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Einfluss ionisierender Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften kardialer Zellen

Frieß, Johannes L. :
Einfluss ionisierender Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften kardialer Zellen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss ionisierender Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften kardialer Zellen
Language: German
Abstract:

Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung der Einflüsse ionisierender Strahlung auf die elektrophysiologischen Eigenschaften kardialer Zellen. Untersucht werden sollten sowohl Einflüsse von dünn-ionisierender Röntgenstrahlung als auch dicht-ionisierender Schwerionen-Strahlung. Hierzu sollten zum einen die für die Strahlentherapie wichtigen Kohlenstoff-Ionen in einem spread-out Bragg Peak als auch schwerere Ionen mit höheren Energien eingesetzt werden, welche in der kosmischen Strahlung vorkommen und somit für die Weltraumforschung und insbesondere für die bemannte Raumfahrt von Interesse sind. Für diese Untersuchungen sollten zwei kardiale Zellsysteme verwendet werden, zum einen primäre Zellen, isoliert aus den Herzen von Hühnerembryonen der Art Gallus gallus, und zum anderen humane aus induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) differenzierte Kardiomyozyten. Während elektrophysiologische Assays schon häufig in der Pharmakologie eingesetzt werden, sind solche Anwendungen in der Strahlenbiologie fast gar nicht vertreten. So ist es nicht verwunderlich, dass nur wenig über potentielle direkte Strahleneffekte auf die Elektrophysiologie kardialer Myozyten bekannt ist. Die am häufigsten verwendeten Methoden wie das Langendorff-Herz oder der Patch-Clamp-Assay bieten entweder Einblicke in das ganze Organ oder auf Ebene der einzelnen Zelle. Die MEA-Technologie ermöglicht stattdessen als nicht-invasive Methode die in vitro-Untersuchung eines funktionellen, kardialen Synzytiums über einen längeren Zeitraum und sollte daher für diese Arbeit eingesetzt werden, um sowohl Rate und Form der gemessenen Feldaktionspotentiale nach Bestrahlung zu untersuchen, als auch eventuelle Veränderungen der Signalweiterleitung zu analysieren. Zusätzlich zum Einfluss der Bestrahlung auf die Elektrophysiologie der Kulturen sollte weiterhin auch der kombinierte Effekt von kardio-aktiven Medikamenten und ionisierender Strahlung auf die Kardiomyozytennetzwerke untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollten in das übergeordnete Verbundprojekt mit einfließen, in dem begleitend als weitere Endpunkte die Induktion von DNA-Schäden und deren Reparatur untersucht wurden, außerdem die Zellzykluspropagation, die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) und die Induktion von Apoptosen als strahlenbiologische Endpunkte. Gemeinsam mit dieser Arbeit sollte das Projekt so die Risikoabschätzung bezüglich der Strahlenwirkung auf das kardiovaskulare System in Hinblick auf die bemannte Raumfahrt sowie die Strahlentumortherapie unterstützen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Until now, the influence of ionizing radiation on the electrophysioloigcal characteristics of cardiac cells has not been studied comprehensively. To fill this gap, the influence of sparsely ionizing X-rays, as well as densely ionizing heavy ion radiation (HIR) were investigated. Carbon ions were used in a spread-out Bragg peak, as also applied in radation therapy. While heavier ions with higher energies, as usually found in cosmic radiation were also applied due to their relevance for space research. In this study two cardiac cell systems were utilized. Primary cells, isolated from embryonic chick hearts from Gallus gallus were used as well as human inudced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes While electrophysiological assays are widely applied in pharmacological studies, they are hardly used in radiation biology. Therefore only limited information on the potential direct radiation effects on the electrophysiology of cardiac myocytes is available. The most used assays such as the Langendorff heart or the patch-clamp assay allow insights either into the whole organ or on the single cell level. The microelectrode array (MEA) technology instead is a non-invasive method which allows to investigate the functional cardiac syncytium in vitro for a longer time period. Therefore this technology was used to quantify the rate and shape of the measured field action potentials and to analyze changes in the signal propagation after irradiation. Furthermore the influence of the combined effects of cardio-active drugs and ionizing radiation on the cardiomyocyte networks were investigated. This study was part of a greater cooperative project in which additional radiation biological endpoints, such as DNA damage and repair, cell cycle propagation, generation of reactive oxygen species (ROS) and the induction of apoptosis were examined. The goal of this project was to estimate the risk of radiation-induced damages to the cardiovascular system, especially in prospect of manned space missions as well as radiation tumor therapy.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Developmental Biology and Neurogenetics
Date Deposited: 04 Jan 2016 13:52
Last Modified: 04 Jan 2016 13:52
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52198
Referees: Layer, Prof. Dr. Paul G. and Löbrich, Prof. Dr. Marcus and Thielemann, Prof. Dr.- Christiane and Thiel, Prof. Dr. Gerhard and Löwer, Prof. Dr. Alexander
Refereed: 4 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5219
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