DNA-Reparaturfoci als Indikator der individuellen Strahlenempfindlichkeit

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1 Onkologisches Zentrum Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie 6. Senftenberger Innovationsforum; , Hochschule Lausitz, Senftenberg DNA-Reparaturfoci als Indikator der individuellen Strahlenempfindlichkeit E. Dikomey Labor für Strahlenbiologie & Experimentelle Radioonkologie Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf

2 DNA-Reparaturfoci Themen: - Wie entstehen Reparatur-Foci? - Wofür kann man Reparatur-Foci nutzen? Kern einer humanen Zelle Bestrahlung H2AX-Foci DNA-Doppelstrangbrüche

3 Was sind Reparatur-Foci und wie entstehen Sie?

4 DNA und Reparatur Repairsysteme in Säugerzellen Mismatch-Reparatur 4 Formen Basenexzisionsreparatur Short patch, long patch Nukleotidexzisionsreparatur Nicht-homologes Endjoining D-Form, B-Form Homologe Rekombination Single-Strand Annealing..

5 DNA und Reparatur Repairsysteme in Säugerzellen Mismatch-Reparatur 4 Formen Basenexzisionsreparatur Short patch, long patch Nukleotidexzisionsreparatur Nicht-homologes Endjoining D-Form, B-Form Homologe Rekombination Single-Strand Annealing.. DNA-Schäden nach Röntgenbestrahlung - von 100 erzeugten - 97 korrekt repariert falsch repariert nicht repariert

6 Reparaturmechanismen für DNA-Doppelstrangbrüche Iliakis, Dahm-Daphi, Dikomey; Med. Radiology 2009

7 Reparaturmechanismen für DNA-Doppelstrangbrüche Konsequenzen von falsch reparierten DSB Ku Control (0 Gy) control Ku Repair Ku Ku NHEJ: - sehr effektiv - Fehlerquote von 2% irradiated (6 Gy) irradiated, acentric, dicentric

8 Reparaturmechanismen für DNA-Doppelstrangbrüche Iliakis, Dahm-Daphi, Dikomey; Med. Radiology 2009

9 Entstehung von H2AX-Foci bei der Reparatur von Doppelstrangbrüchen IR H2AX foci MRN H2AX 53BP1, MDC1 P P P P P P H2AX foci

10 Entstehung von H2AX-Foci bei der Reparatur von Doppelstrangbrüchen IR H2AX foci MRN Control H2AX 53BP1, MDC1 P P P P P P Irradiated 0.5 h H2AX foci H2AX foci Irradiated 2 h H2AX foci Irradiated, 24 h H2AX foci Rothkamm and Löbrich et al. 2003

11 Entstehung von H2AX-Foci bei der Reparatur von Doppelstrangbrüchen Number of DSBs ( H2AX-foci) per cell Gy repair H2AX foci Normal human fibroblasts Control Irradiated, 0.5 h Irradiated, 2 h H2AX foci H2AX foci H2AX foci Repair incubation at 37 C, h Irradiated, 24 h H2AX foci Rothkamm and Löbrich et al. 2003

12 DNA-Reparaturfoci Themen: - Wie entstehen Reparatur-Foci? - Wofür kann man Reparatur-Foci nutzen? o Nachweis der Tumorstrahlenempfindlichkeit o Nachweis der individuellen Strahlenempfindlichkeit o Nachweis einer chronischen Strahlenexposition o Nachweis einer genomischen Instabilität

13 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Tumorstrahlenempfindlichkeit Zelluläre Strahlenempfindlichkeit DSB repair capacity 3Gy 24h H2AX foci Kasten-Pisula et al. IJROBP 2011 Kasten-Pisula et al. In prep. Surviving fraction Plateauphase, X 14h Col assay UTSCC5 UTSCC8 UTSCC14 UTSCC15 SCC45 SAS Cal33 XF354 FaDuDD HCS4 SAT A Dose, Gy Number of H2AX foci 24h after 3Gy HSC4 SCC14 FaDuDD SCC45 SAT SCC8 Cal33 Cell line SCC15 SCC5 SAS XF Repair capacity H2AX

14 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Tumorstrahlenempfindlichkeit Zelluläre Strahlenempfindlichkeit DSB repair capacity 3Gy 24h H2AX foci Surviving fraction G Kasten-Pisula et al. IJROBP 2011 UTSCC5 UTSCC8 UTSCC14 UTSCC15 SCC45 SAS Cal33 XF354 FaDuDD HCS4 SAT A431 Plateauphase, X 14h Col assay G1 S/G2 G2 G1/S G1 0 G1 3 6 Dose, Gy Surviving fraction at 3Gy,SF3Gy Kasten-Pisula et al. In prep. XF354 UTSCC15 UTSCC45 Cal33 UTSCC5 FaDuDD SAS HSC4 SAT UTSCC14 UTSCC8 SAS r²=0.882 p= Residual H2AX foci per cell at 3Gy H2AX 53Bp1 merge G1/S G1 Kolokalisation mit anderen Foci Gegenfärbung bzgl. Zellzyklus

15 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Individuelle Strahlenempfindlichkeit Prädiktion einer akuten oder späten Normalgewebereaktion nach Strahlentherapie Akutreaktion Spätreaktion Mucositis Fibrosis

16 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Individuelle Strahlenempfindlichkeit Prädiktion einer akuten oder späten Normalgewebereaktion nach Strahlentherapie G0-assay Lymphocytes (unstimulated) In-vitro-irradiation with 6 Gy Stimulation in cell cycle Block in metaphase Analysis of lethal chromosome aberrations irradiated (6 Gy), acentric, dicentric Number of patients Number of patients resistant n= resistant normal sensitive Individual radiosensitivity at 6 Gy n=87 MV= (SD) resistant n=10 MV= (SD) normal n=56 normal, n=61 sensitive n=13 sensitive n=16 Pts with fibrosis grade (%) Patients with grade 2/3 (%) Hoeller et al. R&O Late reaction resistent normal sensitive Individual radiosensitivity at 6 Gy resistant normal sensitive Individual radiosensitivity at 6 Gy (Chromosomal deletions per Lab cell) of Radiobiology & Experimental Individual Radiooncology radiosensitivity at 6 Gy UKE years after radiotherapy Fibrosis grade 2/3 n=86 p=0.043 Borgmann et al. IJROBP Acute reaction Grade 2/3 n=87 p=0.023

17 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Individuelle Strahlenempfindlichkeit Prädiktion einer akuten oder späten Normalgewebereaktion nach Strahlentherapie G0 foci assay Lymphocytes (unstimulated) In-vitro-irradiation with 6 Gy Incubation for 24h Analysis of DSB repair foci Probleme Lymphozyten sind kleiner und runder bis zu 5 Schichtaufnahmen pro Zelle Lymphozyten begrenzt haltbar Lymphozyten machen Apoptose Variation der Reparaturkapazität von nur 97-99%!!! Auszählung von Zellen pro Patient Automation!!!! Rübe et al PLoS ONE

18 DNA-Reparaturfoci Themen: - Wie entstehen Reparatur-Foci? - Wofür kann man Reparatur-Foci nutzen? o Nachweis der Tumorstrahlenempfindlichkeit o Nachweis der individuellen Strahlenempfindlichkeit o Nachweis einer chronischen Strahlenexposition o Nachweis einer genomischen Instabilität

19 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Chronische Strahlenexposition Medizinisch Röntgendiagnostik, CT, etc Strahlentherapie, IMRT. G0 foci assay Lymphocytes (unstimulated) In-vitro-irradiation with 6 Gy Incubation for 24h Analysis of DSB repair foci Probleme Lymphozyten sind kleiner und runder bis zu 5 Schichtaufnahmen pro Zelle Lymphozyten begrenzt haltbar Lymphozyten machen Apoptose Variation der Reparaturkapazität von nur 97-99%!!! Auszählung von Zellen pro Patient Automation!!!! Löbrich et al PNAS

20 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Chronische Strahlenexposition Medizinisch Zivilisatorisch In Abh. vom Alter Rübe et al PLoS ONE

21 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Chronische Strahlenexposition Medizinisch Zivilisatorisch In Abh. vom Alter In Abh. von Strahlenexposition (Uranbergbauarbeiter) Wismut Cohorte Physikalische Dosis abgeschätzt Individuelle biologische Dosis unbekannt!!! Zellen pro Person!!! Automatisierung!!!!

22 Reparaturmechanismen für DNA-Doppelstrangbrüche Konsequenzen von falsch reparierten DSB Ku Control (0 Gy) control Ku Repair Ku Ku NHEJ: - sehr effektiv - Fehlerquote von 2% irradiated (6 Gy) irradiated, acentric, dicentric

23 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? RAD51 foci RAD51 foci Indikator Genomische Instabilität Tumorprognose Krebsrisiko?? Metastasierungsrisiko?? Proben Zellen Gewebearray Automatisierung Overall survival Colon cancer, n=1052 RAD51 negative (n=649) weak (n=409) moderate (n=139) strong (n=12) p= Time after therapy, months Lab of Radiobiology & Experimental Tennstedt Radiooncology et al UKE in prep.

24 Wofür kann man den Nachweis von DNA-Reparaturfoci nutzen? Strukturplan Strukturplan des des Kompetenzverbundes: Kompetenzverbundes: DNA-Reparaturfoci DNA-Reparaturfoci als als Marker Marker der der individuellen individuellen Strahlenempfindlichkeit Strahlenempfindlichkeit AP3 Individuelle Strahlenempfindlichkeit Uni HH AP1 Chronische Strahlenexposition BfS AP4 Strahlentherapie Uni Saarland AP7 Automatisierung MEDIPAN AP2 Niedrig Dosis Bestrahlung Uni Saarland AP5 Tumorstrahlenempfindlichkeit Uni DD AP6 Genomische Instabilität Uni HH AP8 AP8 Qualitätsmanagement Qualitätsmanagement

25 Labor für Strahlenbiologie & Experimentelle Radioonkologie Dr. S. Reuther DP. Dr. K. Borgmann DP. Dr. K. Raabe Dr. W. Mansour

26 danke

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