Abgleich der physikalischen mit der biologischen DNA Dosimetrie nach Behandlung mit offenen radioaktiven Stoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Laßmann; Professor Dr. Harry Scherthan
• Fachliche Zuordnung: Nuklearmedizin, Strahlentherapie, Strahlenbiologie ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 204090103

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ein zunehmend verwendeter Biomarker für DNA Doppelstrangbrüche (DSBs) nach Inkorporation von Radionukliden sind γ-H2AX+53BP1 DSB-Foci. Direkt nach der Entstehung eines DSBs wird das Histon H2AX an Serin 139 zu γ-H2AX phosphoryliert. Zusätzlich findet eine Anreicherung des Signalproteins 53BP1 im Chromatin um den DSB statt. Nach Immunofluoreszenzfärbung mit spezifischen Antikörpern kann das den DSB umgebende γ-H2AX+53BP1 als Focus im Mikroskop sichtbar gemacht werden. Somit können DSBs durch Zählen der Foci in den Zellkernen quantifiziert werden. Da die maximale Anzahl an Foci etwa 30-60 min nach Bestrahlung erreicht wird, sind γ-H2AX+53BP1 DSB-Foci insbesondere als Biomarker für eine akute Strahlenexposition auch bei Dosen < 10 mGy geeignet. Durch Analyse des zeitlichen Verlaufs der Foci in Leukozyten nach einer Bestrahlung kann auch die DNA-Reparatur und damit auch die individuelle Strahlenempfindlichkeit untersucht werden. Des Weiteren lassen sich unterschiedliche Strahlenqualitäten anhand der Schadensgeometrie sichtbar machen. Während nach interner Bestrahlung z.B. mit dem β-Strahler Lu-177 einzelne γ-H2AX+53BP1 Foci im Zellkern zu erkennen sind, können nach interner Bestrahlung mit dem α-Emitter Ra-223 γ-H2AX+53BP1 enthaltende Spuren durch den Zellkern beobachtet werden. Im Rahmen des Projektes wurden folgende vier Fragestellungen erfolgreich bearbeitet: 1. In-vitro-Studien: Durch das Versetzen von Blutproben von Probanden mit unterschiedlichen α-, β- und γemittierenden Radionukliden (Tc-99m, Ga-68, Lu-177, Y-90, Ra-223 und Ra-224) konnte der γ-H2AX+53BP1 DSB-Assay dosisabhängig kalibriert werden. Für den betrachteten Energiedosisbereich von 0 bis maximal 150 mGy wurde ein linearer Zusammenhang festgestellt. 2. In-vivo-Studien: In fünf Patientenstudien mit verschiedenen Radiopharmaka und Radionukliden (I-131, Lu- 177-DOTATATE/TOC, Lu-177-PSMA, Ra-223-Dichlorid, Ga-68-PSMA) wurde der zeit- und dosisabhängige Verlauf der Induktion und Reparatur von DSBs nachgewiesen. 3. Simulationen und Dosisberechnungen: Die Energiedosis aus der Selbstbestrahlung des Bluts wurde für acht häufig verwendete Nuklide durch Monte-Carlo-Simulationen ermittelt. Aus diesen Ergebnissen wurde die aus der Aktivität im Blut resultierende Energiedosis bei Patienten unter Berücksichtigung realistischer Annahmen über die Blutvolumenverteilung in Abhängigkeit des Gefäßradius berechnet. 4. Eignung als Biodosimeter nach Strahlenunfällen: Anhand der Auswertung der Nullwertverteilung von Probanden- und Patientenproben konnte eine Unterscheidung zwischen exponierten und nichtexponierten Personen anhand der DSB-Foci Werte getroffen werden. Insgesamt wurden in diesem Projekt die Induktion und die Reparatur von DSB DNA-Schäden in humanen Leukozyten sowohl in-vitro als auch in-vivo anhand vieler unterschiedlicher Radionuklide und Radiopharmaka bei unterschiedlichen internen Expositionsszenarien umfassend charakterisiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Self-irradiation of the blood from selected nuclides in nuclear medicine. Physics in medicine and biology. 2014;59:1515-31
  Hänscheid H, Fernandez M, Eberlein U, Lassmann M
  
• Calibration of the gamma-H2AX DNA double strand break focus assay for internal radiation exposure of blood lymphocytes. PloS one. 2015;10:e0123174
  Eberlein U, Peper M, Fernandez M, Lassmann M, Scherthan H
  
• DNA damage in blood lymphocytes in patients after (177)Lu peptide receptor radionuclide therapy. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2015;42:1739-49
  Eberlein U, Nowak C, Bluemel C, Buck AK, Werner RA, Scherthan H, et al.
  
• The absorbed dose to blood from blood-borne activity. Physics in medicine and biology. 2015;60:741-53
  Hänscheid H, Fernandez M, Lassmann M
  
• Zusammenhang zwischen physikalischer Dosimetrie und DNA Doppelstrangbrüchen in Lymphozyten nach Radionuklidtherapie. Würzburg: Universität Würzburg; 2015
  Eberlein U
  
• DNA Damage in Peripheral Blood Lymphocytes of Thyroid Cancer Patients After Radioiodine Therapy. J Nucl Med. 2016;57:173-9
  Eberlein U, Scherthan H, Bluemel C, Peper M, Lapa C, Buck AK, et al.
  
• Alpha Particles and X Rays Interact in Inducing DNA Damage in U2OS Cells. Radiat Res. 2017;188:400-11
  Sollazzo A, Brzozowska B, Cheng L, Lundholm L, Haghdoost S, Scherthan H, et al.
  
• Biodosimetry in nuclear medicine. Der Nuklearmediziner. 2018;41:95-101
  Schumann S, Lassmann M, Eberlein U
  
• Correlation of the absorbed dose to the blood and DNA damage in leukocytes after internal ex-vivo irradiation of blood samples with Ra-224. EJNMMI Res. 2018;8:77
  Schumann S, Eberlein U, Muller J, Scherthan H, Lassmann M
  
• DNA damage in leukocytes after internal ex-vivo irradiation of blood with the alpha-emitter Ra-223. Sci Rep. 2018;8:2286
  Schumann S, Eberlein U, Muhtadi R, Lassmann M, Scherthan H
  
• Live Dynamics of 53BP1 Foci Following Simultaneous Induction of Clustered and Dispersed DNA Damage in U2OS Cells. Int J Mol Sci. 2018;19
  Sollazzo A, Brzozowska B, Cheng L, Lundholm L, Scherthan H, Wojcik A
  
• Super-resolution localization microscopy of radiation-induced histone H2AX-phosphorylation in relation to H3K9-trimethylation in HeLa cells. Nanoscale. 2018;10:4320-31
  Hausmann M, Wagner E, Lee JH, Schrock G, Schaufler W, Krufczik M, et al.