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Zelluläre und molekularbiologische Grundlagen der vorzeitigen Alterung humaner Fibroblasten nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen und Kohlenstoff-Ionen

Winter, Marcus :
Zelluläre und molekularbiologische Grundlagen der vorzeitigen Alterung humaner Fibroblasten nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen und Kohlenstoff-Ionen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zelluläre und molekularbiologische Grundlagen der vorzeitigen Alterung humaner Fibroblasten nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen und Kohlenstoff-Ionen
Language: German
Abstract:

In der Strahlentherapie werden Tumore mit hohen Dosen bestrahlt, wobei das umgebende gesunde Gewebe bestmöglich geschont werden soll. Das invertierte Dosisprofil von schweren Ionen ermöglicht es, im Gegensatz zur Photonenstrahlung, tief liegende Tumore mit einer hohen Dosis zu bestrahlen und das davor liegende gesunde Gewebe zu schonen. Für die Abschätzung des Risikos von Spätkomplikationen nach der Bestrahlung ist eine genaue Kenntnis der biologischen Wirkung dieser verschiedenen Strahlenqualitäten erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb die Wirkung von Kohlenstoff-Ionen und Röntgenstrahlen auf die vorzeitige Alterung und Langzeitentwicklung humaner Hautfibroblasten untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf den ursprünglich bestrahlten Zellen und deren Nachkommen. Fibroblasten besitzen in-vitro nur eine begrenzte Lebensspanne, die mit der replikativen Seneszenz der Zellen endet. Bei bestrahlten Fibro-blasten werden Veränderungen beobachtet, die Übereinstimmungen mit der natürlich auftretenden Seneszenz zeigen. Diese strahleninduzierte vorzeitige Alterung der Fibroblasten spielt in der Strahlentherapie eine große Rolle bei der Entstehung von Spätkomplikationen, sie wird als ein Mechanismus zur Erhaltung der Integrität des Genoms angesehen. Die Untersuchung der strahleninduzierten Alterung wurde an AG 1522 Vorhaut-broblasten durchgeführt, die mit Kohlenstoff-Ionen (9,8 MeV/u) und Röntgenstrahlen (250 kV) in der G0/G1-Phase des Zellzyklus bestrahlt worden waren. Nach der Bestrahlung wurden die Zellen über mehrere Monate bis zur replikativen Seneszenz subkultiviert. In diesem Zeitraum wurde die Inhibition der Zellzyklusprogression mittels BrdU-Markierung und im Durflchusszytometer untersucht. Die vorzeitige Differenzierung und Alterung der Zellen wurde morphologisch und molekularbiologisch analysiert. Dazu wurden das Differenzierungsmuster der Zellen und die Expression bzw. Aktivität von Proteinen der Zellzykluskontrolle und der Seneszenz (p53, p21 (CIP1/WAF1/SDI1), p16(INK4a), beta-Galaktosidase) bestimmt. Sowohl die Bestrahlung mit Kohlenstoff-Ionen als auch mit Röntgenstrahlen führte zur dosisabhängigen Inhibition eines Teils der Population, an die sich die vorzeitige Differenzierung und Alterung der Zellen anschloss (Phase I). Kohlenstoff-Ionen haben dabei eine höhere Effektivität als Röntgenstrahlen. In allen bestrahlten Populationen existierte jedoch eine Subpopulation von Zellen, die weiter proliferierten und die schnell den Hauptteil der Population darstellten (Phase II). Das Aufwachsen dieser Subpopulation erfolgte nach Bestrahlung mit Kohlenstoff-Ionen schneller als nach Bestrahlung mit Röntgenstrahlen. Nach mehreren Monaten traten erneut Anzeichen einer vorzeitigen Differenzierung und Alterung auf, die dauerhaft war und bei einem früheren Zellalter als bei den Kontrollzellen auftrat (Phase III). In einem Fall trat dagegen nach Bestrahlung mit 16 Gy Röntgenstrahlen eine stark veränderte Expression von Proteinen der Zellzykluskontrolle auf, die von einem starken Populationswachstum, klonaler Expansion und genetischer Instabilität begleitet wurde. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass bestrahlte Fibroblasten mit DNA-Schäden durch Differenzierung und Seneszenz aus der proliferierenden Population entfernt werden. Auch diejenigen Zellen, die nach der Bestrahlung noch über längere Zeit proliferieren, haben eine begrenzte Lebensspanne. Dies gilt sowohl für die Bestrahlung mit Kohlenstoff-Ionen als auch für die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen. Bei beiden Strahlenqualitäten war die Zahl an Chromosomenaberrationen nicht größer als in der Kontrolle. Die Zellzyklusinhibition und vorzeitige Alterung ist demnach ein wirksamer Mechanismus zur Bewahrung der Integrität des Genoms. Das langsame Aufwachsen der mit Röntgenstrahlen bestrahlten Fibroblasten und das Auftreten eines stark proliferierenden instabilen Klons nach einer hohen Dosis Röntgenstrahlen deutet jedoch daraufhin, dass die Nachkommen der mit Röntgenstrahlen bestrahlten Fibroblasten stärker geschädigt sind als die Nachkommen der mit Kohlenstoff-Ionen bestrahlten Zellen. Diese Hypothese muss in weiteren Experimenten untersucht werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In radiation therapy tumors are treated with high doses, while at the same time the surrounding healthy tissue should be spared to the greatest possible extent. Unlike photon irradiation, the inversed dose depth profile of heavy ions allows irradiation of deeply seated tumors with a high dose and sparing of the preceding healthy tissue. The risk estimation of late complications after radiation therapy requires a precise knowledge of the biological effect of these differing radiation qualities. Therefore, in the present work the effect of carbon ions and X-rays on the premature aging and long term development of human skin fibroblasts was investigated. The emphasis of the investigation was placed on the originally irradiated cells and their progeny. Fibroblasts posses in-vitro only a limited life span, which terminates in the replicative senescence of the cells. In irradiated fibroblasts changes can be observed that show similarities to naturally occurring senescence. Radiation induced premature aging of fibroblasts plays a major role in the development of late complications and is regarded to be a mechanism to conserve genetic integrity. The investigation of radiation induced aging was conducted on AG 1522 human fore-skin fibroblasts that were irradiated with carbon ions (9,8 MeV/u) and X-rays (250 kV) during the G0/G1-phase of their cell cycle. After irradiation the cells were subcultured for several months until replicative senescence occurred. During this period the inhibition of cell cycle progression was measured by BrdU-labelling and flow cytometry. Premature differentiation and aging of the cells was analysed on the morphological and molecular level. In this regard, the differentiation pattern of the cells and the expression and activity of proteins involved in cell cycle control and senescence (p53, p21(CIP1/WAF1/SDI1), p16 (INK4a), -galactosidase) was measured. Both irradiation with carbon ions and X-rays lead to a dose dependent inhibition of a part of the population that was followed by a premature differentiation and aging of the cells (phase I). In this regard carbon ions were more effective than X-rays. However, in all irradiated populations a subpopulation of cells continued to proliferate and quickly became the prevailing population (phase II). The growth of this population was more rapid after irradiation with carbon ions than after irradiation with X-rays. After several months signs of premature differentiation and aging appeared again and prevailed, the onset of this development occurred at an earlier cell age than in control cells (phase III). In one case, after irradiation with 16 Gy X-rays, a pronounced change in the expression of proteins of the cell cycle control was observed that was accompanied by strong proliferation, clonal expansion and genomic instability. The results of the present work show that irradiated fibroblasts, which contain DNA damage, are removed from the proliferating pool by differentiation and senescence. Also those cells that continue to proliferate for an extended time after irradiation possess a limited life span. This is true for irradiation with carbon ions as well as X-rays. After both radiation qualities the frequency of chromosomal aberrations was not higher than in control cells. Thus, radiation induced cell cycle inhibition and premature aging are an effective mechanism to preserve genomic integrity. However, the slow regrow thafter irradiation with X-rays and the occurrence of a rapidly proliferating clone after a high dose of X-rays suggests that the progeny of fibroblasts irradiated with X-rays are more heavily damaged than the progeny of fibroblasts irradiated with carbon ions. This hypothesis has to be investigated in further experiments.English
Uncontrolled Keywords: fibroblast, heavy ion, x-ray, carbon ion, fibrosis, aging, radiation, differentiation, radiation quality, cell cycle arrest
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
fibroblast, heavy ion, x-ray, carbon ion, fibrosis, aging, radiation, differentiation, radiation quality, cell cycle arrestEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000870
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8707
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Kraft, Prof. Dr. Gerhard and Layer, Prof. Dr. Paul G.
Advisors: Kraft, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 8 August 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/870
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