Comparison of individual radiosensitivity of peripheral blood lymphocytes from prostate cancer patients and healthy donors

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1 Comparison of individual radiosensitivity of peripheral blood lymphocytes from prostate cancer patients and healthy donors Brzozowska K. 1, Pinkawa M. 2, Eble M.J. 2, Müller W.-U. 3, Wojcik A. 4,5, Kriehuber R. 1, Schmitz S. 1 1 Forschungszentrum Jülich GmbH, Department of Safety and Radiation Protection, Jülich, Germany 2 RWTH Aachen, Department of Radiotherapy, Aachen, Germany 3 Institute of Medical Radiation Biology, University Clinic Essen, Essen, Germany 4 Stockholm University, GMT Department, Stockholm, Sweden 5 Jan Kochanowski University, Kielce, Poland

2 Hintergrund Etwa 10 % der Individuen in der Bevölkerung weisen eine erhöhte intrinsische Strahlenempfindlichkeit auf, die sich z. B. in einer verminderten DNS-Reparaturkapazität und erhöhten Chromosomenaberrationsraten manifestieren kann. Eine Identifikation in vitro der strahlenempfindlichen könnte eine individuelle Tumortherapie ermöglichen und dadurch akute und späte Nebenwirkungen nach der Strahlentherapie minimieren. Allerdings existiert bisher noch kein zuverlässiges prädiktives Testverfahren, um strahlenempfindliche Personen zu identifizieren. Fragestellung/Zielsetzung Sind die Zahl der Chromosomenaberrationen, die Apoptoserate und die Häufigkeit von γ-h2ax-foci in Lymphozyten ein Maß für die individuelle Strahlenempfindlichkeit? Sind diese Parameter in Tumorpatienten generell verändert im Vergleich zu alterskorrelierten Normalspendern? Korrelieren die biologischen Endpunkte Chromatidaberrationen, Apoptose und Induktion von Doppelstrangbrüchen mit dem Grad der klinisch relevanten Nebenwirkungen bei Prostatatumorpatienten?

3 Blutspender 45 Prostatakarzinompatienten wurden nach dem Ende der Strahlentherapie auf Basis der aufgetretenen akuten und späten Nebeneffekte in folgende Gruppen eingeteilt: 20 mit akuten und Späteffekten auf Blase und Rektum, beurteilt nach einem Fragebogen zur Lebensqualität (EPIC = Expanded Prostate Cancer Index Composite) 20 ohne bzw. mit geringen Nebeneffekten Zusätzlich wurden auch 23 alterskorrelierte Normalspender untersucht. Methoden G2 Test Analyse von Chromatidaberrationen in Lymphozyten nach Bestrahlung mit 0.5 Gy in der G2-Phase des Zellzyklus γ-h2ax Test Messung von Doppelstrangbrüchen (Foci) am Durchflusszytometer und durch Fluoreszenzmikroskopie 0.5 h, 5 h und 24 h nach in vitro Bestrahlung mit 1 Gy Annexin V FITC Test Bestimmung der Apoptose und Nekrose mittels Durchflusszytometrie 0.5 h, 5 h und 24 h nach in vitro Bestrahlung mit 1 Gy

4 Ergebnisse Chromatid-Aberrationen (G2-Test) Fig. 1: Results of chromatid aberration frequency in cells exposed to γ-rays for 3 groups of donors. Data are presented as box plots. The boxes extend from the 25th percentile to the 75th percentile with a horizontal line at a median (50th percentile) and a dotted line at the mean value. Error bars above and below the boxes indicate the 90th and 10th percentiles. The points above ( ) the boxes mean top extreme values, the points below ( ) mean bottom extreme values of aberrations. Prostatatumorpatienten N = 44 (100 %) Klinisch Empfindliche N = 22 (50 %) Klinisch Resistante N = 22 (50 %) Klinisch und Zellulär Empfindliche N = 11 (25 %) Zellulär Empfindliche N = 11 (25 %) Fig. 2: Clinical and cellular (according to radiation-induced aberrations) radiosensitivity of prostate tumour patients after radiotherapy.

5 Assay Time after exposure Spontaneous Sensitive Patients Radiation-induced G2 P 2; P 8; P 12; P 18; P 19; P 22; P 26; P 27 γ-h2ax; FACS 0.5 h P 8; P 9; P 20; P 23; P 25; P 26; P 36; P 41; P h P 8; P 9; P 19; P 20; P 26; P 27; P 28; P 34; P 40; P 41; P 45 γ-h2ax; Foci 0.5 h P16; P 25; P 29; P 31; P 33; P 34; P h P 30; P 31; P 34; (lack of results for P 16; P 25; P 36) Early apoptosis 0.5 h P 15; P 18; P 20; P 44; P h P 17 Late apoptosis/necrosis 0.5 h P 6; P 14; P h P 6; P 8; P 14; P 20; P 30 P 2; P 4; P 8; P 9; P 13; P 17; P 18; P 19; P 27; P 29; P 30; P 31; P 33; P 34; P 35; P 36; P 40; P 41; P 42; P 46; P 52; P 53 no sensitive patients P 17; P 18; P 20; P 26; P 34; P 40; P 41; P 42; P 45 P 6; P 8; P 12; P 13; P 14; P 17; P 29; P 33; P 34; P 35; P 39; P 49 P 6; P 8; P 12; P 17 P 15; P 16; P 17; P 18; P 20; P 21; P 44; P 50 P 6; P 8; P 43 P 6; P 14; P 16 P 8; P 10; P 14; P 29 Tab. 1: Sensitive prostate cancer patients assessed on the basis of 90th cut off point for spontaneous and radiationinduced DNA damage measured using G2-, γ-h2axand apoptosis/necrosis assays. The cut off points were estimated for each assay for spontaneous and radiationinduced DNA damage in healthy donors, respectively.

6 Zusammenfassung/Schlussfolgerungen Die Aberrationsrate: - ist in beiden gruppen signifikant höher als bei den Normalspendern - unterscheidet sich nicht signifikant beim Vergleich zwischen mit und ohne klinischen Nebenwirkungen. Bei 50 % der Prostatatumorpatienten korreliert die klinische Strahlenempfindlichkeit mit der Chromosomenaberrationsrate (G2-Test). Sechs Prostatatumorpatienten wurden in vitro als besonders empfindlich identifiziert, bei 4 von ihnen korreliert dies auch mit den klinischen Nebenwirkungen. Es gibt jedoch keine eindeutige Korrelation zwischen klinischer und zellulärer Strahlenempfindlichkeit in den Lymphozyten von Prostatatumorpatienten wenn alle in vitro-assays betrachtet werden. Aus den vorliegenden Daten kann geschlossen werden, dass keiner der angewendeten in vitro-assays in der Lage ist, jeden strahlenempfindlichen Probanden zu identifizieren. Die beste Übereinstimmung liefert der G2-Test, jedoch ist die Kombination mehrerer Tests am sinnvollsten, weil die Wahrscheinlichkeit empfindliche Kandidaten aus einem Testkollektiv zu identifizieren dadurch erhöht wird.