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Einfluss von naher Infrarotstrahlung in Kombination mit ionisierender Strahlung auf Zellen der Haut

König, Anke :
Einfluss von naher Infrarotstrahlung in Kombination mit ionisierender Strahlung auf Zellen der Haut.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss von naher Infrarotstrahlung in Kombination mit ionisierender Strahlung auf Zellen der Haut
Language: German
Abstract:

Sowohl Röntgen als auch Infrarotbestrahlung ist Bestrandteil des therapeutischen Spektrums der Onkologie. Röntgenstrahlung wird hierbei kurativ zur Reduktion malignen Gewebes eingesetzt, nahes Infrarot eher palliativ zur Linderung von Schmerzen und zur Verbesserung der Wundheilung nach einem operativen Eingriff. Darüber hinaus ist der Wellenlängenbereich des nahen Infrarots Teil der natürlichen solaren Strahlung. Im Zuge einer Krebstherapie ist eine kombinierte Applikation der beiden Strahlenarten somit sehr wahrscheinlich. Eine Reihe verschiedener Studien aus den frühen 50er Jahren belegen, dass eine solche Doppelbestrahlung zu einer Destabilisierung der genomischen Integrität in Tradescantia und Drosophila melanogaster führt. 2012 zeigten Heselich et al., dass wassergefiltertes nahes Infrarot (NIR, 0,6-1,4 µm) auch in humanen und murinen Monolayerzellkulturen die röntgeninduzierte Stressantwort maßgeblich verändert. Käme es bei Patienten zu einer solchen Wechselwirkung der beiden Strahlenarten, könnte dies den Behandlungserfolg einer Tumortherapie entscheidend beeinflussen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Arbeit, die Auswirkung der kombinierten Bestrahlung auf Zellen im Gewebeverbund zu untersuchen sowie die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen der Wechselwirkung näher zu charakterisieren. Hierfür wurden, basierend auf Heselich et al., für beide Strahlenqualitäten therapierelevante Bestrahlungsparameter gewählt. Da beide Strahlentypen alle Schichten der Haut durchdringen, wurde für die Untersuchung der Übertragbarkeit ein humanes in vitro Hautmodell (FTSM) etabliert. Die Fähigkeit der integrierten Zellen zur Markierung und Reparatur von röntgeninduzierten DSBs wurde vorab mit Hilfe der 53BP1 Foci Analyse nachgewiesen. Für die Mechanismusaufklärung wurden analog zu Heselich et al. murine NIH/3T3 Fibroblasten sowie humane HaCaT Keratinozyten verwendet. Die Untersuchung der kombiniert bestrahlten FTSM bewies klar, dass eine Vorbestrahlung mit NIR auch in Zellen im Gewebeverbund (FTSM) Auswirkungen auf die röntgeninduzierte Stressantwort hat. So zeigte sich unter anderem ein hemmender Einfluss auf die Anzahl initial markierter DSBs, sowie eine erhöhte Persistenz unreparierter DSBs in den kombiniert bestrahlten FTSM. Des Weiteren wurde ein deutlich inhibitorischer Einfluss der NIR Vorbestrahlung auf die Entstehung röntgeninduzierter Apoptosen im dermalen Teil des FTSM gefunden. Vergleichbar mit Zellen in der Monolayerkultur wirkt NIR auch im FTSM der röntgeninduzierten Hemmung der Proliferation signifikant entgegen. Die Untersuchung des Proliferationsmarkers Ki67 verdeutlicht, dass dieser Effekt nicht mit einer erhöhten Anzahl proliferationsfähiger Zellen zusammenhängt, sondern eine NIR Vorbestrahlung wahrscheinlich zu einer Beschleunigung des Zellzyklus führt. Schwerpunkte der Mechanismusaufklärung waren die verzögerte Reparatur von DSBs, die erhöhte genomische Instabilität sowie der metabolische Zustand der kombiniert bestrahlten Zellen. Im Zusammenhang mit der erhöhten Persistenz von DSBs in kombiniert bestrahlten NIH/3T3 Fibroblasten wurden die Heterochromatin-assoziierten Faktoren H3K9me3, KAP1 und ATM näher untersucht. Die hierbei gefundenen Effekte der vorgeschalteten NIR Bestrahlung lassen den Schluss zu, dass die verzögerte Reparatur von DSBs in kombiniert bestrahlten Zellen mit der Modifikation der Chromatinverteilung einhergeht. Im Zuge von Untersuchungen verschiedener Faktoren, deren Beteiligung an der Entstehung mitotischer Katastrophen beschrieben ist, wurde der Transkriptionsfaktor FOXM1 als möglicher Verursacher für die durch NIR induzierte erhöhte genomische Instabilität gefunden. In den kombiniert bestrahlten Zellen konnte sowohl eine gehemmte Transkription von FOXM1 als auch die einer Reihe FOXM1 nachgeschalteter Gene nachgewiesen werden. Analysen des zellulären Metabolismus zeigten zwar keinen signifikanten Einfluss der kombinierten Bestrahlung auf die Sekundärmetabolite Ca2+ und cAMP, im Hinblick auf den von Heselich et al. beschriebenen Anstieg Reaktiver Sauerstoffspezies konnte jedoch bewiesen werden, dass dieser nicht durch eine Störung der Superoxid Dismutase verursacht wird. Darüber hinaus konnte eine erhöhte Phosphorylierung des NFƙB Inhibitors Iƙbα nachgewiesen werden, was auf eine Aktivierung des redox sensitiven NFƙB Signalweges in den kombiniert bestrahlten Zellen schließen lässt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier nachgewiesene Relevanz der von Heselich et al. gezeigten Effekte in der humanen Gewebekultur bestätigt, dass die unbedachte Bestrahlung von Patienten mit NIR und Röntgenstrahlen ein nicht zu unterschätzendes Risiko birgt. Andererseits könnte die Verschlechterung der DNA Reparaturkapazität, sowie die Herunterregulation von FOXM1 durch die kombinierte Bestrahlung dabei helfen, bestimmte Tumore durch das Vorschalten einer NIR Bestrahlung schneller zu bekämpfen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ionizing and near infrared radiation are both part of the therapeutic spectrum for cancer treatment. During cancer therapy ionizing radiation is typically used for noninvasive reduction of malign tissue, while near infrared (NIR) is utilized in palliative medical approaches e.g. for pain reduction or impairment of wound healing. Furthermore, NIR is part of the solar wavelength spectrum. A combined application of these two irradiation qualities is therefore very likely for cancer patients. Several studies show a strong impact of NIR pretreatment on ionizing radiation induced stress response in different model organisms and cell cultures. To investigate the risk of NIR pretreatment in patients a human in vitro full thickness skin model (FTSM) was established and evaluated for radiation research. FTSM were than pre-treated with NIR followed by X-radiation and examined for DNA double-strand break (DSB) repair, proliferation and apoptosis. Additionally, monolayer cell cultures were used to prove the impact of NIR on molecular mechanisms in X-radiated cells. The investigation of double-treated FTSM revealed a clear influence of NIR on X-radiation induced stress responses also in cells in their typical tissue environment. Double-treated FTSM show a significant persistence of DSBs compared to exclusively X-radiated FTSM. In addition, NIR pretreatment inhibits apoptosis induction and counteracts the radiation-induced proliferation inhibition in FTSM. Monolayer experiments indicate that chromatin remodeling might be the reason for the observed DNA-repair delay in double-treated cells. Also, the cell cycle associated transcription factor FOXM1 might play a role in the enhanced genomic instability of these cells. The results of this work suggest that cancer patients treated with X-rays should eventually be prevented from unregulated irradiation with NIR. On the other hand, controlled double-treatment could provide a possible alternative therapy approach with less radiation exposure.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > Developmental Biology and Neurogenetics
Date Deposited: 02 Dec 2016 12:07
Last Modified: 02 Dec 2016 12:07
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57590
Referees: Layer, Prof. Dr. Paul G. and Löbrich, Prof. Dr. Markus
Refereed: 28 October 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5759
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