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Qualitative and quantitative investigation of the cytogenetic effects of densely ionizing radiation in vitro and in vivo

Hartel, Carola :
Qualitative and quantitative investigation of the cytogenetic effects of densely ionizing radiation in vitro and in vivo.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Qualitative and quantitative investigation of the cytogenetic effects of densely ionizing radiation in vitro and in vivo
Language: English
Abstract:

The purpose of this work was to compare the cytogenetic effects of densely and sparsely ionizing radiations in vitro and in vivo. To achieve this, chromosomal aberrations in peripheral blood lymphocytes were exposed in vitro to different doses of X-rays and C-ions with different energies; furthermore, lymphocytes were obtained from prostate-cancer patients before, during and after radiotherapy and analyzed using the multiplex fluorescence in situ hybridization (mFISH) technique. These cancer patients were either treated with C-ion boost irradiation in the course of a conventional photon intensity-modulated radiotherapy (IMRT) or solely with IMRT. Blood samples were taken from each patient before, during, at the end of and one year after the therapy. In the in vitro experiments, an increase in the relative biological effectiveness (RBE) for the induction of chromosomal aberrations with increasing linear energy transfer (LET) of the C-ions was observed in the investigated energy range (270 MeV/u C-ions, LET=14 keV/µm; 100 MeV/u C-ions, LET=29 keV/µm; extended Bragg peak of C-ions, LET=60-85 keV/µm). The ratio of complex to simple exchanges, the C-ratio, which is discussed as a biomarker for densely ionizing radiation, was calculated and a LET- and dose-dependent increase was found. Likewise, the complexity of complex chromosome aberrations increased with LET and dose. For prostate-cancer patients, the frequency of chromosomal aberrations found in the peripheral blood lymphocytes increased during the radiotherapy course; but after the C-ion boost, the frequency was lower than in patients treated with comparable doses of IMRT. No significantly increased C-ratio was found in the patients treated with the C-ion boost compared to the patients treated with IMRT. A higher frequency of aberrations was measured in patients who were exposed to an increased target volume. The aberration frequency decreased significantly in two out of 16 patients in the year after therapy. The study shows that the reduced integral dose applied to normal tissue during the C-ion boost is reflected in a lower chromosomal aberration frequency compared to IMRT. While the in vitro experiments showed an enhanced C-ratio for densely ionizing radiation, no increased C-ratio was observed in the patients' samples after C-ion boost therapy. As mFISH allows identification of individual chromosomes involved in aberrations, the distribution of breakpoints among individual chromosomes and the frequencies of pairwise chromosomal exchanges were analyzed in addition.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ziel dieser Arbeit war es, die zytogenetischen Effekte von dicht und dünn ionisierender Strahlung in vitro und in vivo zu vergleichen. Dazu wurden Chromosomenaberrationen in peripheren Blutlymphozyten in vitro mit verschiedenen Dosen Röntgenstrahlung und C-Ionen verschiedener Energien bestrahlt sowie Lymphozyten von Prostatakarzinompatienten vor, während und nach der Strahlentherapie entnommen und mittels mFISH (multiplex fluorescence in situ hybridization) untersucht. Die Prostatakarzinompatienten wurden mit einer Kombination aus C-Ionen Bestrahlung und anschließender intensitätsmodulierter Strahlentherapie (IMRT) oder ausschließlich mit IMRT behandelt. In den in vitro Experimenten wurde ein Anstieg der relativen biologischen Wirksamkeit (RBE) für Chromosomenaberrationen mit steigendem linearen Energietransfer (LET) innerhalb des untersuchten Energiebereichs gefunden (270 MeV/u C-Ionen, LET=14 keV/µm; 100 MeV/u C-Ionen, LET=29 keV/µm; ausgedehnter C-Ionen Bragg-Peak, LET=60-85 keV/µm). Das Verhältnis von komplexen zu einfachen Chromosomenaustauschen, genannt C-ratio, welches als Biomarker für dicht ionisierende Strahlung diskutiert wird, wurde ermittelt und ein Dosis- und LET-abhängiger Anstieg wurde beobachtet. Ebenso stieg die Komplexität komplexer Chromosomenaberrationen mit Dosis und LET an. Die Aberrationsrate, die in den Blutlymphozyten von Prostatakarzinompatienten gefunden wurde erhöhte sich im Verlauf der Strahlentherapie. Nach der C-Ionen-Bestrahlung war die Abberationsrate geringer als in Patienten die mit einer vergleichbaren Dosis IMRT bestrahlt wurden. Die C-ratio war in den mit C-Ionen bestrahlten Patienten im Vergleich zu den IMRT Patienten nicht signifikant erhöht. In Patienten, welche mit einem größeren Zielvolumen bestrahlt wurden, war die Aberrationsrate signifikant höher. Im Jahr nach der Therapie wurde ein signifikanter Rückgang der Aberrationsrate in zwei von 16 Patienten beobachtet. Die Studie zeigt, dass sich die niedrigere integrale Dosis, die bei der Kohlenstoffionen-Therapie im Normalgewebe appliziert wird, durch eine niedrigere Aberrationsrate, verglichen mit IMRT, auswirkt. Während nach in vitro Bestrahlung ein höherer Anteil komplexer Aberrationen nach Bestrahlung mit dicht ionisierender Strahlung gefunden wurde, konnte ein solcher Effekt in vivo in Patienten, die sich einer Kohlenstoffionen-Therapie unterzogen, nicht gezeigt werden. Da es mit der mFISH Färbung möglich ist alle Chromosomen, die an Aberrationen beteiligt sind, zu identifizieren, wurde die Verteilung der Bruchpunkte in den einzelnen Chromosomen sowie die Häufigkeit von Austauschen zwischen allen Chromosomenpaaren untersucht.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Condensed matter physics
Date Deposited: 05 Jun 2010 12:35
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21791
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco and Kraft, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 12 May 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2179
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