Induktion und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen nach
niedrigen Strahlendosen
Markus Löbrich
Fachrichtung Biophysik
Medizinische Fakultät
Universität des Saarlandes
100 Gy10 Gy1 Gy100 mGy10 mGy1 mGy100 µGy10 µGy
DSB-Reparatur
DSB
•Ionisierende Strahlung•Chemotherapeutika•Chemikalien
•Freie Radikale•Replikationsvorgänge
•Antikörperbildung•Meiose
Sensoren
Zellzyklusarrest
Effektoren
Zelltod
Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE)
Fra
gmen
tgrö
ße
Str
ahle
nsch
aden
Strahlendosis Reparaturzeit
DNA-Fragmente
-H2AX Immun-Fluoreszenz-Mikroskopie (IFM)
Reparaturzeit
Kontrolle
PP
P Phosphatgruppe am Histon
Primärer Antikörper
Sekundärer Antikörper
Fluorochrom
DSB-Reparatur in menschlichen Zellen
2 Gy 80 Gy
-H2AX Foci repräsentieren DSBs
0
20
40
60
80
0.05 0.25 2 24Incubation time (h)
Foc
i per
cel
l
MRC-5
180BR
0
20
40
60
80
100
0 0.25 2 24Incubation time (h)
% D
SB
s re
mai
ning
MRC-5
180BR
Reparaturzeit [h]Reparaturzeit [h]
Ver
blei
bend
e D
SB
s [%
]
Foc
i pro
Zel
le
Initiale -H2AX Foci und DSBs
-H2AX IFM weist DSBs im mGy-Bereich nach
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
0,001 0,01 0,1 1 10 100
Dose (Gy)
DS
Bs
per
cell
H2AX
PFGE
Dosis [Gy]
DS
Bs
pro
Zel
le
1 mGy Probe
primäre humane Hautfibroblasten
Kontrolle
Im mGy-Bereich ist die DSB-Reparatur stark beeinträchtigt
DSB-Reparatur nach niedrigen Dosen
20 mGy
0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,05 0,25 2 24Incubation time (h)
Foc
i per
cel
l
1.2 mGy
0
0,05
0,1
0,05 0,25 2 24Incubation time (h)
5 mGy
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,05 0,25 2 24Incubation time (h)
Foc
i per
cel
l
Foc
i pro
Zel
le
Reparaturzeit [h]
5 mGy20 mGy 1,2 mGy
Unreparierte DSBs nach niedrigen Dosen
Ein DSB in 10 Zellen bleibt unrepariert
Fo
ci p
ro Z
elle
Experiment
Unreparierte DSBs nach täglicher Bestrahlung
Ein DSB in 10 Zellen bleibt unrepariert
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1.2 5 12 10x0.5 10x1.2 10x5
Dose (mGy)
Foc
i per
cel
lohne Reparatur
Dosis [mGy]
Fo
ci p
ro Z
elle
24 h Reparaturnach jeder Fraktion
Bedeutung für die Risikoabschätzung
Ein lineares Modell (LNT)unterschätzt das Risikoniedriger Strahlendosen
DosisR
isik
o
Ein lineares Modell (LNT)überschätzt das Risikoniedriger Strahlendosen
DSBs verschwinden in wachsenden Zellen
1.2 mGy
0
0,05
0,1
0,15
1 4 7 14
Foc
i per
cel
l
1.2 mGy
0
0,05
0,1
0,15
1 7 14
Unreparierte DSBs nach langen Zeiten
Reparaturzeit [Tage]
Fo
ci p
ro Z
elle
ruhende Zellen 1,2 mGy
wachsende Zellen 1,2 mGy
1 4 7 14 1 7 14
Auswirkungen unreparierter DSBs
Apoptose [%]
0
0,5
1
1,5
2
2,5
% a
popt
otic
ce
llsruhendeZellen
wachsendeZellen
Zellen sterben nach niedrigen Dosen
?
Auswirkungen unreparierter DSBs
Mikrokern-Bildung [%]
0
0,5
1
1,5
2
2,5%
mic
ronu
cle
ate
d ce
llsruhendeZellen
wachsendeZellen
Mikrokern-Bildung nach niedrigen Dosen
?
Chromosomenaberrationen Krebsentstehung
Reparatur
Situation nach hohen Strahlendosen
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 sichmit unreparierten Brüchen
in zwei Tochterzellen
und verliert Teile ihrerChromosomen
Anwendungen für Teilchenstrahlen
Spuren von -Teilchen
in der Nebelkammer in einer Zelle
direkt nach Bestrahlung einen Tag später
vor KM
KM früh
KM spät
292 mGy*cm (120KV, 200mAs/Sl.)
589 mGy*cm (120KV, 200mAs/Sl.)
623 mGy*cm (120KV, 187mAs/Sl.)
Anwendungen in der diagnostischen Radiologie
DSBs nach einer CT-Untersuchung (Thorax)
Biologische Dosimetrie für Röntgenuntersuchungen
Blutentnahme vor CT ex vivo-Bestrahlung
Blutentnahme nach CTin vivo-Bestrahlung
0 5 10 15 20 100 Patient0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Dosis [mGy]
Fo
ci p
ro Z
elle
21 mGy
Fo
ci p
ro Z
elle
Dosis [mGy]
DSBs nach einer CT (Thorax + Abdomen)
Biologische Dosimetrie für Röntgenuntersuchungen
Blutentnahme vor CT ex vivo-Bestrahlung
0 5 20 40 100 Patient0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
Dosis [mGy]
Fo
ci p
ro Z
elle
49 mGy
Blutentnahme nach CTin vivo-Bestrahlung
Fo
ci p
ro Z
elle
Dosis [mGy]
Kontrolle 0,5 h 2,5 h 5 h 24 h0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Fo
ci p
ro Z
elle
Reparatur von DSBs nach CT-Untersuchungen
Reparaturprozesse im Menschen können verfolgt werden
Blutentnahme nach verschiedenen Zeiten
CT
Fo
ci p
ro Z
elle
Kontrolle
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Kontrolle 0,5 h 1 h 2.5 h 5 h 24 h
P1 bei 1353 mGy*cm
P2 bei 1505 mGy*cm
P3 bei 1320 mGy*cm
P4 bei 1331 mGy*cm
P5 bei 1451 mGy*cm
P6 bei 966 mGy*cm
Fo
ci p
ro Z
elle
DSB-Reparatur im Menschen
CT
individuelle CTs für 6 Patienten:
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Kontrolle 0,5 h 1 h 2.5 h 5 h 24 h
P1 bei 1000 mGy*cm
P2 bei 1000 mGy*cm
P3 bei 1000 mGy*cm
P4 bei 1000 mGy*cm
P5 bei 1000 mGy*cm
P6 bei 1000 mGy*cm
Fo
ci p
ro Z
elle
DSB-Reparatur im Menschen
Strahlenempfindliche Personen weisen mehr DSBs auf
CT
normiert auf gleiche Dosenindividuelle CTs für 6 Patienten:
Beteiligte Wissenschaftler
Medizinische Fakultät, Universität des Saarlandes
Fachrichtung BiophysikDr. Kai Rothkamm
Dr. Nicole RiefDr. Martin Kühne
Abteilung für RadiodiagnosticProf. Dr. Michael Uder
Abteilung für StrahlentherapieProf. Dr. Christian Rübe
Finanzielle Unterstützung
Bundesministerium für Bildung und Forschung