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Untersuchung von entzündungsrelevanter interzellulärer Kommunikation nach Bestrahlung in einem 3D-Haut-Modell

Wiedemann, Julia :
Untersuchung von entzündungsrelevanter interzellulärer Kommunikation nach Bestrahlung in einem 3D-Haut-Modell.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung von entzündungsrelevanter interzellulärer Kommunikation nach Bestrahlung in einem 3D-Haut-Modell
Language: German
Abstract:

Die Haut wird bei der Bestrahlung zu diagnostischen oder therapeutischen Zwecken, wie zum Beispiel der Tumortherapie, immer mitbestrahlt. Dies kann bei hohen Dosen, wie sie für die Tumortherapie angewandt werden, zu unerwünschten Nebeneffekten führen, bei niedrigen Dosen aber auch einen positiven, anti-entzündlichen Effekt haben, den man sich bei der Therapie chronisch entzündlicher Erkrankungen zu Nutze macht. Es gibt bisher nur sehr wenige aussagekräftige Daten in der Literatur, die Aufschluss über die Wirkmechanismen der Niedrigdosisbestrahlung, insbesondere auf humane Haut, geben. Für die Bestrahlung von Hautäquivalenten oder Hautexplantaten mit Kohlenstoffionen liegen keine publizierten Daten vor und auch für Röntgen- und UV-B-Bestrahlung sind diese meist lückenhaft. Ziel dieser Arbeit war es, eine systematische Übersicht über die verschiedenen auftretenden Effekte hinsichtlich Zelltod, Zytokinfreisetzung und struktureller und morphologischer Veränderungen nach der Bestrahlung mit ionisierender Röntgen- und- Kohlenstoffbestrahlung verglichen zu nicht-ionisierender UV-B-Strahlung zu geben. Hierfür wurden Modellsysteme verschiedener Komplexität verwendet, die von Keratinozyten-Monokulturen über Co-Kulturen bis hin zu humanen Hautäquivalenten reicht. Ausserdem ermöglichte ein, in Zusammenarbeit mit der Hautklinik Darmstadt gestellter, Ethikantrag die Untersuchung humaner Haut in vitro. Zelltod spielt nach ionisierender Strahlung weder in Form von Apoptose noch Nekrose eine Rolle. Lediglich nach UV-B-Bestrahlung konnte in Monokulturen von Keratinozyten klassische, Caspase 3-abhängige Apoptose detektiert werden. Die Zytokinfreisetzung zeigt für alle Strahlenqualitäten und Modellsysteme ein pro-inflammatorisches Muster, welches durch die Erhöhung der IL-1alpha-, IL-6- und IL-8-Freisetzung charakterisiert ist. Je nach Strahlenqualität unterscheidet sich die Kinetik der Zytokinfreisetzung. Nach UV-B-Bestrahlung kommt es zu einer sehr schnellen Reaktion, die 48 h nach der Bestrahlung bereits großteils abgeschlossen ist, während sie bei Röntgenbestrahlung 24 h und 48 h und bei Kohlenstoffbestrahlung erst 48 h nach der Bestrahlung auftritt. Durch die Bestrahlung kommt es zu verschiedenen Veränderungen der Struktur und Morphologie als auch der Differenzierung der Hautäquivalente. In dieser Arbeit wurde erstmals Parakeratose, das Auftreten von pyknotischen Kernen in der vitalen Epidermis, Hyperkeratose und die Struktur der Basalzellen nach der Bestrahlung mit verschiedenen Strahlenqualitäten quantitativ bzw. semiquantitativ ausgewertet und verglichen. Nach der Bestrahlung mit höheren Dosen Röntgenstrahlung und Kohlenstoffionen kommt es zu einer beschleunigten Differenzierung, die sich als Hyperkeratose äussert. Parakeratose, die durch eine fehlerhafte Differenzierung zustande kommt, tritt vermehrt nach hohen Intensitäten UV-B-Strahlung und höheren Dosen Kohlenstoffionen und seltener für hohe Dosen Röntgenstrahlung von 10 Gy auf. Insbesondere für niedrige Dosen Röntgenstrahlung tritt ein Polaritätsverlust der Basalzellen auf. Ausserdem ist für diese Dosis sowohl die Proliferation erhöht, als auch das Expressionsmuster von E-Cadherin verändert. Die hier beobachteten Veränderungen nach Bestrahlung zeigen, dass es für alle Bestrahlungsarten zu einem pro-inflammatorichen Effekt kommt, der für niedrige Dosen lediglich schwächer ausgeprägt ist. Ein Hinweis auf eine höhere Effektivität von Kohlenstoffionen konnte trotz des höheren LETs bei den hier betrachteten Endpunkten ebenfalls nicht gezeigt werden. Erste Versuche für humane Haut haben die Ergebnisse für Hautäquivalente weitestgehend bestätigt und zeigen, dass die Anwesenheit von Langerhanszellen die Effekte auf Bestrahlung nicht grundlegend verändert. Der im Rahmen dieser Arbeit eingereichte und bewilligte Ethikantrag und die Etablierung der Kultivierung und Bestrahlung humaner Hautexplantate hat hier den Weg für weitere Versuche geebnet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The skin is the first target to be exposed in any diagnostic or therapeutic radiation treatment. On one hand this can lead to severe side effects for high doses used in therapy. On the other hand the anti-inflammatory effects of low dose irradiation are used clinically for the treatment of chronic inflammatory diseases. Up to now there are only a few data available in the literature dealing with the molecular mechanisms behind this anti-inflammatory low dose effect in human skin. Effects of carbon-ion irradiation on human skin equivalents or human skin explants are not published yet and data for X-ray and UV-B are rare. In this work a systematic overview of the effects for three different radiation qualities (X-ray, carbon ions and UV-B) on modell systems for human skin with a different complexity should be given. Apoptosis, cytokine release and several morphological and structural changes have been investigated in monocultures of keratinocytes, co-cultures of keratinocytes and fibroblasts and human skin equivalents. Furthermore an ethical vote has been approved by the ethical comission and the culture and irradiation of human skin explants was established in our lab. Apoptosis or necrosis as forms of cell death are not playing a significant role after ionizing radiation in all model systems. Only after UV-B irradiation significant amounts of apoptosic cells are detected in monocultures. The cytokine release shows a pro-inflammatory pattern with enhanced IL-1alpha-, IL-6- and IL-8-levels for all radiation qualities and model systems. Only the kinetics differ between the radiation qualities. UV-B shows an early effect within 24 h, X-ray instead results in a long lasting effect visible 24 h and 48 h after irradiation and carbon ions lead to a later effect starting 48 h after irradiation. Changes in the structure and morphology and also in the differentiation process were observed after irradiation. In this work a quantitative or semiquantitative analysis for the occurrance of parakeratosis, hyperperatosis, pycnotic nuclei in the vital epidermis and a changed morphology in the basal layer is presented for the first time in comparison for different radiation qualities. For higher X-ray and carbon-ion doses an accelerated differentiation is measureable as hyperkeratosis. Parakeratosis was detected after high carbon-ion doses and UV-B intensities and on a lower level for high X-ray doses. For low X-ray doses a cobblestoned morphology of the basal cells was observed more often than for higher doses and other radiation qualities. In addition an enhanced proliferation and a changed expression pattern of E-cadherin was found after low dose X-ray irradiation. All the observed changes after irradiation with any radiation quality point to a pro-inflammatory effect which is less pronounced for low doses. A higher efficiancy was not detected for the endpoints investigated. First results for human skin support the observed changes in skin equivalents and reveal that the presence of Langerhans cells does not change the irradiation effect completely. With the ethical approval, the establishment of the culture and irradiation procedure and the quantitative analysis a first step towards a better understanding of irradiation effects on human skin is done.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
10 Department of Biology > Radiation Biology and DNA Repair
Date Deposited: 01 Jun 2016 07:57
Last Modified: 01 Jun 2016 13:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54301
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco and Layer, Prof. Dr. Paul G.
Refereed: 30 October 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5430
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