für Studierende der Molekularen Medizin

im Rahmen des Isotopenpraktikums

14. März 2014

Thomas Meyer

Klinik für Psychosomatische Medizin und Psychotherapie

Vorlesung Strahlenbiologie

Ionisierende Strahlung

Direkt ionisierende Strahlung Indirekt ionisierende Strahlung

Geladene Teilchen• Protonen• Elektronen• Ionen

• ..

Ungeladene Teilchen• Photonen• Neutronen• ..Röntgen- und -Strahlen

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 RöntgenstrahlungRö-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

LET = E / x (keV / m)

E = übertragene Energie

x = Teilchenbahnsegment

Linearer Energietransfer (LET)

RBW = Energiedosis Rö-Strahlung / Energiedosis Strahlung bei gleicher Wirkung

Referenzstrahlung = 200-250 kV Röntgenstrahlung

Relative biologische Wirksamkeit (RBW)

Dosimetrische Größen

Energiedosis D = Energie/Masse [1J/1kg = 1 Gy]∆E / ∆m

Äquivalentdosis H = D x wR [1 Sv]

wR: Strahlenwichtungsfaktor

Äquivalent- Dosis HT = Σ wR x DT,R [1 Sv]

wR = Strahlungs-Wichtungsfaktor

DT,R = Äquivalent-Energiedosis, die durch die

Strahlung R erzeugt wird

Für eine Strahlungsart : H = wR x D [1 Sv]

Z.B. für Rö-Strahlung und ß–Strahler gilt: 1 Gy = 1 Sv

Strahlungs-Wichtungsfaktoren wR

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

1. Periphere Lymphozyten und rotes Knochenmark

2. Weibliche Brust

3. Schilddrüse

4. Lunge, Magen, Dickdarm

5. Knochenoberfläche

6. Andere Organe

7. Haut

Variable Strahlenempfindlichkeit einzelnerZelltypen/Organe

E = Σ wT x HT = Σ wT Σ wR x DT,R [1 Sv]T R

wT = Gewebe-Wichtungsfaktor

Σ wT = 1

Effektive Dosis: (Summe der gewichteten Organdosen)

Gewebe-Wichtungsfaktoren wT

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 wT = 1

Molekulare Ebene Schäden an Molekülen (DNA, Proteine)

Subzelluläre Ebene Schäden an Zellmembranen, Zellkern, Chromosomen, Mitochondrien

Zelluläre Ebene Zellzyklusveränderungen, Zelltod,Zelltransformation (Karzinogenese)

Gewebsebene Funktionsstörungen, ZentralnervensystemBlutbildung, Darm

Organismus Tod, LebenszeitverkürzungMutationen im Erbgut (Genetik)

Ebenen der Strahlenwirkung

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.

Jährliche Strahlenexposition durch

natürliche Strahlenquellen

Externe plus interne Quellen Effektive Jahresdosis

Kosmische Strahlenquellen 0.30 mSv/a

Terrestrische Strahlenquellen 0.15 mSv/a

Mittlere Gesamtbelastung 2.40 mSv/a

Lungendosis (Radonexposition) 20 bis 200 mSv/a

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%

(H2O → H2O+ + e- → OH• + H+ )Ion Radikal + Ion

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.

Effekte in unbestrahlten Zellen

bestrahlten und unbestrahlten Zellen innerhalb des bestrahlten Volumens 

Effekte durch Signale zwischen:

bestrahlten Geweben und unbestrahlten Geweben außerhalbdes bestrahlten Volumens 

Blyth und Sykes, Radiation Research 2011;176,139-157

Dosis-Effekt-Beziehungen

stochastischerEffekt

deterministischerEffekt

SchwereAnzahl

(erfordert sehr vielegeschädigte (=getötete)Zellen)

(erfordert einegeschädigte (=veränderte)Zelle)

Strahlendosis

Stra

hlen

effe

kt

Stochastische und deterministische Effekte

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

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

Akute Strahlenkrankheit

Hautveränderungen: Erythema (juckende Hautrötungen)PurpuraBullae (Blasen)UlzeraHaarausfall (Alopezie)Nekrosen

Übelkeit, Erbrechen, Diarrhoe, AppetitlosigkeitHämatopoetische Symptome:

Myelosuppression mit LeukopenieThromobozytopenie mit Petechien

Arterielle HypotonieNeurologische Symptome:

SchwindelKopfschmerzenBenommenheitStörungen des Zentralnervensystems (Krampfanfällen, Tremor, Ataxie)

Formelzeichen Bezeichnung Anmerkung

O2·− 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

H2O2 Wasserstoff-peroxid Bildung anderer ROS, Second Messenger

ROOH Hydroperoxid

O3 Ozon

1O2 Singulett-Sauerstoff angeregtes Sauerstoffmolekül

Radikale sind Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron, die meist besonders reaktionsfreudig sind.

Bestrahlte Zelle und mögliche Reaktionen

Zellzyklus-Arrest

DNA Reparatur

Seneszenz

Apoptose

fehlerhaft

fehlerfreiMitotischeKatastrophe

1.Mutationen2.Chromosomen-Aberrationen

3. Aneuploidie

Autophagie Nekroptose

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

Basenschaden Basenverlust

Zuckerschaden

DNA-Doppelstrangbruch

DNA-Einzelstrangbruch

DNA-Protein Cross-link

DNA Interstrang-Link

8-oxo-Guanin

DNA Addukt

Strahlenwirkung auf DNA

Sinha, Häder, Photochem Photobiol Sci 2002;1,225-236

Entstehung von Cyclobutan-Pyrimidin-Dimeren durch UV-Strahlung: Enzymatische Wirkung der Photolyase

Sinha, Häder, Photochem Photobiol Sci 2002;1,225-236

Entstehung von toxischen und mutagenen 6-4-Photoaddukten durch UV-Strahlung: Enzymatische Rekonstition durch 6-4-Photolyase

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

Urushibara et al., Radiation Protection Dosimetry, 2006;122:163-165.

Lokale Effekte in Abhängigkeit vom LET

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)

DNA-Schäden pro 1 Gy

Basenschäden bd (modifizierte Basen und oxidative Addukte) 1 Gy induziert 4000 bis 5000 bd/Zelle(oxidat. Metabolismus induziert 10.000 bis150.000 bd/Zelle/Tag)

Einfachstrangbrüche SSB:1 Gy induziert 1000 SSBs/Zelle

Doppelstrangbrüche DSB:1 Gy induziert 30 bis 60 DSBs/Zelle

DNA-Cross-Links1 Gy induziert etwa 150 Cross-Links

Apoptose

Nekroptose

Autophagie

Induziert durch externe Stimuli unter Beteiligung der Todes –Rezeptoren und der entsprechenden Liganden TNF-alpha, 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.

Interner (Mitochondrien-abhängiger) oder externer (Todesrezeptoren –abhängiger) Weg: beide Wege führen zu Aktivierung von Caspasen die für die klassische, p53-abhängige Apoptose wesentlich sind.

Apoptose Nekroptose Autophagie

Zelluläre Antworten auf Strahlenschäden

MaligneTransformation

Krebszelle mit multiplen komplexen Chromosomen-aberrationen

Spektral-Karyogramm einer Osteosarkoma-Metaphase (a: Multicolor-Spektralanzeige und b: Computergenerierte Farbanalyse)

Helman und Meltzer, Nature Rev Cancer, 2003;3,685-694

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;15,1153-11257

Übersicht: Verschiedene Mechanismen der Reparaturvon DNA-Schäden

McKinnon, Nature Reviews Neuroscience 2009;10,100-112

Grampurohit et al., J Cancer Res Therapeutics, 2011; 7, 205-207

Erhöhte Inzidenz von Malignomen bei Xeroderma pigmentosum

HyperpigmentisierungPhotosensitivitätKutane UlzeraNekrosen Aktinische HyperkeratoseBasaliome

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

McKinnon, Nature Reviews Neuroscience 2009;10,100-112

Übersicht: Verschiedene Mechanismen der Reparaturvon DNA-Schäden

PARP1: poly (ADP-ribose)-polymerase

Fuss und Cooper PK, PLoS Biol 2006;4:e203.

Nukleotid-Exzision-Repair

Beteiligte Proteine und deren Funktionen

McKinnon, Nature Reviews Neuroscience 2009;10,100-112

Nukleotid-Exzision-Repair

Beteiligte Proteine und deren Funktionen

Chen und Nirodi, Clin Cancer Research, 2007;13,6555-6560

Die Role des Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors bei der Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden

Chen und Nirodi, Clin Cancer Research, 2007;13,6555-6560

Die Role des Epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors bei der Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden

Knezevic et al. PNAS 2007;104:11286-11291

Der Transkriptionsfaktor p53 als Schalter für strahlen-induzierte Apoptose

Xu et al., Nature Chem Biol 2011;7,285-295

Begg et al., Nature Reviews Cancer2011;11,239-253

ATM: Ataxia telangiectasia mutated

CHK1/2: Checkpoint-Kinase 1/2

p21Waf/CIP: Cyclin-dependent kinase inhibitor (CKI)

CDC25A/C: Phosphatase Cell-Division-Cycle 25

Kopplung von Doppelstrangbrüchenmit Zellzyklusarrest

Herzlichen Dank