherapie.
Das Verteilungsmuster der verabreichten Aktivität im Körper wird durch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Radiopharmakons bestimmt. Außerdem sind die Aktivität und die Art der Anreicherung ausschlaggebend für die durch ionisierende Strahlung deponierte Energie im Körper, der Energiedosis.
Gemeinsam haben externe und interne Bestrahlungsverfahren, dass der Patient ionisierender Strahlung ausgesetzt ist, die nicht nur die kranken Zellen zerstört, sondern auch gesunde Zellen schädigen kann. Dies geschieht durch direkte oder indirekte Wechselwirkung der Strahlung mit der DNA, die zur Schädigung der DNA-Struktur führt. Am häufigsten sind dabei Einzelstrangbrüche und Basenschäden. Die Doppelstrangbrüche sind im Vergleich zu Einzelstrangbrüchen und Basenschäden sehr selten aber sehr viel schädlicher für die Zelle, da die Reparatur komplizierter ist. Somit sind diese primär für den Zelltod oder für die Folgen nach fehlerhafter Reparatur verantwortlich.
Eine sehr schnelle Antwort auf strahleninduzierte oder durch andere Stoffe, wie z.B. zytotoxische Substanzen, induzierte Doppelstrangbrüche ist die Phosphorylierung der Histon H2 Variante H2AX, die gamma-H2AX genannt wird. Zusätzlich reichert sich das Protein 53BP1 nach dem Erkennen eines Doppelstrangbruches durch Sensorproteine sofort am Chromatin, das den Doppelstrang umgibt, an. Damit ist 53BP1 ein weiterer Biomarker, der strahleninduzierte Doppelstrangbrüche sehr effektiv nachweisen kann und der auf sehr verlässliche Weise mit gamma-H2AX kolokalisiert. Mittels Immunfluoreszenzfärbung lassen sich gamma-H2AX und 53BP1 als umschriebene „Foci“, im Zellkern mikroskopisch darstellen und zählen. Unter der Annahme, dass ein Focus einem Doppelstrangbruch entspricht, kann die Anzahl der Foci im Zellkern als quantitativer Biomarker für DNA Doppelstrangbrüche und damit für die Strahlenexposition und Strahlenwirkung verwendet werden.
Zudem zeigen Studien der Induktion von gamma-H2AX nach externer Bestrahlung von unterschiedlichen Gewebearten Linearität zwischen der Energiedosis und der Zahl der Foci im Zellkern. Weitere Studien beschäftigen sich mit den Auswirkungen externer Bestrahlung auf Patienten, aber nur wenige mit offenen radioaktiven Substanzen. Ziele dieser Arbeit waren daher:
1. Die Generierung einer bisher noch nicht beschriebenen in-vitro Kalibrierkurve nach interner Bestrahlung von Vollblut mit den in der Therapie eingesetzten beta-Strahlern.
2. Die gleichzeitige Bestimmung der physikalischen Dosis sowie der strahleninduzierten Anzahl der Foci in Lymphozyten, gewonnen aus Blutproben von Patienten nach Radiopeptidtherapie mit Lu-177 und Radioiodtherapie mit I-131.
3. Eine umfassende Beschreibung der Induktion und der Abnahme der Foci in den Lymphozyten aus den Blutproben der Patienten unter Einbeziehung der in-vitro Kalibrierung, um den dosis- und zeitabhängigen Verlauf der Anzahl der strahleninduzierten Foci zu bestimmen.
Für die in-vitro Kalibrierung mit I-131 und Lu-177 wurden bei Probanden Blutproben gewonnen und mit unterschiedlichen Aktivitätskonzentrationen ergänzt. Das Ziel war, eine Energiedosis bis 100mGy zu erhalten. Das Ergebnis war, dass sich die Zahl der strahleninduzierten Foci in Abhängigkeit von der Energiedosis gut durch eine lineare Funktion beschreiben lässt, so wie es auch für die externe Bestrahlung bereits gezeigt wurde.
Die Patientenstudien befassten sich mit dem Zusammenhang zwischen der im Blut deponierten Energiedosis und der Anzahl und dem zeitlichen Verlauf der induzierten Doppelstrangbrüche im peripheren Blut von Patienten unter Peptidrezeptor-Radionuklidtherapie mit Lu-177 DOTATATE/-TOC und Patienten unter Radioiodtherapie mit I-131 bei Ablationstherapien nach Operation eines differenzierten Schilddrüsenkarzinoms.
Die durchschnittliche Anzahl induzierter DSB-Foci zeigte in den frühen Zeitpunkten einen linearen dosisabhängigen Anstieg. In den ersten Stunden nach Therapie stimmten die in-vitro Kalibrierung und die Zahl der strahleninduzierten Foci sowohl für Lu-177 als auch für I-131 für die Patientendaten gut überein.
Die späteren Zeitpunkte werden durch eine Abnahme der Dosisrate und der Foci-Anzahl, bedingt durch Reparatur der DNA-Schäden, charakterisiert. Überstiegen die Blutdosiswerte in der ersten Stunde jedoch 20mGy (nur nach I-131-Gabe beobachtet), dann war die Induktion eines schnellen Reparaturprozesses festzustellen.
Diese experimentellen Ergebnissen und Modellierungen beschreiben erstmalig die Dosisabhängigkeit und den zeitlichen Verlauf der in-vitro und in-vivo DNA-Schadensantwort nach Inkorporation von beta-emittierenden Radionukliden.
DNA double strand break (DSB) formation induced by ionizing radiation exposure is indicated by the DSB biomarkers \(\gamma\)-H2AX and 53BP1. Knowledge about DSB foci formation in-vitro after internal irradiation of whole blood samples with radionuclides in solution will help us to gain detailed insights about dose-response relationships in patients after molecular radiotherapy (MRT). Therefore, we studied the induction of radiation-induced co-localizing \(\gamma\)-H2AX and 53BP1 foci as surrogate markers for DSBs in-vitro, and correlated the obtained foci per cell values with the in-vitro absorbed doses to the blood for the two most frequently used radionuclides in MRT (I-131 and Lu-177). This approach led to an in-vitro calibration curve. Overall, 55 blood samples of three healthy volunteers were analyzed. For each experiment several vials containing a mixture of whole blood and radioactive solutions with different concentrations of isotonic NaCl-diluted radionuclides with known activities were prepared. Leukocytes were recovered by density centrifugation after incubation and constant blending for 1 h at 37°C. After ethanol fixation they were subjected to two-color immunofluorescence staining and the average frequencies of the co-localizing \(\gamma\)-H2AX and 53BP1 foci/nucleus were determined using a fluorescence microscope equipped with a red/green double band pass filter. The exact activity was determined in parallel in each blood sample by calibrated germanium detector measurements. The absorbed dose rates to the blood per nuclear disintegrations occurring in 1 ml of blood were calculated for both isotopes by a Monte Carlo simulation. The measured blood doses in our samples ranged from 6 to 95 mGy. A linear relationship was found between the number of DSB-marking foci/nucleus and the absorbed dose to the blood for both radionuclides studied. There were only minor nuclide-specific intra-and inter-subject deviations.
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.
Background:
Irradiation with α-particles creates densely packed damage tracks along particle trajectories in exposed cells, including complex DNA damage and closely spaced double-strand breaks (DSBs) in hit nuclei. Here, we investigated the correlation of the absorbed dose to the blood and the number of α-induced DNA damage tracks elicited in human blood leukocytes after ex-vivo in-solution exposure with Ra-224. The aim was to compare the data to previously published data on Ra-223 and to investigate differences in DNA damage induction between the two radium isotopes.
Results:
Blood samples from three healthy volunteers were exposed ex-vivo to six different concentrations of Ra-224 dichloride. Absorbed doses to the blood were calculated assuming local energy deposition of all α- and β-particles of the Ra-224 decay chain, ranging from 0 to 127 mGy. γ-H2AX + 53BP1 DNA damage co-staining and analysis was performed on ethanol-fixed leukocytes isolated from the irradiated blood samples. For damage quantification, α-induced DNA damage tracks and small γ-H2AX + 53BP1 DSB foci were enumerated in the exposed leukocytes. 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.
Conclusions:
Our data provide a first estimation of the DNA damage induced by Ra-224 in peripheral blood mononuclear cells. A comparison with our previously published Ra-223 data suggests that there is no difference in the induction of radiation-induced DNA damage between the two radium isotopes due to their similar decay properties.