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Radiobiological experiments for carbon ion prostate cancer therapy: Interplay of normal and tumor cells in co-culture and measurement of the oxygen enhancement ratio

von Neubeck, Cläre (2009)
Radiobiological experiments for carbon ion prostate cancer therapy: Interplay of normal and tumor cells in co-culture and measurement of the oxygen enhancement ratio.
Technische Universität
Ph.D. Thesis, Primary publication

Dissertation - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Radiobiological experiments for carbon ion prostate cancer therapy: Interplay of normal and tumor cells in co-culture and measurement of the oxygen enhancement ratio
Language: English
Referees: Thiel, Prof Dr Gerhard ; Kraft, Prof Dr Gerhard
Date: 30 November 2009
Place of Publication: Darmstadt
Date of oral examination: 28 September 2009

Co-culture models are helpful to examine cell to cell interactions in vitro and to assess the cross-communication between two particular cell populations. Co-culture systems partially reflect the complex in vivo situation: in this study an in vitro co-culture model of prostate cancer cells {(Dunning R-3327-AT-1)} and small intestine cells {(intestinal epithelium cell line 6)} of the rat was established to simulate the carbon ion treatment of prostate cancer patient at GSI. Both cell lines were characterized in mono-cultures for their radio-biological response against 250 kVp x-rays and carbon ions of 270 MeV/u, 100 MeV/u, and 11.4 MeV/u, respectively. The parameters of the linear quadratic model, alpha and beta, for cell survival curves were determined as well as the relative biological effectiveness {(RBE)}. The measured RBE values were compared to calculations of the local effect model and were in agreement with the calculations. The RBEalpha increased stronger for the more radio-resistant prostate cancer cell line than for the epithelium cell line. The survival of unirradiated and irradiated cells from co-culture {(250 kVp x-rays, 100 MeV/u and 11.4 MeV/u carbon ions)} was compared to mono-cultures under the same conditions. The measured effects were attributed to irradiation independent as well as irradiation dependent factors. To study these effects, the inflammatory cytokines TGFbeta, TNFalpha, and IL-2 were analyzed, but their secretion was independent of radiation. To study the problem of hypoxic cells in tumor treatment a hypoxia chamber was developed in which cells were grown under defined oxygen status. Prostate cancer cells were irradiated with 250 kVp x-rays and carbon ions with a mean LET of 100 keV/µm under oxic and hypoxic conditions. The oxygen enhancement ratios for 10\% survival were found to be OER 2.35 for x-rays and 1.5 for carbon ions. The results of the co-culture model and the experiments under defined oxygen status are discussed in relation to ongoing prostate cancer therapy.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Co-Kultur Systeme sind häufig ein geeignetes Modell um die Reaktion von Geweben in vitro zu untersuchen, die bei einer Strahlentherapie notwendigerweise gleichzeitig als Ziel-und Nachbarvolumen exponiert werden. In dieser Arbeit wurde ein Co-Kultur Modell auf Basis von Rattenzellen eines Prostatakarzinoms {(Dunning R-3327-AT-1)} und des Dünndarmepithels entwickelt um die Bestrahlungssituation eines Prostatakarzinompatienten zu simulieren. Beide Zelllinien wurden in Mono-Kulturen auf ihre Strahlensensitivität gegenüber 250 kVp Röntgen und 270 MeV/u, 100 MeV/u und 11.4 MeV/u Kohlenstoffionen untersucht. Aus den Überlebensdaten wurden die Parameter des Linear-Quadratischen Models, alpha und beta, errechnet und die relative biologische Wirksamkeit {(RBW)} bestimmt, wobei die RBWalpha der strahlenresistenteren Prostatakarzinomzellline im Gegensatz zur Dünndarmzelllinie größer war. Der Vergleich von RBW Werten errechnet mit dem local effect models zeigte sehr gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Werten. Die Daten aus Mono-Kulturen wurden verglichen mit Co-Kulturen unbestrahlter und bestrahlter Zellen {(250 kVp Röntgen, 100 MeV/u und 11.4 MeV/u Kohlenstoffionen)} beider Zelllinien. Die gemessene Synergie in den Co-Kulturen wurde auf bestrahlungsabhängige und -unabhängige Faktoren zurückgeführt. Um die Effekte zu untersuchen wurde die Sekretion der inflammatorischen Zytokine TGFbeta, TNFalpha und IL-2 gemessen. Es zeigte sich, dass deren Sekretion unabhängig von der Bestrahlung und der Co-Kultur war. In der Tumortherapie stellen hypoxische Tumorareale aufgrund erhöhter Strahlenresistenz ein Problem dar. Um Zellen unter definierten Sauerstoffbedingungen zu kultivieren und zu bestrahlen wurde eine Kammer entwickelt, in der der Sauerstoffgehalt gezielt reguliert werden kann. In dieser Kammer wurden die Prostatakarzinomzellen unter oxischen und hypoxischen Bedingungen mit Kohlenstoffionen mit einem LET von 100 keV/µm bestrahlt. Der Sauerstoffverstärkungsfaktor {(OER)} wurde für Röntgenbestrahlungen mit OER = 2,35 und für Kohlenstoffionen mit OER = 1,5 bestimmt. Die Ergebnisse der Co-Kultur und der Experimente mit definiertem Sauerstoffgehalt wurden unter dem Gesichtspunkt der Prostatakarzinomtherapie diskutiert.

Uncontrolled Keywords: Radiobiology, Hypoxia, Co-culture model, prostate cancer
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Radiobiology, Hypoxia, Co-culture model, prostate cancerEnglish
Radiobiologie, Hypoxie, Co-Kultur Modell, ProstatakarzinomGerman
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19731
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
Date Deposited: 02 Dec 2009 08:16
Last Modified: 08 Jul 2020 23:32
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1973
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