TU Darmstadt / ULB / tuprints

Entzündungshemmende Effekte von ionisierender Strahlung, untersucht in Co-Kultur Systemen humaner Endothelzellen und Leukozyten

Klinger, Jonas :
Entzündungshemmende Effekte von ionisierender Strahlung, untersucht in Co-Kultur Systemen humaner Endothelzellen und Leukozyten.
Universitäts- und Landesbibliothek, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

[img]
Preview
PDF
dissertation-final3.pdf
Available under Simple publication rights for ULB.

Download (4Mb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entzündungshemmende Effekte von ionisierender Strahlung, untersucht in Co-Kultur Systemen humaner Endothelzellen und Leukozyten
Language: German
Abstract:

Die Therapie von chronisch-entzündlichen Erkrankungen wie z.B. Morbus Bechterew mit niedrig dosierter, ionisierender Strahlung (α-Strahlung, Photonen) wird bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich angewendet. Die molekularen und zellulären Mechanismen, die diesem Effekt zugrunde liegen, sind jedoch bis jetzt nicht verstanden. Ziel dieser Arbeit war es, entzündungsrelevante und vor allem inhibierende Effekte von ionisierender Strahlung auf zellulärer und molekularer Ebene zu untersuchen. Da die lokale Dosis-Deposition bei dicht-ionisierender Strahlung nicht homogen erfolgt, wurde dünn- und dicht-ionisierende Strahlung insbesondere im Niedrig-Dosis-Bereich (0,1-1Gy) miteinander verglichen. Hierbei wurden zum einen Röntgenstrahlung und zum anderen beschleunigte Ionen verwendet. Für die durchgeführten Experimente wurden verschiedene Zelltypen verwendet, die in Entzündungsprozesse involviert sind und somit potenziell an der Entzündungshemmung beteiligt sein könnten. Hierbei wurden in Gefäßzellen (Endothelzellen) sowie in Zellen des Immunsystems (Lymphozyten, Monozyten, Makrophagen) folgende biologische Endpunkte untersucht: Induktion von Apoptose, phagozytotische Aktivität von Makrophagen in Co-Kultur mit apoptotischen Lymphozyten, Adhäsion von Lymphozyten an Endothelzellen sowie die Freisetzung von Zytokinen in Gefäß- und Immunzellen. Die Induktion von Apoptose wurde hierbei im Zusammenhang mit einer möglichen entzündungshemmenden Wirkung apoptotischer Zellen auf Phagozyten untersucht. Entzündungsprozesse werden unter anderem über die Adhäsion von Immunzellen an der Endothelzellschicht der Blutgefäße und nachfolgender Transmigration ins Gewebe reguliert. Dieser Prozess ist damit ein potentieller Indikator für die entzündungshemmende Wirkung der Niedrig-Dosis-Bestrahlung. Die hier präsentierten Untersuchungen wurden vor allem in humanen Primärzellen durchgeführt, deren Differenzierung in Funktionszellen in vitro teilweise erst etabliert werden musste. Um in Zellversuchen der Situation im Organismus möglichst nahe zu kommen, wurden auch zwei verschiedene Co-Kultursysteme etabliert sowie ein technischer Aufbau zur Imitation des Blutstroms entwickelt. Erste Experimente zum Vergleich der Effekte in Blutproben von Radontherapie-Patienten wurden ebenfalls durchgeführt. Bei der Suche nach möglichen Zielzellen der Bestrahlung, die mit Apoptose auf die Exposition reagieren, erwiesen sich periphere Blutlymphozyten als besonders sensitiv, dicht-ionisierende ist wirksamer als dünn-ionisierende Strahlung. Weder Endothelzellen noch Makrophagen zeigten deutlich strahleninduzierte Apoptose. In Blutzellen von Patienten, die sich einer Radonkur unterzogen haben, wurde zwar ein Trend zu einer entsprechenden Zunahme apoptotischer Lymphozyten nach mehreren Anwendungen beobachtet, dieser ist jedoch statistisch nicht signifikant. In Co-Kulturversuchen mit Primärzellen wurde deutlich, dass sich die Induktion von Apoptose in Lymphozyten durch ionisierende Strahlung stimulierend auf die phagozytotische Aktivität von Makrophagen auswirkt, und zwar insbesondere auf den M-CSF Subtyp, der in entzündungshemmenden Prozessen eine Rolle spielt. Allerdings war die Steigerung der phagozytotischen Aktivität von der Dosis, mit der die Lymphozyten bestrahlt worden waren, und damit von der Zahl der vorhandenen apoptotischen Zellen abhängig. Er war sowohl mit Röntgenstrahlung als auch mit Kohlenstoffionen nachweisbar. Es konnte jedoch nicht abschließend geklärt werden, ob es durch die Steigerung der phagozytotischen Aktivität in der Co-Kultur zu einer veränderten Freisetzung entzündungshemmender Zytokine kommt, wie dies im Zusammenhang mit der Regulation von Entzündungsprozessen diskutiert wird. Die Freisetzung der untersuchten Zytokine TNF-α und TGF-β wies nur geringfüge Veränderungen auf, während die Freisetzung von IL-10 deutlichen Schwankungen zwischen den einzelnen Spendern für die Primärzellen unterlag. Auch in Monokulturen verschiedener Zelltypen (Lymphozyten, Monozyten, Makrophagen und Endothelzellen) wurden keine strahleninduzierte Veränderungen in der Freisetzung von TNF-α, TGF-β und IL-10 beobachtet. Die Veränderung der Zytokin-Freisetzung durch Bestrahlung wurde im Rahmen dieser Arbeit auch in vivo untersucht. Hierzu wurden die Konzentrationen der genannten Zytokine sowie weiterer Faktoren im Blutplasma von Radontherapie-Patienten bestimmt, die alle auch nach mehreren Anwendungen keine signifikanten Veränderungen im Vergleich zu den Werten vor der Behandlung aufwiesen. Eine strahleninduzierte Veränderung der Adhäsion von Lymphozyten an Endothelzellen aus verschiedenen Bereichen des vaskulären Systems, die mit einem entzündungsfördernden Zytokin (TNF-α) stimuliert worden waren, wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst unter statischen Bedingungen untersucht. Keine Reaktion auf Bestrahlung zeigte sich in Endothelzellen aus der pulmonalen Aorta. In Endothelzellen aus dem mikrovaskulären Gewebe der Haut wurde hingegen eine signifikante Reduktion der Adhäsion nach Bestrahlung beobachtet. Diese Reduktion trat jedoch sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Dosen auf. Die ersten Experimente zur Veränderung der Adhäsion unter dynamischen Bedingungen bestätigten die Ergebnisse des statischen Adhäsionstests, die Inhibition war sogar deutlicher als unter statischen Bedingungen. Die Experimente haben gezeigt, dass TGF-β für diesen Zelltyp eine essentielle Rolle im Prozess der strahleninduzierten Veränderung der Adhäsion spielt. Die Ergebnisse zur Adhäsion für die Effekte von dünn- und dicht-ionisierende Bestrahlung weisen auf einen für die Mikrovaskulatur spezifischen Beitrag zur Hemmung einer bestehenden Entzündung nach Bestrahlung hin, der jedoch im verwendeten in vitro System nicht auf niedrige Dosen beschränkt war.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The treatment of chronic inflammatory diseases such as ankylosing spondylitis with low doses of ionizing radiation (α-rays, photons) is used successfully for several decades. However, the molecular and cellular mechanisms that underlie this effect are not understood. The aim of this study was to investigate inflammation-related inhibitory effects of ionizing radiation on the cellular and molecular level. Since the local dose deposition of densely-ionizing radiation is not homogeneous, sparsely and densely ionizing radiation were compared especially in the low-dose range (0,1-1Gy). For this purpose X-ray or accelerated ions were used for the experiments presented in the frame of this thesis. For the performed experiments various cell types were used, which are involved in inflammatory processes and could therefore potentially be involved in the anti-inflammatory effects. Therefore vascular endothelial cells and cells of the immune system (lymphocytes, monocytes and macrophages) were investigated regarding the following biological endpoints: induction of apoptosis, phagocytic activity of macrophages in co-culture with apoptotic lymphocytes, adhesion of lymphocytes to endothelial cells and the release of cytokines in vascular and immune cells. The induction of apoptosis was investigated in connection with a possible anti-inflammatory effect of apoptotic cells on phagocytes. Inflammatory processes are partially regulated by the adhesion of immune cells to the endothelial cell layer of blood vessels followed by the transmigration into the tissue. This process is a potential indicator of anti-inflammatory effects of low-dose irradiation. The studies presented here were mainly carried out in human primary cells. Their differentiation into functional cells in vitro was partially established during this thesis. In order to adapt as close as possible to the situation in vivo, two different co-culture systems were established and an experimental system to mimic the blood flow were developed. Preliminary experiments for the examination of effects related to the radon exposure were performed with blood samples of patients which received a radon therapy. The results of the present work confirmed that peripheral blood lymphocytes proved to be particularly radiosensitive, both for sparsely-and densely-ionizing radiation. Therefore a clear dose dependent increase of apoptosis could be detected in lymphocytes even after low dose irradiation. Neither endothelial cells nor macrophages showed a significant induction of apoptosis after irradiation. In blood cells of patients which received a radon therapy a trend to increased levels of apoptotic lymphocytes after multiple radon treatments was observed. However, this increase was not statistical significant. In co-culture experiments with primary cells, it could be demonstrated that the induction of apoptosis in lymphocytes by ionizing radiation affects the phagocytic activity of macrophages, in particular of the M-CSF subtype which plays a role in anti-inflammatory processes. An increase in phagocytic activity was clearly detectable after irradiation of lymphocytes with X-rays or carbon ions. Thereby the increase was dependent on the dose and thus on the number of apoptotic cells. It could not be clarified whether the increase in phagocytic activity in the co-culture causes an altered release of inflammatory cytokines, as it is discussed regarding the regulation of inflammatory processes. The release of the cytokines TNF-α and TGF-β was only poorly affected by irradiation, whereas for the release of IL-10 in the primary cells significant variations between individual donors were observed. In the monocultures of different cell types (lymphocytes, monocytes, macrophages and endothelial cells) no radiation-induced changes concerning the release of TNF-α, TGF-β and IL-10 were observed. Furthermore the radiation induced changes in cytokine release were investigated in vivo. Therefore additional factors were examined in blood plasma of radon therapy patients, but as well no significant changes were observed even after multiple radon treatments. Radiation-induced changes in adhesion of lymphocytes to endothelial cells, which were stimulated by a pro-inflammatory cytokine (TNF-α), were investigated in this study under static conditions. No response to irradiation was seen in pulmonary endothelial cells from the aorta. However, in microvascular endothelial cells from skin, a significant reduction of adhesion was observed after irradiation. This reduction occurred, however, both at low and at high doses. The experiments to alter the adhesion under dynamic conditions confirmed the results of the static adhesion assay, the inhibition was even stronger compared to the static assay. Furthermore the performed experiments have shown that TGF-β plays an essential role in the process of radiation-induced reduction of lymphocyte adhesion to endothelial cells. Taken together the obtained results indicate a specific contribution of the microvasculature to a radiation induced inhibition of an existing inflammation, which was observed both for sparsely-and densely-ionizing radiation. However, in the in vitro systems this could not be proved as a specific low-dose effect.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Universitäts- und Landesbibliothek
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 23 May 2012 12:44
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29622
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Thiel, Prof. Dr. Gerhard and Durante, Prof. Dr. Marco
Refereed: 23 April 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2962
Export:

Actions (login required)

View Item View Item