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Influence of LET and oxygen status on cell survival and adhesion molecule expression

Tinganelli, Walter :
Influence of LET and oxygen status on cell survival and adhesion molecule expression.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Influence of LET and oxygen status on cell survival and adhesion molecule expression
Language: English
Abstract:

Hypoxia is one of the most common causes for tumor radio-resistance and metastasis. High LET irradiation is expected to reduce these problems. To measure the oxygen enhancement ratio (OER), the relative biological effectiveness (RBE) and the adhesion molecule expression, experiments with different LET, ions (carbon, nitrogen, oxygen and lithium) at different oxygen concentrations have been done. 1)To simulate different tumor conditions, CHO-K1 (Chinese Hamster Ovary) cell survival, has been measured after x-ray or carbon (100 keV/μm) irradiation under normoxic (air), hypoxic (0.5% oxygen) and anoxic (0% oxygen) conditions. The carbon irradiation gave an OER value of 1.8±0.1 in anoxia, while for photon irradiation it results in a value of 2.4±0.1. In hypoxia, the OER values decrease to 1.29±0.07 and to 1.5±0.1 for carbon and photon irradiation respectively. 2)To measure the influence of LET and atomic number on the OER, survival curves and measurement of RBE and OER with carbon ion at different LET, nitrogen and oxygen have been done. •The results showed that even if there were almost no differences in RBE in this LET range under oxic conditions, in anoxia RBE increases with increasing LET. The range of values found was from 3.1±0.2 for carbon 100 keV/μm to 4.4±0.2 for nitrogen 160 keV/μm (anoxia) and from 2.6±0.2 to 2.4±0.2 (normoxia). OER values decrease with increasing LET. Using different ions with different LET, the values found were from 1.8±0.1 for carbon 100 keV/μm to 1.30±0.04 for nitrogen 160 keV/μm. A clear influence of atomic number could not be seen in this atomic number range. 3)To measure a possible influence of the atomic numbers on the RBE for normal tissue and tumor tissue, experiments with irradiation of extended volume have been performed with nitrogen and oxygen and compared with carbon measurements. •Measurements resulting in a comparable survival on the entrance channel and exhibit the highest efficiency in the tumor for nitrogen ion. Mono-energetic lithium experiments showed RBE values close to 1 in the first centimetres of the plateau and an increase in RBE inside the Bragg peak. Results were compared to different model calculations. iv 4)As a model to better resemble the conditions in a human tumor and to study the E-cadherin expression after X-ray and carbon ion exposure, the PC3 cell line (Human prostate cancer cells) has been used. Survival curves experiment with normoxic and re-oxygenated chronic hypoxic cells have been performed. •After 72 hours in hypoxia/re-oxygenation the cells showed a decrease in radio-resistance when irradiated with X-rays but not when irradiated with carbon ions. Cell cycle synchronization due to an insufficient oxygenation could be the explanation for this. 5)To study the adhesion molecules and to understand the underlying mechanisms that give to the cells the invasive phenotype measurements of E-cadherin protein and gene expression have been performed. No difference after 24 hours anoxia in the protein expression was discovered compared to the normal oxic condition. Irradiation with X-rays produces a slight increase of E-cadherin after hypoxic treatment compared to normoxic cells. A low dose of carbon ion irradiation resulted in an over-expression of E-cadherin. For X-rays, this effect was not found. X-ray irradiation with low doses seems to reduce E-cadherin expression compared to unirradiated cells or irradiation with high doses.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Hypoxie ist einer der häufigsten Gründe für Strahlenresistenz und Metastasenbildung bei Tumoren. Hoch-LET Strahlung soll diese Probleme reduzieren. Um den Sauerstoffverstärkungsfaktor (Oxygen Enhancement Ratio, OER), die Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) und die Expression von Adhäsionsmolekülen zu messen, wurden Experimente mit verschiedenen LET-Werten und Ionen (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Lithium) bei variierenden Sauerstoffkonzentrationen durchgeführt. 1) Um die verschiedenen Sauerstoffniveaus im Tumor zu simulieren, wurden Überlebenskurven an Zellen der Linie CHO-K1 (Chinese Hamster Ovary) nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen und Kohlenstoffionen (100 keV/μm) unter normoxischen (unter Anwesenheit von Luft), hypoxischen (0.5% Sauerstoffgehalt) und anoxischen (0% Sauerstoff) Bedingungen erstellt. • Die Bestrahlung mit Kohlenstoff ergab einen OER-Wert von 1.81±0.12 unter anoxischen Bedingungen, während die Bestrahlung mit Photonen in einem Wert von 2.42±0.11 resultierte. Unter hypoxischen Bedingungen verringerten sich die OER-Werte auf 1.29±0.07 für Kohlenstoff beziehungsweise auf 1.53±0.1 für Photonen. 2) Um den Einfluss von LET und Ordnungszahl auf die OER zu messen, wurden Zellüberlebenskurven und Messungen von RBW und OER nach Bestrahlung mit Kohlenstoff verschiedener LET-Werte, sowie Stickstoff- und Sauerstoffionen durchgeführt. • Die Ergebnisse zeigten, dass unter oxischen Bedingungen im verwendeten LET-Bereich sich zwar kaum Änderungen ergaben, unter anoxischen Bedingungen der RBW mit zunehmendem LET ansteigt. Unter anoxischen Bedingungen lagen die Werte zwischen 3.10±0.22 für Kohlenstoff (100 keV/μm) und 4.46±0.24 für Stickstoff (160 keV/μm) beziehungsweise zwischen 2.65±0.18 und 2.45±0.23 unter normoxischen Bedingungen. Die OER-Werte nehmen mit ansteigendem LET ab. Unterschiedliche Ionen mit verschiedenem LET ergaben Werte zwischen 1.81±0.12 für Kohlenstoff (100 keV/μm) und 1.30±0.04 für Stickstoff (160 keV/μm). Ein deutlicher Einfluss der Ordnungszahl konnte in diesem Bereicht nicht festgestellt werden. ii 3) Um einen möglichen Einfluss der Ordnungszahl auf die RBW in normalem Gewebe und im Tumor zu bestimmen, wurden Bestrahlungen eines ausgedehnten Volumens mit Stickstoff und Sauerstoff durchgeführt und diese mit Experimenten mit Kohlenstoffionen verglichen. • Die Messungen resultierten in vergleichbarem Zellüberleben im Eingangsbereich und zeigten für Stickstoffionen die höchste Effizienz im Tumor. Mono-energetische Lithium Experimente zeigten RBW-Werte nahe 1 in den ersten Zentimetern des Plateaus und einen Anstieg des RBW im Bragg-Peak. Die Resultate wurden mit verschiedenen Modellrechnungen verglichen. 4) Um die Situation in einem Tumor besser darzustellen und um die Expression von E-Cadherin nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen und Kohlenstoffionen zu untersuchen, wurde die Zelllinie PC3 (humane Prostatakrebszellen) verwendet. Zellüberlebenskurven wurde mit normoxischen und reoxygenierten chronisch hypoxischen Zellen durchgeführt. • Nach 72 Stunden in Hypoxie/Reoxigenierung zeigten die Zellen eine Verringerung ihrer Strahlenresistenz nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen, nicht aber nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen. Eine Synchronisation des Zellzyklus aufgrund des Sauerstoffmangels könnte eine Erklärung dafür sein. 5) Um den Einfluss der Strahlung auf die Adhäsionsmoleküle zu untersuchen und um den zugrundeliegenden Mechanismus zu verstehen, der in invasivem Verhalten resultiert, wurden Messungen der Protein- und Genexpression gemacht. Nach 24 Stunden Anoxie wurde kein Unterschied in der Proteinexpression festgestellt. Bestrahlung mit Röntgenstrahlen resultierte in einem leichten Anstieg der Expression von E-Cadherin in hypoxischen Bedingungen verglichen mit normoxischen Bedingungen. Eine niedrige Dosis Kohlenstoffionen hatte eine Überexpression von E-Cadherin zur Folge. Nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen, wurde jedoch keine Überexpression gemessen. Röntgenstrahlen in niedrigen Dosen scheinen die Expression von E-Cadherin zu verringern im Vergleich mit unbestrahlten Zellen oder Zellen die hohen Dosen ausgesetzt waren. iiiGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 23 Apr 2012 15:19
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29542
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Durante, Prof. Marco and Thiel, Prof. Gerhard
Refereed: 13 April 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2954
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