Das Institut für Strahlenbiologie (ISB)

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1 Institut für Strahlenbiologie Institute of Radiobiology Neuherberg (Direktorin / Director: Prof. Dr. Friederike Eckardt-Schupp [komm.]) Die Institute Das Institut für Strahlenbiologie (ISB) besitzt eine lange Tradition in der Erforschung der Wirkungsmechanismen ionisierender Strahlung auf molekularer, chromosomaler und zellulärer Ebene, sowie an Tiermodellen. Die Erkenntnisse dieser strahlenbiologischen Forschung stehen für gesetzgebende Maßnahmen zur Verfügung. Sie dienen der Verbesserung des Strahlenschutzes der Bevölkerung, die zunehmender Strahlenbelastung in Umwelt und Medizin ausgesetzt ist, und der Optimierung strahlendiagnostischer und -therapeutischer Verfahren. Schwerpunkte der Grundlagenforschung sind die Analyse von wichtigen DNA Schäden die durch Strahlen und Radikale erzeugt werden, sowie von DNA Reparaturprozessen. Reparaturprozesse haben große Bedeutung für die Wahrung der genomischen Stabilität, und sie sind vernetzt mit anderen Antworten der Zelle auf Strahlung, wie zum Beispiel der Regulation des Zellzyklus und der Apoptose. Für diese Prozesse etablieren wir funktionelle Assays und Marker, die in der Klinik als Indikatoren für Überempfindlichkeit gegen Strahlung einen prognostischen Wert haben und der Individualisierung der Strahlentherapie dienen sollen. Dieses Ziel verfolgt auch das dynamische Magnetresonanz-Imaging (MRI) am Tiermodell. Zytogenetische Arbeiten zur Quantifizierung der relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) von verschiedenen Strahlenarten bilden eine wichtige Basis für den Strahlenschutz und für strahlenepidemiologische Analysen (in Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Strahlenschutz und dem Strahlenbiologischen Institut der Ludwig- Maximilian-Universität). In einer epidemio- T he Institute of Radiobiology has a long tradition of research into the mechanisms of action of ionising radiation at the molecular, chromosomal, and cellular levels and in animal models. The results of the radiobiological research are available for use in the formulation of legal instruments and serve as a basis for improving the radiation protection of the population, which is increasingly exposed to radiation in the environment and medicine, and optimising diagnostic and therapeutic techniques. The research focuses on the analysis of significant DNA damage induced by radiation and radicals, and of DNA repair processes. Repair processes are important for the maintenance of genomic stability and are linked with other cellular responses to radiation, like the regulation of the cell cycle and apoptosis. For these processes, we establish functional assays and markers that have a prognostic value in clinical medicine as indicators of increased sensitivity to radiation and can contribute to individualised radiation therapy. Investigation of dynamic magnetic resonance imaging (MRI) in animal models has the same goal. Cytogenetic research on the quantification of the relative biological effectiveness (RBE) of various types of radiation provides the basis for radiation protection and radioepidemiological analyses (together with the Federal Office of Radiation Protection and the Radiobiological Institute of the Ludwig-Maximilian-University). The late effects of therapy of ankylosing spondylitis (Morbus Bechterew) patients with radio- GSF 239

2 logischen Langzeitstudie werden die Spätfolgen der Therapie von Bechterew-Patienten mit radioaktiven Isotopen analysiert und bewertet. Das Institut ist im Rahmen technischer Dienstleistungen für den Betrieb des Isotopenhauses verantwortlich, in dem Arbeitsund Messplätze für radioaktive Stoffe, Ganzkörperzähler, Szintillationskamera und Bestrahlungsanlagen für dicht und locker ionisierende Strahlen verfügbar sind. Die Arbeitsgruppe DNA Reparatur beteiligt sich am Helmholtz-Programm Umweltbedingte Störungen der Gesundheit im Bereich Antworten auf DNA-Schäden. Es werden ausgewählte Reparaturgene untersucht, die in strahlengeschädigten Zellen die Entscheidung kontrollieren, ob Reparaturoder Zelltod-Prozesse aktiviert werden. Arbeitsgruppenleiterin: Prof. Dr. Friederike Eckardt-Schupp. Die Arbeitsgruppe Strahlenepidemiologie beteiligt sich am Helmholtz-Programm Umweltbedingte Störungen der Gesundheit im Bereich Niedrige Strahlendosen. Die Arbeitsgruppe führt eine Langzeitstudie über das somatische Risiko von Spätschäden bei Bechterew-Patienten durch, die mit dem kurzlebigen α-strahler 224 Radium therapiert worden waren. In Kooperation mit dem Institut für Molekulare Strahlenbiologie werden zytogenetische Marker etabliert, die der Prognose des Erfolgs der Strahlentherapie von Tumoren dienen können. An Tumormodellen im Tier werden nicht-invasiv mit dynamischem Magnetresonanz-Imaging (MRI) Änderungen der Mikrozirkulation und des Sauerstoffstatus sowie der Hypoxie untersucht, die ebenfalls als Kriterien für erfolgreiche Strahlentherapie von Tumoren dienen. Arbeitsgruppenleiter: Dr. Roland Wick. Die Arbeitsgruppe Freie Radikale beteiligt sich am Helmholtz-Programm Umweltbedingte Störungen der Gesundheit im Bereich Oxidativer Stress. Die Arbeitsgruppe untersucht mit Hilfe von Pulsradiolyse und Elektronenspinresonanz-Spektroskopie schnelle Radikalreaktionen, die die antioxidative Wirkung von Radikalfänger- Molekülen erklären. Arbeitsgruppenleiter: Dr. Wolf Bors. Im Jahr 2005 waren im Institut für Strahlenbiologie 9 Wissenschaftler/innen und active isotopes is analysed and evaluated in a long-term epidemiological study. The Institute is responsible for operating the Isotope Facility as a technical support and service unit. The facility has work stations and measurement devices for radioactive substances, whole body counters, a scintillation camera, and irradiation facilities for densely and sparsely ionising radiation. The research group DNA Repair participates in the Helmholtz programme on Environmental Health Disorders on the topic Response to DNA damage. Selected repair genes are investigated which control the decision of whether repair or cell death processes are activated in cells damaged by radiation. Group Head: Professor Friederike Eckardt-Schupp The Research Group Radiation Epidemiology participates in the Helmholtz programme on Environmental Health Disorders on the topic Low Radiation Doses. A long-term study on the somatik risk of late effects is carried out in ankylosing spondylitis patients (Morbus Bechterew) who were treated with short-lived α radiation from 224 radium. In cooperation with the Institute of Molecular Radiation Biology, the group is establishing cytogenetic markers that can support prognosis of the success of radiation therapy of tumours. They are investigating changes in micro circulation, oxygen status, and hypoxia in animal tumour models using non-invasive dynamic magnetic resonance imaging (MRI). Group Head: Dr. Roland Wick. The research group Free Radicals participates in the Helmholtz programme on Environmental Health Disorders on the topic Oxidative Stress. Using pulse radiolysis and electron spin resonance spectroscopy, the group investigates the rapid radical reactions that are involved in the antioxidative effect of radical capturing molecules. Group Head: Dr. Wolf Bors In 2005, there were 9 scientists, 6 technicians, and 3 undergraduate and 5 postgraduate students at the Institute. 240 GSF

3 6 technische Mitarbeiter/innen, sowie 3 Diplomanden/innen und 5 Doktoranden/ innen tätig. Funktionelle Testverfahren zur Abschätzung der individuellen Strahlenempfindlichkeit I. Müller und F. Eckardt-Schupp Patienten, die sich einer Strahlentherapie unterziehen müssen, zeigen aufgrund variierender Strahlensensitivität sehr unterschiedliche Reaktionen auf ionisierende Strahlung. Während die meisten Patienten relativ spät nur leichte Reaktionen zeigen, treten bei 5-10 % der Patienten akute Strahleneffekte auf. Daher ist das Erkennen von Risikogruppen mit erhöhter individueller Strahlenempfindlichkeit ein wichtiges Ziel des Strahlenschutzes. Unsere in engem Kontakt mit Kliniken durchgeführten Projekte haben zum Ziel, durch funktionelle Testverfahren und langfristig durch molekulare Marker Indikatoren für individuelle Strahlenempfindlichkeit zu finden. Die Auswahl dieser Parameter basiert auf unseren molekularen und zellulären Analysen der Zellen von Patienten mit erblichen Reparaturdefekt-Syndromen, z.b. dem Nijmegen Breakage Syndrom (NBS). Für diese Studie stehen uns Leukämie- Patienten und Lungentumor-Patienten aus Leukämie- Patienten in vivo- Bestrahlung Akute klinische Reaktionen 5 Jahres- Nachuntersuchung KORA-Kontrollpersonen LUCY-Patienten Isolierte Lymphozyten Analysen der Strahlenempfindlichkeit 1. DNA Reparatur (Comet Assay) 2. Apoptose (Annexin V) 3. Proteinanalyse 4. Kandidatengene 5. Chromosomenaberrationen 6. Reparatur von oxidativen Schäden Analysen und Vergleich zellulärer und klinischer Strahlenreaktionen in vitro- Bestrahlung Abb. 1: Aufbau der Studie. Durch Analyse des Reparatur- und Apoptoseverhaltens nach Bestrahlung sollen Patienten ermittelt werden, deren Lymphozyten auffällige Reaktionen nach in vitro Bestrahlung zeigen. Die auffallenden Proben sollen biochemisch/molekularbiologisch bzgl. möglicher prädisponierender Kandidatengene und proteine untersucht werden. der LUCY-Studie sowie als Kontrolle klinisch unauffällige Personen aus der KORA-Studie zur Verfügung (Abb. 1). Als geeignete Testverfahren wurden die Einzelzell-Gelelektrophorese (Comet Assay) für Reparatur von DNA-Brüchen sowie der AnnexinV Assay für Die Institute 0,8 Gy nekrotische Zellen Annexin Propidiumiodid CD3/CD19 lebende Zellen apoptotische Zellen Annexin Abb. 2: Messung der Apoptose in vitro-bestrahlter Lymphozyten im FACS. Links: Detektion der B- und T-Lymphozyten durch CD3- und CD19-spezifische fluoreszenzmarkierte Antikörper. Rechts: Nachweis toter Zellen mit Propidiumiodid (PI) und vorwiegend apoptotischer Zellen durch Annexin V. GSF 241

4 Apoptose ausgewählt. Der alkalische Comet Assay ermöglicht die Quantifizierung der Reparatur von strahleninduzierten Einzelund Doppelstrangbrüchen. Die Apoptosefrequenz in Lymphozyten von Patienten und Kontrollpersonen messen wir mittels Durchflusszytometrie (FACS) (Abb. 2). Apoptose, auch als programmierter Zelltod bezeichnet, kann durch ionisierende Strahlung und Radikale (ROS) über verschiedene Signalketten ausgelöst werden. Wir konnten an unserem Modellsystem NBS nachweisen, dass erhöhte Strahlenempfindlichkeit mit erhöhter Apoptosehäufigkeit korrelieren kann, ohne dass die Reparaturkapzität beeinträchtigt ist. Überraschenderweise hat die Apoptose- Messung ergeben, dass Leukämiepatienten häufig eine eher abgeschwächte Apoptose- Induktion nach ionisierender Strahlung zeigen. Möglicherweise bleiben dadurch präkanzerogene Zellen erhalten, die anderenfalls durch Apoptose eliminiert werden. Andererseits wurden in beiden Patientenkollektiven einzelne Patientenproben gefunden, die eine deutlich erhöhte Apoptoserate im Vergleich zu Kontrollen und im Vergleich zum Mittelwert der Patienten aufweisen. Dabei sollte es sich um strahlenüberempfindliche Blut-Zellen handeln, die möglicherweise mit einer erhöhten klinischen Strahlenüberempfindlichkeit der Patienten korrelieren. (Zusammenarbeit mit den GSF- Instituten für Epidemiologie und Toxikologie, den Universitätskliniken der LMU in München-Großhadern und Regensburg und dem Bundesamt für Strahlenschutz; BfS). Prognostische zytogenetische Marker für den Verlauf der Strahlentherapie G. Jackl In Zusammenarbeit mit dem Institut für Molekulare Strahlenbiologie werden Kopf/ Hals Tumore von Patienten mit einem ungünstigen klinischen Verlauf nach Strahlentherapie untersucht. In diesen Tumoren wurden zytogenetische Veränderungen auf den Chromosomen 16q und 18p identifiziert, die mit einem signifikant verringertem Überleben nach Strahlentherapie einhergehen. Es wurde ein hochauflösender BAC Array für Chromosom 16q hergestellt, der die Eingrenzung des veränderten Chromosomenbereichs erlaubt, sowie die Identifizierung von Kandidatengenen, die bei der Ausprägung einer erhöhten Strahlenresistenz dieser Tumoren eine Rolle spielen. Relative biologische Wirksamkeit von hochenergetischen Neutronen E. Schmid, M. Haney In den oberen Schichten der Erdatmosphäre, die für den Flugverkehr genutzt wird, entstehen Neutronen von vielen Megaelektronenvolt (MeV), die für das Flugpersonal eine erhöhte Strahlenbelastung darstellen. In Wissenschaft, Politik und Öffentlichkeit wird das möglicherweise erhöhte Krebsrisiko bei Flügen in Höhen über m diskutiert, das aus der erhöhten relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) von Neutronen abgeleitet wird. Unter der RBW einer Strahlenart versteht man das Verhältnis der Energiedosen, bei denen die gewählte Referenzstrahlung und die untersuchte Strahlung dieselbe biologische Wirkung hervorrufen. Eine Bestrahlung von menschlichen Blutlymphozyten in Kultur (in vitro) wie auch im Körper (in vivo) führt zu vergleichbaren Aberrationsraten, so dass durch eine Chromosomenanalyse, zum Beispiel durch Quantifizierung der dizentrischen Chromosomen, die Dosis einer Strahlenexposition bestimmt werden kann. Über die RBW hochenergetischer Neutronen ( MeV) liegen keine verlässlichen Kenntnisse vor. Deshalb wird in einem vom BfS geförderten Forschungsvorhaben gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig die RBW von monoenergetischen Neutronen mit Energien bis zu 200 MeV anhand der Häufigkeit von Chromosomenaberrationen in menschlichen peripheren Lymphozyten analysiert. Frühere Befunde zeigten, dass die RBW für monoenergetische Neutronen mit ansteigender Energie von 0,4 MeV bis 60 MeV abnimmt (Abb. 3). Die neuen Analysen erbrachten für monoenergetische 60 MeV Neutronen im Vergleich zu 60 Co-γ-Strahlen einen RBW- Wert von 11 ± 4 und in vorläufigen Untersuchung für monoenergetische 200 MeV Neutronen einen RBW-Wert von 15 ± 7. Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass eine RBW von 110, wie er in einem früheren 242 GSF

5 yield coefficient α / Gy ,1 0,05 0,01 zytogenetischen in vitro Experiment für die Neutronenkomponente der kosmischen Strahlung ermittelt wurde (A. Heimers, Bremen), sicherlich nicht zu erwarten ist. Diese Forschungsergebnisse werden von nationalen und internationalen Gremien (z.b. SSK, ICRP, BEIR VII) genutzt. Epidemiologische Untersuchungen an 224 Radium-behandelten Bechterew-Patienten R. Wick monoenergetic neutrons quasi monoenergetic neutrons 0, neutron energy E / MeV Abb. 3: Dosiswirkungskoeffizienten α (± Standardfehler) für die Induktion von dizentrischen Chromosomen in menschlichen Lymphozyten als Funktion der Neutronenenergie sowie die maximale RBW (RBW im niederen Dosisbereich, RBW M ) relativ zur 60 Co-Gammastrahlung. RBE M 10 Das somatische Risiko von Strahlenspätschäden nach Inkorporation des kurzlebigen α-strahlers 224 Radium (mittlere α-skelettdosis: 0,56 0,67 Gy; Knochenoberflächendosis: ~ 5,5 Gy) zur Therapie von Bechterew- Patienten wird in einer Langzeitstudie analysiert. Ziel ist die Erfassung und Bewertung von Tumorerkrankungen und Todesursachen, die mit dieser Therapie möglicherweise in Zusammenhang stehen. Bisher wurden 1475 Patienten erfasst, die in den Jahren 1948 bis 1975 mit 224 Ra, aber ohne Röntgenstrahlentherapie behandelt wurden, sowie eine Kontrollgruppe von 1328 Bechterew-Patienten, die auf konventionelle Weise, ebenfalls ohne Röntgenstrahlentherapie, zur Linderung der Symptome ihres Leidens behandelt wurden. Für eine Beobachtungszeit von 25 bzw. 24 Jahren für die Expositions- bzw. Kontrollgruppe liegen gesicherte Todesursachen für 969 Patienten der Expositionsgruppe und für 1037 Patienten der Kontrollgruppe vor. Neben bösartigen Nieren-, Leber- und Schilddrüsentumoren in der Expositionsgruppe ist eine signifikante Erhöhung der Leukämien auf 16 Fälle in der Expositionsgruppe im Vergleich zu 10 Fällen in der Kontrollgruppe, insbesondere der myeloischen Leukämien (Expositionsgruppe: 10 Fälle, Kontrollgruppe: 4 Fälle) auffällig. Weiterhin wurden in der Expositionsgruppe 3 Fälle von Osteomyelosklerose bzw. -fibrose und myelodysplastischem Syndrom beobachtet, während in der Kontrollgruppe kein Fall bekannt wurde. Internationales Strahlenbiologie-Archiv für Langzeit-Tierversuche (IRA) R. Wick Die Arbeiten des Internationalen Strahlenbiologie-Archivs von Langzeit-Tierversuchen (IRA) im Rahmen eines vom ISB koordinierten EU-Projektes (ERA-Database) sind abgeschlossen. Das Archiv enthält Beschreibungen von europäischen, amerikanischen und japanischen Tierversuchen mit Individuen der verschiedenen exponierten Tierspezies sowie der entsprechenden Bestrahlungsbedingungen; für etwa Fälle sind die kompletten Überlebens- und Pathologiedaten dokumentiert. Eine Zusammenfassung der Daten ist im Web unter einzusehen. Das Archiv wurde dem BfS in Neuherberg übertragen. Im Rahmen eines neuen vom BfS koordinierten EU-Vertrages wird das ISB als Mitglied des Advisory Committees an der Fortführung des Archivs beteiligt. Magnetresonanzbildgebung: Microimaging an Mäusen U. Nöth Für die zeitlich und räumlich hochaufgelöste Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) an kleinen Nagern (Mäuse, Hamster) steht am ISB ein 9,4 Tesla Widebore MR Spektrometer (Bruker DSX400) mit einem Microimaging Gradienteneinsatz zur Verfügung. Nach dem Umzug des MR Spektrometers in ein neues Labor in der German Mouse Clinic II der GSF und einer Modernisierung durch neue Software werden voraussichtlich ab Mitte 2006 wieder in vivo Studien durchgeführt Die Institute GSF 243

6 werden können. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Experimentelle Genetik (IEG) sind anatomische und funktionelle Untersuchungen an Mausmutanten vorgesehen. Geplant sind fernerhin Untersuchungen zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs des Sauerstoffpartialdrucks in Tumormodellen der Maus. Bei Strahlentherapie kann hypoxisches Tumorgewebe maßgeblich zu Strahlenresistenz beitragen. Mit verkapselten fluorierten Kontrastmitteln, die vom Immunsystem nicht erkannt werden, soll der Sauerstoffpartialdruck quantifiziert und während der gesamten Wachstumsperiode des Tumors bestimmt werden. Ziel ist die Etablierung von Verfahren zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in Tumorgewebe. Analyse reaktiver Sauerstoffradikale mit Elektronen-Spin-Resonanz W. Bors Die Analyse der Bildungs- und Zerfallkinetiken von Radikalen unter Verwendung von Elektronen-Spin-Resonanz Spektroskopie (ESR) und Pulsradiolyse hat im ISB eine lange Tradition. Von großer Bedeutung sind reaktive Sauerstoffspezies (reactive oxygen species; ROS), die zum Beispiel durch Strahlung und ultrafeine Partikel (UFP), sowie u.a. bei der Atmung und bei Entzündungsprozessen in Zellen entstehen und oxidativen Stress verursachen. ROS können DNA, Proteine und Lipide schädigen, was durch ein zelluläres Netzwerk von Schutz- und Reparaturprozessen beantwortet wird. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Inhalationsbiologie wurde nachgewiesen, dass verschiedene Arten von UFP, unter anderem Dieselruß-Partikel, in primären Alveolar- Makrophagen von Hund und Mensch ROS produzieren und zellulären oxidativen Stress hervorrufen. ESR und Pulsradiolyse sind weiterhin für Kooperationsprojekte einsatzbereit, obwohl das Vorhaben im Jahr 2005 beendet wurde. Zusammenarbeit Das Institut für Strahlenbiologie ist im Rahmen des Strahlenschutzforschungs-Programmes der EU an Projekten zur Strahlenepidemiologie beteiligt, sowie an nationalen Projekten, die die Identifizierung molekularer Biomarker für zelluläre und klinische Strahlenempfindlichkeit zum Ziel haben (zusammen mit dem GSF-Institut für Epidemiologie, DKFZ, IMB, den Universitäts-Kliniken München-Großhadern, Regensburg, Münster und Bochum, sowie dem Bundesamt für Strahlenschutz). Drittmittelförderung Die Arbeiten wurden durch Mittel der EU und des BfS gefördert. Gremien Frau Prof. Friederike Eckardt-Schupp ist Mitglied der Strahlenschutz-Kommission der Bundesrepublik (SSK) und des SSK-Ausschusses Strahlenrisiko. Lehre an Universitäten Frau Prof. Friederike Eckardt-Schupp ist Mitglied der Fakultät für Biologie der Ludwig-Maximilians-Universität München. Mitglieder des Instituts beteiligen sich an der Lehre der Institute für Genetik und Humangenetik der LMU-Fakultät für Biologie. Ausgewählte Veröffentlichungen Amme, M., Bors, W., Michel, C., Stettmaier, K., Rasmussen, G., Betti, M.: Effects of FE(II) and hydrogen peroxide interaction upon dissolving UO2 under Geologic repository conditions. Environ.Sc.Technol. 39/1, (2005) Beck-Speier, I., Dayal, N., Karg, E., Maier, K.L., Schumann, G., Schulz, H., Semmler, M., Takenaka, S., Stettmaier, K., Bors, W., Ghio, A., Samet, J.M., Heyder, J.: Oxidative stress and lipid mediators induced in alveolar macrophages by ultrafine particles. Free Radical Biol. Med. 38, (2005) Gehrmann, M., Marienhagen, J., Eichholtz-Wirth, H., Fritz, E., Ellwart, J., Jäättela, M., Zilch, T., Multhoff, G.: Dual function of membrane-bound heat shock protein 70 (Hsp70), Bag-4, and Hsp40: protection against radiationinduced effects and target structure for natural killer cells. Cell Death Differ. 12, (2005) G. B. Gerber, R. R. Wick, A. M. Kellerer, J. W. Hopewell, V. Di Majo, N. Dudoignon, W. Gössner, J. Stather, The European Radiobiology Archives (ERA) Content, structure and use illustrated by an example. Radiat. Prot. Dosimetry. (2005 Oct 21); PMID: Seidl, Ch., Schröck, H., Seidenschwang, S., Beck, R., Schmid, E., Abend, M., Becker, K.-F., Apostolidis, Ch., Nikula, T.K., Kremmer, E., Schwaiger, M., Senekowitsch- Schmidtke, R.: Cell death triggered by alpha-emitting 213Bi-immunoconjugates in HSC45-M2 gastric cancer cells is different from apoptotic cell death. Eur.J.Nucl.Med.Mol.Imag. 32/3, (2005) 244 GSF