Vorlesung Strahlenbiologie

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1 Vorlesung Strahlenbiologie für Studierende der Molekularen Medizin im Rahmen des Isotopenpraktikums 14. März 2014 Thomas Meyer Klinik für Psychosomatische Medizin und Psychotherapie

2 Ionisierende Strahlung Direkt ionisierende Strahlung Indirekt ionisierende Strahlung Geladene Teilchen Protonen Elektronen Ionen.. Ungeladene Teilchen Photonen Neutronen.. Röntgen- und -Strahlen

3 Radioaktivität: radioaktiver Zerfall Wir unterscheiden: geladene Teilchen oder ungeladene γ-quanten (Photonen) Diese Teilchen oder Photonen ionisieren andere Atome - direkt oder indirekt. Röntgenröhre oder Linearbeschleuniger: Quellen der Röntgenstrahlung Rö-Quanten ionisieren andere Atome indirekt via Sekundärelektronen. Fingerring- Dosimeter Duales Spiral Computertomograph LINAC (Linearbeschleuniger) Ionisierende Strahlung: potentiell schädlich (Strahlenschutz), aber auch nützlich anwendbar in Diagnostik und Strahlentherapie

4 Linearer Energietransfer (LET) LET = E / x (kev / m) E = übertragene Energie x = Teilchenbahnsegment

5 Relative biologische Wirksamkeit (RBW) RBW = Energiedosis Rö-Strahlung / Energiedosis Strahlung bei gleicher Wirkung Referenzstrahlung = kv Röntgenstrahlung

6 Dosimetrische Größen Energiedosis D = Energie/Masse [1J/1kg = 1 Gy] E / m Äquivalentdosis H = D x w R [1 Sv] w R: Strahlenwichtungsfaktor

7 Äquivalent- Dosis H T = Σ w R x D T, R [1 Sv] w R = Strahlungs-Wichtungsfaktor D T, R = Äquivalent-Energiedosis, die durch die Strahlung R erzeugt wird Für eine Strahlungsart : H = w R x D [1 Sv] Z.B. für Rö-Strahlung und ß Strahler gilt: 1 Gy = 1 Sv

8 Strahlungs-Wichtungsfaktoren w R Photonen, alle Energien 1 Elektronen, alle Energien 1 Neutronen, E < 10 kev 5 Neutronen, E = 10 bis 100 kev 10 Neutronen, E = 100 kev bis 2 MeV 20 Neutronen, E = 2 MeV bis 20 MeV 10 Neutronen, E > 20 MeV 5 Protonen, E > 2 MeV 5 Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne 20

9 Variable Strahlenempfindlichkeit einzelner Zelltypen/Organe 1. Periphere Lymphozyten und rotes Knochenmark 2. Weibliche Brust 3. Schilddrüse 4. Lunge, Magen, Dickdarm 5. Knochenoberfläche 6. Andere Organe 7. Haut

10 Effektive Dosis: (Summe der gewichteten Organdosen) E = Σ w T x H T = Σ w T Σ w R x D T, R [1 Sv] T R w T = Gewebe-Wichtungsfaktor Σ w T = 1

11 Gewebe-Wichtungsfaktoren w T Keimdrüsen 0.20 Knochenmark (rot) 0.12 Dickdarm 0.12 Lunge 0.12 Magen 0.12 Blase 0.05 Brust 0.05 Leber 0.05 Speiseröhre 0.05 Schilddrüse 0.05 Haut 0.01 Knochenoberfläche 0.01 Andere Organe und Gewebe 0.05 Σ w T = 1

12 Ebenen der Strahlenwirkung Molekulare Ebene Subzelluläre Ebene Zelluläre Ebene Gewebsebene Organismus Schäden an Molekülen (DNA, Proteine) Schäden an Zellmembranen, Zellkern, Chromosomen, Mitochondrien Zellzyklusveränderungen, Zelltod, Zelltransformation (Karzinogenese) Funktionsstörungen, Zentralnervensystem Blutbildung, Darm Tod, Lebenszeitverkürzung Mutationen im Erbgut (Genetik)

13 Strahleninduzierte Kardiotoxizität Für Herzdosen >15 Gy oder fraktionierte Dosen >36 Gy, ist das erste Zeichen einer Schädigung die akute Perikarditis. Diese kann entweder abklingen oder aber zu einer chronischen konstriktiven Perikarditis führen. Herzdosen >8 Gy führen zu einer beschleunigten Atherosklerose Entstehung und damit zu einem höheren (ca. 1,5fach) Herzinfarkt Risiko. Bei kleineren Dosen ist die Myokard Schädigung primär durch Schäden in der Mikrovaskulatur verursacht und kann zu einer interstitiellen Fibrose führen.

14 Jährliche Strahlenexposition durch natürliche Strahlenquellen Externe plus interne Quellen Kosmische Strahlenquellen Effektive Jahresdosis 0.30 msv/a Terrestrische Strahlenquellen 0.15 msv/a Mittlere Gesamtbelastung Lungendosis (Radonexposition) 2.40 msv/a 20 bis 200 msv/a

15 Schäden durch ionisierende Strahlung im Vergleich Direkte Schäden durch Ionisationen : 30 bis 40% Indirekte Schäden durch Wasser-Radikale (ROS) (Wasser-Radiolyse) und weitere reaktive Sauerstoffspezies, ROS: 60 bis 70% (H 2 O H 2 O+ + e- OH + H+ ) Ion Radikal + Ion

16 Bystander-Effekte sind von der Dosis unabhängig, werden manifest in unbestrahlten Zellen die: 1. im Kontakt mit bestrahlten Nachbarzellen sind oder 2. von den bestrahlten Nachbarzellen gewisse Signale erhalten haben Die so induzierten de novo Effekte können wiederum Mutationen Chromosomenaberrationen, maligne Transformation und verzögerter Zelltod sein.

17 Effekte in unbestrahlten Zellen Effekte durch Signale zwischen: bestrahlten und unbestrahlten Zellen innerhalb des bestrahlten Volumens bestrahlten Geweben und unbestrahlten Geweben außerhalb des bestrahlten Volumens Blyth und Sykes, Radiation Research 2011;176,

18 Stochastische und deterministische Effekte Dosis-Effekt-Beziehungen Schwere Anzahl Strahleneffekt deterministischer Effekt (erfordert sehr viele geschädigte (=getötete) Zellen) stochastischer Effekt (erfordert eine geschädigte (=veränderte) Zelle) Strahlendosis

19 Biologische Wirkungen kleiner Dosen: stochastische Effekte (Strahlenschutz!) Genetische Wirkung: Schäden in Gonadenzellen - manifest in F2 und späteren Generationen Somatische Wirkung: Schäden in allen anderen Zelle, manifest in Form von Leukämien, Lymphomen und soliden Tumoren

20 Biologische Wirkungen großer Dosen: deterministische Effekte (D = 2 bis 10 Gy) z.b. Augenlinsentrübung, Erythem, Fibrose, Ulkus, Haarausfall, Knochenmark-Syndrom, Strahlenkrankheit, Strahlentod Teratogene Wirkungen (Organfehlbildungen) Augenlinsentrübung : Schwelle bei 0.5 Sv

21 Akute Strahlenkrankheit Hautveränderungen: Erythema (juckende Hautrötungen) Purpura Bullae (Blasen) Ulzera Haarausfall (Alopezie) Nekrosen Übelkeit, Erbrechen, Diarrhoe, Appetitlosigkeit Hämatopoetische Symptome: Myelosuppression mit Leukopenie Thromobozytopenie mit Petechien Arterielle Hypotonie Neurologische Symptome: Schwindel Kopfschmerzen Benommenheit Störungen des Zentralnervensystems (Krampfanfällen, Tremor, Ataxie)

22 Radikale sind Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron, die meist besonders reaktionsfreudig sind. Formelzeichen Bezeichnung Anmerkung O 2 Hyperoxid-Anion freies Radikal, Second Messenger (alte Bezeichnung: Superoxid-Anion) HO Hydroxyl-Radikal freies Radikal, hochreaktiv ROO Peroxylradikal freies Radikal RO Alkoxylradikal freies Radikal, bei Lipiden H 2 O 2 Wasserstoff-peroxid Bildung anderer ROS, Second Messenger ROOH Hydroperoxid O 3 Ozon 1 O 2 Singulett-Sauerstoff angeregtes Sauerstoffmolekül

23 Bestrahlte Zelle und mögliche Reaktionen Seneszenz 1.Mutationen 2.Chromosomen -Aberrationen 3. Aneuploidie Zellzyklus -Arrest Autophagie Apoptose Nekroptose DNA Reparatur fehlerhaft fehlerfrei Mitotische Katastrophe

24 Biologische Wirkungen ionisierender Strahlung Die schädigende Wirkung ionisierender Strahlung auf Zellen, Gewebe und Organe wird hauptsächlich durch direkte Schädigungen des genetischen Materials, der DNA, verursacht. DNA Doppelstrangbrüche DNA Doppelstrangbrüche sind sehr zytotoxisch. phospho-h2ax foci; Antikörper-Markierung

25 Strahlenwirkung auf DNA Basenschaden Basenverlust DNA-Einzelstrangbruch Zuckerschaden DNA-Protein Cross-link DNA-Doppelstrangbruch DNA Interstrang-Link 8-oxo-Guanin DNA Addukt

26 Entstehung von Cyclobutan-Pyrimidin-Dimeren durch UV-Strahlung: Enzymatische Wirkung der Photolyase Sinha, Häder, Photochem Photobiol Sci 2002;1,

27 Entstehung von toxischen und mutagenen 6-4-Photoaddukten durch UV-Strahlung: Enzymatische Rekonstition durch 6-4-Photolyase Sinha, Häder, Photochem Photobiol Sci 2002;1,

28 Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) Schäden an vielen Biomolekülen oxidativer Stress Strahleninduzierter oxidativer Stress ist bis zu mehreren Wochen in bestrahlten Zellen nachweisbar. Biomarker: 8-Oxo-2-desoxy-Guanosin

29 Lokale Effekte in Abhängigkeit vom LET Urushibara et al., Radiation Protection Dosimetry, 2006;122:

30 DNA-Schäden durch Strahlung Basenveränderungen (200/Gy) H-Abstraktion an Zuckermolekülen Einzelstrangbrüche (1000/Gy) Doppelstrangbrüche (50/Gy) DNA-DNA- und DNA-Protein-Quervernetzungen (40/Gy) Mehrfachereignisse = Bulky Lesions (20-40/Gy)

31 DNA-Schäden pro 1 Gy Basenschäden bd (modifizierte Basen und oxidative Addukte) 1 Gy induziert 4000 bis 5000 bd/zelle (oxidat. Metabolismus induziert bis bd/zelle/tag) Einfachstrangbrüche SSB: 1 Gy induziert 1000 SSBs/Zelle Doppelstrangbrüche DSB: 1 Gy induziert 30 bis 60 DSBs/Zelle DNA-Cross-Links 1 Gy induziert etwa 150 Cross-Links

32 Apoptose Nekroptose Autophagie Interner (Mitochondrien-abhängiger) oder externer (Todesrezeptoren abhängiger) Weg: beide Wege führen zu Aktivierung von Caspasen die für die klassische, p53-abhängige Apoptose wesentlich sind. Induziert durch externe Stimuli unter Beteiligung der Todes Rezeptoren und der entsprechenden Liganden TNFalpha, FasL and TRAIL. Aktivierte RIP1 Kinase ist notwendig. Nekrostatine inhibieren diesen Zelltod. Bildung von Autophagie-Vakuolen, sog. Autophagosomen die später mit Lysosomen fusionieren und mit Hilfe der lysosomalen Enzyme werden die Inhalte abgebaut. Beclin-1 ist wesentlich.

33 Zelluläre Antworten auf Strahlenschäden Apoptose Nekroptose Autophagie MaligneTransformation

34 Krebszelle mit multiplen komplexen Chromosomenaberrationen Spektral-Karyogramm einer Osteosarkoma-Metaphase (a: Multicolor-Spektralanzeige und b: Computergenerierte Farbanalyse) Helman und Meltzer, Nature Rev Cancer, 2003;3,

35 Translokation zwischen Chrosomom 9 und 22 im Philadelphia- Chromosom führt zum Rearrangement genetischen Materials mit Entstehung eines Bcr-Abl-Fusionsproteins und Entwicklung einer chronisch myeloischen Leukämie. Lydon, Nature Med 2009;15,

36 Übersicht: Verschiedene Mechanismen der Reparatur von DNA-Schäden McKinnon, Nature Reviews Neuroscience 2009;10,

37 Erhöhte Inzidenz von Malignomen bei Xeroderma pigmentosum Hyperpigmentisierung Photosensitivität Kutane Ulzera Nekrosen Aktinische Hyperkeratose Basaliome Grampurohit et al., J Cancer Res Therapeutics, 2011; 7,

38 Progerie-Syndrome Werner-Syndrom (WS) Bloom-Syndrom (BS) Rothmund-Thomson-Syndrom (RTS) Cockayne-Syndrom (CS) Xeroderma pigmentosum (XP) Trichothiodystrophy (TTD): Defekt des Nukleotid-Exzision-Repairs Usuda et al., XPD R722W Mutation, J Human Genetics, 2011;56,77-79

39 Übersicht: Verschiedene Mechanismen der Reparatur von DNA-Schäden PARP1: poly (ADP- ribose)- polymerase McKinnon, Nature Reviews Neuroscience 2009;10,

40 Nukleotid- Exzision- Repair Beteiligte Proteine und deren Funktionen Fuss und Cooper PK, PLoS Biol 2006;4:e203.

41 Nukleotid-Exzision- Repair Beteiligte Proteine und deren Funktionen McKinnon, Nature Reviews Neuroscience 2009;10,

42 Die Role des Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors bei der Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden Chen und Nirodi, Clin Cancer Research, 2007;13,

43 Die Role des Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors bei der Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden Chen und Nirodi, Clin Cancer Research, 2007;13,

44 Der Transkriptionsfaktor p53 als Schalter für strahlen-induzierte Apoptose Xu et al., Nature Chem Biol 2011;7, Knezevic et al. PNAS 2007;104:

45 Kopplung von Doppelstrangbrüchen mit Zellzyklusarrest ATM: Ataxia telangiectasia mutated CHK1/2: Checkpoint-Kinase 1/2 p21waf/cip: Cyclin-dependent kinase inhibitor (CKI) CDC25A/C: Phosphatase Cell-Division-Cycle 25 Begg et al., Nature Reviews Cancer 2011;11,

46 Herzlichen Dank