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Untersuchung von radiobiologischen Phänomenen im niedrigen Dosisbereich mit dem Mikro-Ionenstrahl

18.03.2004

Die gültigen Strahlenschutzbestimmungen beruhen im wesentlichen auf den epidemiologischen Daten der japanischen Atombombenüberlebenden. Hierbei werden die bei hohen Dosen und Dosisleistungen beobachteten Krebsinzidenzen auf der Basis einer linearen oder linear-quadratischen Dosiswirkungsbeziehung zu niedrigen Dosen (mSv-Bereich) zurückextrapoliert. Es wurden in den letzten Jahren eine Reihe von Phänomenen beobachtet, die diese Extrapolation zur Diskussion stellen. Zu den Phänomenen, die zu einer erhöhten Strahlenwirkung bei niedrigen Dosen beitragen können, gehören Hyperradiosensitivität bei niedrigen Dosen, strahleninduzierte Strahlenresistenz, genomische Instabilität und Bystander-Effekte. Dagegen erniedrigen Phänomene wie adaptive Bystander-Effekte, adaptive Strahlenreaktionen und Hormesis die Strahlenwirkung. Die bisherigen experimentellen Ergebnisse zu dieser Thematik lassen vermuten, dass die Ausprägung der genannten Phänomene u. a. vom LET (Linearer Energie Transfer), von der Energiedosis, vom Zelltyp bzw. von der Zellart, der Zellzyklusphase und dem betrachteten Endpunkt abhängen.

Das in den letzten Jahren am häufigsten untersuchte Phänomen im niedrigen Dosisbereich ist der Bystander-Effekt, der mit unterschiedlichen Methoden und Expositionsbedingungen untersucht wurde. Diese sind z. B. der Mediumtransfer, die Bestrahlung mit einer Alphateilchen-Flächenquelle oder die Benutzung eines Mikrostrahls. Hierbei zeigten auch unbestrahlte Zellen (Bystander) in der Umgebung oder im Medium von bestrahlten Zellen Schäden oder ein geringeres Überleben. Bystander-Effekte werden über zwei verschiedene Mechanismen vermittelt, über "gap junctions", die sich zwischen eng benachbarten Zellen ausbilden (Azzam 2003) oder über Diffusion kleiner Moleküle, welche die Zellmembran passieren können (Prise 2002).

Die Mikro-Ionenstrahlanlage der PTB ist z. Zt. die einzige Anlage, an der Zellen sowohl mit dicht ionisierenden Alphateilchen (LET = 100 keV/µm) als auch mit locker ionisierenden Protonen (10 MeV; LET = 4.7 keV/µm) exponiert werden. Zur Untersuchung der Abhängigkeit der Bystander-Effekte vom LET und Zelltyp wurden hier primäre menschliche Hautfibroblasten (HSF) so dicht auf den mit einer Biofolie versehenen Träger aufgebracht, dass sie auf einer Fläche von etwa 4 mm2 oder 12 mm2 einen dichten Zellrasen in Einzelzelllage bildeten. Nach der automatischen Analyse der Positionen aller Zellkerne, wurden in verschiedenen Versuchsreihen entweder alle oder nur 10 % der Zellen mit 1 bis 16 dicht ionisierende Alphateilchen pro Zellkern bestrahlt (Greif 2004). In den anschließenden Messungen des Zellüberlebens durch Mikrokoloniebildung konnte in HSF-Zellen kein Bystander-Effekt beobachtet werden (Abbildung 1). Im Unterschied zur Bestrahlung der Zellen mit einem breiten Strahl, stellt die Überlebenskurve keine Exponentialfunktion dar, sondern hat vielmehr einen schulterförmigen Verlauf, wie er auch nach Bestrahlung mit locker ionisierender Strahlung beobachtet wird. Werden nur 10 % aller Zellen bestrahlt, so repräsentieren die experimentellen Daten eine Überlebenskurve, wie sie bei Nichtbeeinflussung der benachbarten Zellen erwartet wird: sie zeigen also keinen Bystander-Effekt. Im Gegensatz dazu bestätigen vorläufige Daten aus Bestrahlungen mit Alphateilchen am PTB-Mikrostrahl Bystander-Effekte für immortalisierte Nagerzellen (C3H10T1/2-Zellen) (siehe z. B. Sawant 2001 und 2002).

Abbildung 1

Abbildung 2

Abbildungen 1 und 2: Messwerte für das Überleben (S) von Zellen nach Bestrahlung am PTB Mikro-Ionenstrahl von 100 % bzw. 10 % der Zellkerne mit jeweils 1 bis 16 Alphateilchen Naa(a), bzw. mit Np = 70 bis 500 Protonen (b). Das Überleben wird relativ zu dem Überleben (S=1) von unbestrahlten, aber ansonsten gleichbehandelten Zellen (Kontrollen) bestimmt. Im niedrigen Dosisbereich bei ca. 70 Protonen wird eine erhöhte Koloniebildung im Vergleich zu den Kontrollen beobachtet. (Die Kurven dienen der Führung des Auges.)

Werden alle oder 10 % aller HSF-Zellen mit locker-ionisierenden 10 MeV Protonen bestrahlt, so wird zunächst eine signifikante Zunahme der Koloniebildung im Bereich bis zu etwa 100 Protonen pro Zellkern beobachtet (Abbildung 2). Bei Bestrahlung aller Zellen schließt sich mit zunehmender Anzahl von Protonen pro Zellkern eine exponentielle Überlebenskurve an, die bei Bestrahlungen mit mehr als 400 Protonen abflacht.

Die experimentellen Daten, die mit primären menschlichen Hautfibroblasten erhalten wurden, können in folgender Weise interpretiert werden:

  1. Obwohl HSF-Zellen gap junctions ausbilden, ist ein Bystander-Effekt nicht zu beobachten. Bystander-Effekte nach Bestrahlung mit dicht ionisierenden Alphateilchen sind offensichtlich von der Zellart abhängig.
  2. Locker ionisierende Protonen induzieren in HSF-Zellen im niedrigen Dosisbereich eine Erhöhung der Koloniebildung. Ein ähnlicher Effekt wurde in Mischungsexperimenten beobachtet (Iyer 2002). Ein Bystander-Effekt nach Bestrahlung mit locker ionisierenden Protonen wird nicht beobachtet.

Literatur

  1. E. I. Azzam, S. M. de Toledo, and J. B.Little, Expression of Connexin43 is highly sensitive to ionizing radiation and other environmental stresses, Cancer Research 63, 7128 - 7135 (2003)
  2. K.-D. Greif, H. J. Brede, D. Frankenberg, U. Giesen, The PTB single ion microbeam for irradiation of living cells, Nucl. Instrum. and Meth. B 217 505 - 512 (2004)
  3. K. M. Prise, O. V. Belyakov, H. C. Newman, S. Patel, G. Schettino, M. Folkard und B. D. Michael, Non-targeted effects of radiation: bystander responses in cell and tissue models, Radiat. Prot. Dosim. 99, 223 - 226 (2002)
  4. S. Sawant, G. Randers-Pehrson, C. R. Geard, D. J. Brenner und E. J. Hall, The bystander effect in radiation oncogenesis I. Transformation can be initiated in the unirradiated neighbours of irradiated cells, Radiat. Res. 155, 397 - 401 (2001)
  5. S. Sawant, W. Zheng, K. M. Hopkins, G. Randers-Pehrson, H. B. Lieberman und E. J. Hall, The radiation induced bystander effect for clonogenic survival, Radiat. Res. 157, 361 - 364 (2002)
  6. R. Iyer und B. E. Lehnert, Alpha-particle-induced increases in the radioresistance of normal human bystander cells, Radiat. Res. 157, 3 - 7 (2002)