Comparing physical and biological DNA Dosimetry after treatment with radiopharmaceuticals

• Applicants: Professor Dr. Michael Laßmann; Professor Dr. Harry Scherthan
• Subject Area: Nuclear Medicine, Radiotherapy, Radiobiology ; Medical Physics, Biomedical Technology
• Term: from 2012 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 204090103

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

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.

Publications

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