Klinische Strahlenbiologie

Transkript

1 Radiologie-Seminar im Wintersemester 2016/2017 Klinische Strahlenbiologie Yvonne Lorat Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie Universität des Saarlandes

2 Radiologie-Seminar im Wintersemester 2016/2017 Klinische Strahlenbiologie Den Vortrag als PDF finden sie ab Montag hier: UKS-Homepage Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie Labor für Molekulare Radioonkologie Lehrveranstaltung Folien-Download

3 Lernziele Physikalische Grundlagen - Linearer-Energie-Transfer (LET) - Energiedosis/Äquivalentdosis/Effektive Dosis - Direkter und indirekter Strahleneffekt Biologische Grundlagen - DNA-Schäden und deren Reparatur - Strahleninduzierter Zelltod - Dosis-Effekt-Beziehung - Strahlenwirkung auf Normal- und Tumorgewebe - Strahlenempfindlichkeit in Zellzyklusphasen - 4 R s der Strahlentherapie

4 Die Hand des Anatomen Geheimrat von Kölliker aufgenommen am von W.C. Röntgen in Würzburg Entdeckung der Röntgenstrahlung

5 Erste therapeutische Anwendung der Röntgenstrahlung Leopold Freund

6 Wahrscheinlichkeit Holthusen-Diagramm 100 % Tumorkontrollrate Komplikationen 50 % Holthusen (1928) Therapeutische Breite Dosis Maximale Tumorkontrolle bei optimierter Schonung des Normalgewebes

7 Physikalische Grundlagen Das Maß für die Wirkung ist die Energiedosis (Energiekonzentration): Energiedos is absorbierte Energie Masse Maßeinheit: 1Gy( Gray) 1J ( Joule ) 1kg

8 Physikalische Grundlagen Die Wirksamkeit unterschiedlicher Strahlenarten wird durch einen dimensionslosen Faktor berücksichtigt: Äquivalent dosis Energiedosis Faktor Maßeinheit: 1 Sv ( Sievert ) 1J ( Joule ) 1kg Wichtungs- Strahlungsfaktor art 20 α-strahlung 1 β-strahlung 1 γ-strahlung 10 n-strahlung

9 Physikalische Grundlagen Energiedosis Einheit: Gray (Gy) Gibt die durch die Strahlung auf das Gewebe übertragene Energie an. Effektive Dosis Einheit: Sievert (Sv) Wichtet die Äquivalentdosis anhand der Strahlenempfindlichkeit des Gewebes Äquivalentdosis Einheit: Sievert (Sv) Wichtet die Energiedosis anhand der biologischen Wirksamkeit der Strahlenart

10 Physikalische Grundlagen Wechselwirkungen von Photonen mit Materie Röntgenstrahlung Kontinuierliches Spektrum Röntgenbremsstrahlung (kontinuierliches Spektrum) Charakteristisches Spektrum Wärmeentwicklung Elektron wird im Feld des Atomkerns abgebremst Differenz der kinetischen Energie wird als Photonenstrahlung emittiert

11 Physikalische Grundlagen Wechselwirkungen von Photonen mit Materie Energie Photoeffekt Comptoneffekt Paarerzeugung Kernphotoeffekt 10 kev > 99% kev < 1% > 99% MeV < 1 ~ 99% ~ 1% - 20 MeV - ~ 50% ~ 50% ~ 1% e + Atomkern E > 1,02 MeV Schwingung e - e - p + n Einfallende Strahlung E = h f e - E = (m e /2) v 2

12 Schadensdichte Linearer-Energie-Transfer LET Berücksichtigt die räumliche Verteilung der Energiedeposition LET: Beschreibt die pro Weglängeneinheit in der Teilchenbahn und in der unmittelbaren Umgebung deponierte Energie Der LET ist längs einer Teilchenbahn nicht konstant! Strahlenart LET (kev/µm) Co-60-γ-Strahlen 0,22 2 MeV-Elektronen 0, kv-röntgenstrahlen 1,70 H-3-β-Strahlen 4,70 50 kv-röntgenstrahlen 6,30 5,3 MeV-α-Strahlen 43,00

13 Linearer-Energie-Transfer (LET) Teilchen Zellkern Pro Partikel und µm d: bis 5 µm Deponierte Energie m: bis 10 g -10 Locker ionisierende Strahlung Co-60 γ- Photonen (1,25 MeV) 300 ev Dicht ionisierende Strahlung Protonen (2 MeV) 1700 ev

14 Physikalische Grundlagen Relative biologische Wirksamkeit (RBW) RBW ist definiert durch das Verhältnis einer Bezugsstrahlendosis D ref (Referenzstrahlung) zu der Dosis einer vergleichenden Strahlung D test die zur Auslösung eines adäquaten Effektes führt. Unterschiedliche Beschaffenheit des Gewebes Unterschiedliche zeitliche Dosisleistung Ionisationsdichte der Strahlung Unterschiedliche örtliche Dosisverteilung

15 10 µm Zielstruktur der biologischen Strahlenwirkung Polonium-Nadel (α-strahlung) nach Munro, 1972 Zellkern Zyto- plasma Zyto- plasma Bestrahlung des Zytoplasmas Zelle überlebt Bestrahlung des Zellkerns Zelltod Der Zellkern ist die zu treffende Zielstruktur

16 Architektur des Zellkerns Aufbau der DNA Replikation Transkription Genexpression

17 Architektur des Zellkerns Verpackungsstufen des Chromatins

18 Zielstruktur der biologischen Strahlenwirkung Molekulare Ebene: Schäden an Molekülen (DNA, Proteine) Subzelluläre Ebene: Schäden an Zellmembranen, Zellkern, Chromosomen, Mitochondrien etc. Zelluläre Ebene: Zellzyklusänderungen, Zelltod, Zelltransformation (Krebs) Gewebe, Organe: Funktionsstörungen, Zentralnervensystem, Blutbildendes System, Darm Organismus: Tod, Lebenszeitverkürzung, Mutationen im Erbgut

19 Strahleninduzierte Schäden Zusammensetzung (Gewichtsprozent) von Säugerzellen: Wasser 70% Anorganische Bestandteile 1% Kleinere Moleküle 3% Proteine 18% DNA 0,25% Lipide 5% Polysaccharide 2% Besonders gefährdet wegen ihrer molekularen Masse und der Häufigkeit des Vorkommens

20 Strahleninduzierte Schäden Proteine Funktionsverlust (z.b. DNAsen) Protein-Proteincrosslinks aber: Viele Proteine vorhanden, ständige Erneuerung Relativ geringe Gefahr der strahlungsbedingten Denaturierung Defekte/intakte Proteine werden unterschiedlich schnell durch Abbau und Neusynthese ersetzt (turnover)

21 Strahleninduzierte Schäden Polysaccharide Strahlungsresistente Verbindungen Mögliche chemische Veränderungen bleiben überwiegend ohne Folgen für den Stoffwechsel Lipide Mögliche Bildung von Peroxiden Permeabilitätsstörungen Der Schaden ist jedoch gering

22 DNA Schäden nach Bestrahlung DNA Einzelstrangbrüche Doppelstrangbrüche DNA-DNA-Crosslinks Protein-DNA-Crosslinks Basenveränderungen aber: Sehr effektive DNA Reparatur-Mechanismen (z.b HR, NHEJ) jedoch: Manifest gewordene Änderungen der DNA sind kritisch!

23 Unterschiedliche DNA Schäden DNA Schäden nach Bestrahlung Protein-DNA- Verbindung Basenveränderungen Einzelstrangbrüche DNA-Protein-Quervernetzungen 150 Doppelstrangbrüche 40 A+T Basenschädigung und Basenfreisetzung Doppelstrangbruch Einzelstrangbruch Veränderungen an Polysacchariden gehäufte Läsionen (multiply damaged sites, bulky-lesions) A+T Gehäufte Läsion z.b. Einzelstrangbruch + Basenschaden Viele Schäden (außer Bulky-Lesions) können innerhalb von 2 h repariert werden. Reparatur nach 6-8 h abgeschlossen.

24 DNA Schäden nach Bestrahlung Direkter und indirekter Strahleneffekt Indirekter Effekt E = h f Einfallende Strahlung Indirekter Effekt: Spaltung von H 2 O durch 1 nm OH H O H e - n Atomkern p + Ionisation Radiolyse: H 2 O H 2 O + + e - H 2 O + + H 2 O H 3 O + + OH Anregung Homolyse: H 2 O H + OH (Spaltung) 3,4 nm Direkter Effekt e - E = h f DNA-Schaden durch entstandene Radikale 0,34 nm n Atomkern p + Direkter Effekt: DNA-Schaden durch Teilchenwechselwirkung Strahlenwirkungen auf die DNA bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlen: 65 % indirekte Strahlenwirkung 35 % direkte Strahlenwirkung

25 Strahleninduzierte Bildung von Radikalen Wirkung ionisierender Strahlung Die Radiolyse von Wasser ist für die meisten Schäden an Biomolekülen verantwortlich. Durch Radiolyse entstehen: (1) Ionen: H+, O-, H 2 O+, e- (2) Radikale: H, OH (3) Peroxide: H 2 O 2, HO 2 Peroxidbildung wird durch molekularen Sauerstoff begünstigt (Sauerstoffeffekt)

26 Tumorkontrolldosis (linear) Tumorgröße Die zu applizierende Dosis ist abhängig von der Tumorgröße Mit zunehmendem Tumorvolumen werden höhere Strahlendosen benötigt Tumorvolumen (log)

27 Überlebender Anteil Sauerstoffeffekt Die zu applizierende Dosis ist abhängig von der Tumorgröße 1 0,5 Strahlenempfindlichkeit einer Zelle ist abhängig vom Sauerstoffgehalt! Tumor-Oxygenierung 0,1 0,05 aerob anaerob 0,01 7 Gy 14 Gy Dosis [Gy]

28 Tumor-Oxygenierung Sauerstoff-Versorgung im Tumorgewebe Klinische Konsequenz: Sauerstoffversorgung Im Tumor verbessern! bei Tumoranämie: HB-Wert anheben

29 Klinischer Effekt Theoretischer Ansatz Tumor Bestrahlung 50 Gy Kein Tumor ca Zellen 1 cm ca Stammzellen Wie funktioniert das?

30 Einteilung der Gewebe nach strahlenbiologischen Aspekten Tumorgewebe - Ausdifferenzierte Zellen - Stammzellen Normalgewebe - früh-reagierende Normalgewebe (Ausdifferenzierte Zellen + Stammzellen) - spät-reagierende Normalgewebe (Ausdifferenzierte Zellen + Stammzellen)

31 Exponentielle Verdünnungsreihe der Strahlentherapie Theoretische Anzahl an Stammzellen 1 cm ca Zellen ca Stammzellen Wochentag Tagesdosis 1. Woche 2. Woche 3. Woche 4. Woche 5. Woche Montag 2 Gy Dienstag 2 Gy ,5 Mittwoch 2 Gy ,25 Donnerstag 2 Gy ,125 Freitag 2 Gy ,064 Summendosis 10 Gy 20 Gy 30 Gy 40 Gy 50 Gy

32 Strahlenwirkung auf Tumorgewebe/Zellen Einflussfaktoren auf die lokale Tumorkontrolle: Tumorgröße - Proliferationsrate Strahlensensibilität der Tumorzellen - Zellzyklus-Status bei Exposition Gesamtdosis/Fraktionierung - Gesamtbehandlungszeit - Zeitintervall zwischen den Fraktionen Tumor-Oxygenierung - Sauerstoffeffekt Strahlenqualität - Linearer-Energie-Transfer (LET) - Beschleunigungsspannung - Teilchenart

33 Strahlenwirkung auf Zellen Erholung d.h. unveränderte Zellteilung Reproduktiver/Klonogener Zelltod Mutation (= Zelle lebt mit Veränderungen weiter) Apoptose/Nekrose Zellzyklusverlängerung (v.a. durch G2-Arrest) Zelldifferenzierung

34 Strahlenwirkung auf Zellen Erholung d.h. unveränderte Zellteilung Reproduktiver/Klonogener Zelltod Apoptose/Nekrose Zellzyklusverlängerung (v.a. durch G2-Arrest) Zelldifferenzierung

35 Strahlenwirkung an der Zelle I Erholung Unbegrenzte Teilungsfähigkeit erhalten Kolonienbildung

36 Überlebensfraktion Intrinsische Strahlenempfindlichkeit von Tumoren Seminom Gy Leukämie Nephroblastom Gy Morbus Hodgkin Non-Hodgkin-Lymphom Neuroblastom Medulloblastom Gy Ewing-Sarkom Mikroskop. Befall: PEC, Adeno-Ca Mamma-Karzinom Makroskop. Befall: Gy PEC, Adeno-Ca Mammakarzinom Prostatakarzinom Weichteilsarkom (mikroskop.) Gliobastom 70 Gy Knochensarkom Weichteilsarkom (makroskop.) Tumoren sind unterschiedlich strahlenempfindlich! Dosis [Gy] Glioblastom HNO-Tumor Bronchial-Ca. Mamma-Ca.

37 Strahlenwirkung auf Zellen Erholung d.h. unveränderte Zellteilung Reproduktiver/Klonogener Zelltod Mutation (= Zelle lebt mit Veränderungen weiter) Apoptose/Nekrose Zellzyklusverlängerung (v.a. durch G2-Arrest) Zelldifferenzierung

38 Apoptose Strahlenwirkung auf Zellen Zelltod - Morphologisch Programmierter Zelltod Aktiver Prozess innerhalb der Zelle Enzymatische Spaltung der DNA Aufteilung der Zelle in apoptotische Körperchen Anschließende phagozytose Nekrose Zellschwellung Auflösung von Zellorganellen Denaturierung von Proteinen Enzymatische Verdauung

39 Strahlenwirkung auf Zellen Unbegrenzte Teilungsfähigkeit erhalten Kolonienbildung Zelltod Funktionell: Strahlenbiologische Bedeutung: Verlust der unbegrenzten Teilungsfähigkeit durch Reproduktiven Zelltod Mitosetod (Zelle morphologisch intakt, einzelne Teilungen, dann keine Teilung mehr, Zelltod) Klonogenen Zelltod Interphasetod (nach Schaden, vor Mitose) Differenzierung (klonogene Zellen werden zu terminalen Funktionszellen, die keine Kolonien mehr bilden)

40 Strahlenwirkung an der Zelle I Die Wirkung der Radiotherapie beruht hauptsächlich auf der Reproduktiven Inaktivierung von Stammzellen des Tumors

41 Ermittlung der intrinsischen Strahlenempfindlichkeit Zellüberleben in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis Dosiseffektkurve Auftragung von Zellüberleben (log) gegen Dosis (linear) Typische Schulterkurve: gekrümmter und linearer Teil Gewebespezifisch

42 Fraktionierung: Schonung des Normalgewebe Bestrahlung mit Einzeldosen

43 Fraktionierung: Schonung des Normalgewebe Fraktionierte Bestrahlung

44 Strahlenwirkung an der Zelle I Erholung d.h. unveränderte Zellteilung Reproduktiver/Klonogener Zelltod Apoptose/Nekrose Zellzyklusverlängerung (v.a. durch G2-Arrest) Zelldifferenzierung

45 Strahlenempfindlichkeit - Zellzyklus Mitose M: Zellteilung G1-Checkpoint: Zellwachstum (Ist die Zelle groß genug?) Überprüfung ( Ist die DNA geschädigt?) Vervielfachung der Zellorganellen (Ist die Umgebung adäquat?) G0/G1-Übergang: Wird eine Teilung benötigt? Gap-0-Phase G0: Arbeitsphase der Zelle Synthese-Phase S: Verdopplung der DNA G2-Checkpoint: Überprüfung (Ist die DNA-Replikation geglückt? Die Zelle groß genug? Die Umgebung adäquat?)

46 Strahlenempfindlichkeit - Zellzyklus Strahlenempfindlichkeit einer Zelle ist abhängig von der Zellzyklusphase! Die höchste Strahlenempfindlichkeit zeigen Zellen in der G2/M-Phase. Weniger strahlenempfindlich sind Zellen in der G0/G1- und S-Phase

47 Die 4 R s der Strahlentherapie Reparatur Erholung (Recovery) von Zellen/Geweben und Reparatur von subletalen Strahlenschäden Repopulierung Proliferation klonogener Tumorzellen in Therapiepausen Reoxygenierung von Tumoren (Sauerstoffeffekt Anämie behandeln, Rauchen unterlassen) Redistribution nach Bestrahlung partielle Synchronisation der Zellzyklusverteilung, mit zunehmender Zeit verteilen sich die Zellen wieder auf alle Phasen des Zellzyklus (Recruitment: Einschleusung ruhender Zellen aus der G0-Phase in den Zellzyklus) Effektivität einer fraktionierten Strahlentherapie

48 DNA Doppelstrangbrüche: Auswirkung auf die Zelle Exogene Noxen Ionisierende Strahlung Chemotherapeutika Chemikalien DSB Sensoren Endogene Noxen Oxidative Schäden Replikation Programmierte Neuanordnung Mitotische DSBs Ku70, Mre 11, Rad 50, Nbs 1; Rad 17-RFC; Rad 9-Rad 1-Hus 1-Komplex Schadenssignal Transduktoren PIKKs: ATM, ATR, DNA-PK Phosphorylierung Signalverstärkung Effektoren Zelltod DNA Reparatur Zellzyklus-Arrest

49 DNA Doppelstrangbruch Reparatur Homologe Rekombination Nicht Homologes End-Joining Matrizenvorlage: Schwesterchromatid Hauptsächlich in später S- und G2-Phase Fehlerfrei End-zu-End-Verknüpfung Hauptsächlich in G0/G1- und frühe S-Phase Schnell aber nicht fehlerfrei

50 Strahleninduzierte Chromosomen-Aberrationen Bestrahlte Chromosomen Dizentrisches Chromosom + oder Bestrahltes Chromosom Mitoseassoziierter reproduktiver Zelltod Terminale Deletion Interstitielle Deletion Bestrahlte Chromosomen Vollständige rez. Translokation Bestrahlte Chromosomen Insertion Unvollständige rez. Translokation

51 Chromosomen-Aberrationen Nachweismethoden Durchlichtmikroskopie Giemsa-Färbung Fluoreszenzmikroskopie 2-Farben-FISH

52 Normalgewebsreaktionen strahlenbiologische Aspekte Trotz konformaler Bestrahlungstechniken ist in der Radioonkologie die Normalgewebstoxizität häufig dosislimitierend! Interindividuell: sehr unterschiedliche Normalgewebsreaktionen aufgrund der individuellen Strahlenempfindlichkeit Entwicklung prädiktiver Tests für die individuelle Strahlenempfindlichkeit!

53 Reparatur Familiäre Krebssyndrome mit Mutationen in DNA-Reparaturgenen (Beispiele) Erkrankung defiziente Reparatur Mutierte Gene (betroffenedna-läsionen) Ataxia teleangiectasia DNA-Doppelstrangbrüche ATM Nijmegen Breakage Syndrom DNA-Doppelstrangbrüche NBS1 Fanconi Anämie DNA-Crosslinks u. DSB FANC - A, B, C, D1, D2, E, F, G Hereditäres Mammakarzinom DNA-Doppelstrangbrüche BRCA1, BRCA2 (= FANCB und D1) Werner Syndrom DNA-Doppelstrangbrüche WRN Bloom Syndrom DNA-Doppelstrangbrüche BLM HNPCC DNA-Mismatches hmsh2, hmlh1, hpms1, hpms2 Tumorzellen haben überwiegend keine eingeschränkte Reparaturkapazität! Eine eingeschränkte Reparaturkapazität kann verstärkt zur Tumorbildung führen

54 ATAXIA TELANGIEKTASIA DNA Reparatur ATM DNA Schaden Autosomal rezessiv Mutation im ATM (Ataxia telangiectasia mutated) Gen; Chr. 11 Prädisposition für Krebs (Leukämie und Lymphome; 10-20%) Progressive Neurodegeneration - dadurch Ataxien im frühen Kindesalter (2. LJ Gleichgewichtsstörungen, undeutliche Sprache) Kleine, spinnenartige Erweiterung von oberflächlichen Blutgefäßen (Telangiectasien) Radiosensitivität, RDS Immundefizienz (anfällig für Infektionen) G2 p53 M Zellzyklus S Zellzyklus- Arrest G1

55 DSB-Nachweismethoden Strahlenbelastung DSB-Nachweis Methoden Radiodiagnostik Radioonkologie 1 mgy 10 mgy 100 mgy 1 Gy 10 Gy 100 Gy Immunfluoreszenz FISH PFGE

56 Immunfluoreszenz Strahlen-induzierte Foci- Analyse (RIF) mittels Immunfluoreszenz: Quantifizierung strahleninduzierter DSB Induktion Reparaturkapazität Zeit P Kontrolle P Unbestrahlte Kontrolle

57 Klinische Studie zur Reparaturkapazität Etablierung der H2AX Immunfluoreszenz bei Blutlymphozyten hochsensitiver in-vivo Nachweis von strahleninduzierten DSB bei Patienten CT Löbrich M, et al. Proc Natl Acad Sci 2005; 102: DSB-Reparaturkapazität in vivo bei niedrigen Bestrahlungsdosen HOM-85: DSB-Reparaturdefekt

58 Tierexperimentelles Modell C57BL/6 Maus Wild-type BALB/c Maus DNA-PK polymorphism AT Maus ATM-mutation SCID Maus DNA-PK mutation Radiosensitivität Ganzkörperbestrahlung: 0 Gy / 0,1 Gy / 0,5 Gy / 1 Gy / 2 Gy Untersuchungszeitpunkte: 0,5 h / 2,5 h / 5 h / 24 h / 48 h Blut Lymphozyten Organe Dünndarm, Herz, Lunge, Gehirn Niere, Haut, Testis -H2AX Immunhistologie -H2AX Immunfluoreszenz

59 DSB Induktion in Organgeweben Konfokale Lasermikroskopie: Niere: 10 min nach Bestr. Vergrößerung x1000 C57BL/6

60 DSB-Reparatur der verschiedenen Mausstämme Gehirn Lunge SCID ATM Balb/c C57BL/6 Herz Dünndarm Nachweis der unterschiedlichen Reparaturdefekte in verschiedenen Organgeweben

61 RIF in der Immunfluoreszenz Gehirn: Co-Lokalisation Induktion (30 min) Reparatur (1 Gy)

62 Auflösungsvermögen IFM/TEM Eye Light microscopy TEM Fluorescent-labeled antibodies Gold-labeled antibodies Magnification: 1000x Magnification: x

63 Gold-markiertes 53BP1 im TEM

64 pku70 und 53BP1 pku70 kann mittels TEM visualisiert werden pku70 und p53bp1 kolokalisieren in heterochromatischen Regionen In euchromatischen Regionen ist nur pku70, ohne 53BP1, nachweisbar

65 pku70 und 53BP1 nach Schwerionen-Bestrahlung IFM: Visualisierung der Schadensspur TEM: Analyse der entstandenen Schäden im nm-bereich

66 pku70 und 53BP1 nach Schwerionen-Bestrahlung Vergleich der Schadensmuster nach low-let und high-let-bestrahlung

67 pku70 und 53BP1 nach Schwerionen-Bestrahlung Verbleibende Schäden, 48h nach low-let-bestrahlung (Photonen) Verbleibende Schäden, 48h nach high-let-bestrahlung (Carbon-Ionen)

68 Rückblick in die Historie: erste Bestrahlungsgeräte Röntgen-Gerät ( ) Siemens-Bestrahlungskasten und Lagerungstisch mit heb- und senkbarer Tischplatte (1925) James Ewing: All one could really do was to place the patient ( , Pathol.) under the machine and hope for the best

69 Zusammenfassung Bestrahlungstechnische Fortschritte Strahlenbiologische Erkenntnisse

70 Klinik für Strahlentherapie - Querschnittsfach 11 Yvonne Lorat Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie Universität des Saarlandes Gebäude 6.5 und 51 (2. OG) yvonne.lorat@uks.eu Tel / oder