Immunmodulation und Gewebeeffekte (nach Schwerionenbestrahlung)

Gruppenleiter: Prof. Dr. Claudia Fournier

Auswirkungen von Radon-Bestrahlung im Niedrigdosisbereich

Gasteinertal Tourismus GmbH
Abbildung 1: Patienten in Radon-Heilstollen. Copyright: Gasteinertal Tourismus GmbH.

Neben Photonen wird in Niedrigdosis - Strahlentherapie dicht ionisierender Strahlung z.B. in Radonbädern verwendet, um rheumatoide Arthritis, ankylosierende Spondylitis, muskuloskelettale Störungen, Schuppenflechte und andere Krankheiten zu behandeln (Abbildung 1). Die zellulären und molekularen Mechanismen, die der beobachteten Schmerzmilderung in Radonbädern zugrunde liegen, sind unbekannt.

 

 

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Abbildung 1: Patienten in Radon-Heilstollen. Copyright: Gasteinertal Tourismus GmbH.
Gasteinertal Tourismus GmbH

GREWIS Konsortium

Daher begannen wir, die potentiell hilfreichen und gefährlichen Aspekte niedrig dosierter Radon-Exposition zu untersuchen. Um dies zu erreichen, arbeiten wir im Rahmen des GREWIS-Projektes mit Experten aus den Bereichen der Teilchenphysik, Zytogenetik, DNA-Reparatur, Immunologie und der molekularen Zellbiologie- und Physiologie zusammen, s. Helmholtz-Gemeinschaft. Das Konsortium umfasst acht Arbeitsgruppen von vier Institutionen und assoziierten medizinischen Kooperationspartnern.

Prof. Dr. Claudia Fournier, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 2: Projektstruktur GREWIS
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Abbildung 2: Projektstruktur GREWIS
Prof. Dr. Claudia Fournier, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Prof. Dr. Claudia Fournier, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 3: Experimentelle Systeme (A) und Strahlungsanlagen (B), die von allen GREWIS-Partnern genutzt werden.
Dr. Andreas Mayer, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 4: Radonkammer

Die Forschungsgruppen des GREWIS-Projektes haben eine gemeinsame Strategie entwickelt, um verschiedene Aspekte des Risikos und des potentiell immunmodulierenden Effektes niedriger Strahlungsdosen zu untersuchen.
Wir arbeiten sowohl auf molekularer und zellulärer Ebene, als auch an Geweben und Tiermodellen (Abbildung 3A). Außerdem haben wir Zugang zu menschlichem Knochenmark (hämatopoetische und mesenchymale Stammzellen), Haut von gesunden Spendern und Blut von Patienten in der Radontherapie.
Für die Radonexposition wurde ein besonderes Gerät entwickelt: Eine Kammer für die Expositon von Zellkulturen und Mäusen, mit kontrollierten Parametern wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Radonkonzentration. So können vergleichbare Bedingungen wie in der Radontherapie und darüber hinaus eingestellt werden (Abbildung 4, zum Vergrößern klicken) [1]. Messungen des Diffusions- und Löslichkeitsverhaltens von Radon und ein Analysealgorithmus wurden entwickelt.  Zusätzlich wurde ein Aufbau zur Bestrahlung mit α-Partikeln konstruiert, welcher an der GSI und der TU Darmstadt verfügbar ist. Dazu wird z.B. eine Americium-241 Quelle mit zu Radon vergleichbaren α-Energien verwendet. Außerdem nutzen wir schwere Ionen (Helium- und Kohlenstoff-Ionen) mit ähnlichen Charakteristiken wie die der α-Partikel (Abbildung 3B).

Biodosimetrie basierend auf DNA-Schadensmarkern nach Radonexposition wurde für verschiedene Organe etabliert und Referenzkurven mit Röntgenstrahlung gemessen. Da Blutgefäße ebenso wie die Interaktion von Endothelzellen der Blutgefäßwände und hämatopoetische Zellen eine Schlüsselrolle in den ersten Schritten der Immunantwort spielen, wurde eine Fließkammer konstruiert, um den Scherstreß des Blutflusses zu imitieren. Experimente werden in vitro mit humanen und murinen Primärzellen durchgeführt (hämatopoetische, Haut-, Knochen, Synovial- und Fettzellen; differenziert von Stamm- und Progenitorzellen von gesunden Spendern), sowie mit 3D Gewebeäquivalenten. Ein in vivo Ansatz nutzt das hTNF-Alpha-transgene Mausmodell für Polyarthritis, um die Reifung und Aktivität von Immun- und Knochenzellen zu untersuchen.
Zusätzlich wurde eine erste explorative Studie mit Blutproben von 100 Patienten, die sich einer Radontherapie unterzogen haben für ein detailliertes Immunmonitoring durchgeführt, und eine Untersuchung von Markern des Knochenmetabolismus und Entzündung vor und bis zu 30 Wochen nach der Therapie. Eine LD-RT-Studie, um diese Ergebnisse mit Photonen-Exposition zu vergleichen, schreitet voran. Generell zeigen unsere bis jetzt erhaltenen Resultate eine verstärkte Aufnahme von Radon in Fettgewebe im Vergleich zu Muskelgewebe, was auf eine unregelmäßige Verteilung im Organismus schließen lässt. Ein verringerter Aktivierungsstatus von Immunzellen, inflammatorischen Faktoren und Markerproteinen wies auf verstärkte Knochenresorption. Dies ist vereinbar mit beobachteten funktionellen Änderungen infolge von niedrigdosis - Photonenexposition  im Polyarthritis - Mausmodell und den in vitro - Resultaten auf dem molekularen Level (Abbildung 5, klicken zum Vergrößern) [2,3,4,5,6].

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Abbildung 3: Experimentelle Systeme (A) und Strahlungsanlagen (B), die von allen GREWIS-Partnern genutzt werden.
Abbildung 4: Radonkammer
Development of a radon chamber to simulate treatment in a radon spa. The chamber can be used to irradiate cell cultures or small animals.
Prof. Dr. Claudia Fournier, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Dr. Andreas Mayer, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

GREWIS-verbundene Forschungsaktivitäten in unserer Gruppe

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Dr. Andreas Mayer, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 4: Radonkammer
Dr. Aljona Cucu, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 5: Effekte der Niedrigdosis-Bestrahlung auf Knochen-Vorläufer / Gelenkzellen.
Vanessa Rzeznik, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 6: Antwort von Fettzellen auf Niedrigdosis-Bestrahlung.
Dr. Felicitas Merz, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 7: Adhäsion von Leukozyten
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Abbildung 4: Radonkammer
Abbildung 5: Effekte der Niedrigdosis-Bestrahlung auf Knochen-Vorläufer / Gelenkzellen.
Abbildung 6: Antwort von Fettzellen auf Niedrigdosis-Bestrahlung.
Abbildung 7: Adhäsion von Leukozyten
Development of a radon chamber to simulate treatment in a radon spa. The chamber can be used to irradiate cell cultures or small animals.
Shown here are terminally differentiated osteoclasts, cultivated on bone slices.
Low-dose-radiation response of fat cells, i.e. in the presence of inflammatory factors, is investigated in human primary cells.
Adhesion of leukocytes, i.e. lymphocytes on endothelial cells is measured after low-dose irradiation. Human primary endothelial cells are cultivated statically or under physiological laminar flow.
Dr. Andreas Mayer, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Dr. Aljona Cucu, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Vanessa Rzeznik, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Dr. Felicitas Merz, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Immunmodulation von Strahleneffekten

Ähnlich zu möglichen anti-inflammatorischen und immununterdrückenden Effekten von niedrigen Strahlendosen auf Organismen, lösen höhere Strahlendosen Immunreaktionen aus, die das Behandlungsergebnis verschlechtern können. In einem Projekt untersuchen wir das Ansprechen von strahlenresistenten Tumorzellen auf Strahlung mit niedrigem und hohem LET (Linearem Energietransfer, Photonen versus Partikel), mit dem Ziel das Abtöten von Tumorzellen durch die Aktivierung einer Immunantwort zu unterstützen. Erste in vitro Resultate mit murinen Zellen von Darm- Brust- und Hautkrebs (CT2.WT, 4T1, B16-F10) zeigen in Präsenz von bestimmten Medikamenten erhöhte Expression von immunrelevanten Oberflächenmolekülen im Vergleich zu Strahlung ohne Medikation. Unsere derzeitigen Forschungsaktivitäten widmen sich der Verifizierung dieser vielversprechenden Resultate in einem Mausmodell.

Strahlenantworten von humanen hämatopoetischen Stamm- und Progenitorzellen

Sekundäre Krebserkrankungen ereignen sich Monate bis Jahre nach Einwirkung und sind ein wichtiges Thema im Strahlenschutz, für Strahlentherapie und bemannte Weltraummissionen. Einflüsse auf Prozesse der Selbsterneuerung und Differenzierung von hematopoetischen Stamm - und Progenitorzellen (HSPC) durch Strahleneinwirkung werden als Ursache für ein erhöhtes Risiko von strahleninduzierter Leukämie angenommen (rAML). Jedenfalls benötigt man für die Risikoeinschätzung für strahleninduzierte Leukämogenese vertiefte Kenntnisse über die Strahlenantworten von HSPC, insbesondere im Bezug auf deren genetischer Stabilität.
Daher untersuchten wir die Übertragung von chromosomalen Änderungen in HSPC, die Strahlung von niedrigem und hohem LET (bis zu 85 keV/µM) ausgesetzt waren. In Anbetracht bekannter Unterschiede im Bezug auf die genetische Stabilität und DNA - Reparaturfähigkeit zwischen murinen und humanen HSPC benutzten wir humane HSPC im Zuge einer Kooperation mit Prof. H. Bönig (Universität Frankfurt) (Abbildung 8, Anklicken zum Vergrößern). Unsere Resultate zeigten unabhängig vom LET keine chromosomale Instabilität, aber eine erhebliche Frequenz von klonalen chromosomalen Aberrationen in den Nachkommen bestrahlter HSPC [8,9]. Um die Kapazität von HSPC zu korrekter DNA Reparatur zu durchleuchten, untersuchten wir die Qualitäten und molekularen Komponenten der Doppelstrangbruch (DSB) -reparatur im Vergleich zu reifen peripheren Blut-Lymphozyten mit Hilfe eines EGF - Plasmid - Reportersystems in HSPC in Kollaboration mit Prof. Dr. Wiesmüller (Universität Ulm). Wir konnten zeigen daß HSPC eine DSB - Reparaturdefizienz durch vermindertes NFkB - Signaling zeigen (homologe Rekombination), was durch Schwerionenexposition bestätigt wurde und das Auftreten von klonalen Aberrationen in den folgenden Generationen nach der Exposition erklären konnte. [10, 11]
Kürzlich starteten wir Untersuchungen zur Kombination von Mikroschwerkraft und hoch LET - Exposition in HSPC.

Dr. Daniela Kraft, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 8: Humane CD34 + HSPC wurden bestrahlt und für 14 Tage in einem Kolonie-bildenden Einheitstest (CFU-Assay) kultiviert.
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Abbildung 8: Humane CD34 + HSPC wurden bestrahlt und für 14 Tage in einem Kolonie-bildenden Einheitstest (CFU-Assay) kultiviert.
HSPC differentiate into cells of the myeloid lineage (CFU-GEMM, BFUe, CFU-G/M/GM) (click to enlarge). Here the growth and differentiation of a BFUe colony with predominantly hemoglobinized erythroblasts cells (>200) is shown. Single colonies can be isolated and chromosomal and other changes can be studied.
Dr. Daniela Kraft, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Durch Schwerionen induzierte späte Effekte in Gewebe

Dr. Julia Wiedemann, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 9: Humanes Hautäquivalent (HSE) nach Bestrahlung mit 2 Gy Kohlenstoff-Ionen.

In anderen Projekten studiert unsere Gruppe späte Effekte durch Schwerionenexposition. Strahleninduzierte nichtmaligne Effekte beinhalten den Einfluß auf die Funktionalität von Geweben und Organen, der oft durch den Verlust von funktionalen Zellen  oder Modifikationen im Differenzierungsprozess und folgender Reorganisation des Gewebes ausgelöst wird.
Die resultierenden Änderungen können Entzündungen erzeugen, also einen physiologischen Reparaturprozess, der im Fall von Fibrose chronisch werden kann. Die zunehmende Anwendung von geladenen Teilchen in der Strahlentherapie erfordert ein besseres Verständnis dieser Prozesse, insbesondere im Fall von Kohlenstoffionen. In einem kollaborativen Projekt mit
Prof. Dr. R. Coppes und Dr. P.v. Lujik (Universität Groningen) untersuchen wir funktionelle und molekulare Änderungen in der Lunge von mit Kohlenstoffionen bestrahlen Rattenlungen.

Insbesondere Haut ist in vielen Szenarien Strahlung ausgesetzt. Wir untersuchen in einem anderen Projekt die frühe Antwort der Haut auf Kohlenstoff-Ionen-Exposition, deren molekulare Basis nicht gut verstanden ist. Um bisherige RBE Datensätze aus einem Schweinemodell [12] mit zellulären und molekularen Studien zu zu vervollständigen, nutzen wir mono- und Cokulturen von epidermalen Zellen einem Voll-Haut 3D Gewebe-Äqivalent, und ex vivo bestrahlte humane Haut von gesunden Spendern, bereitgestellt von unseren Kollaborationspartnern PD Dr. M. Podda und M. Kovacs (Klinikum Darmstadt) (Abbildung 9, klicken zum Vergrößern). Ähnlich zu Photonenexposition wurde die epidermale Gewebeorganisation bei niedrigen und die Differenzierung bei hohen Dosen von Kohlenstoffionen modifiziert, mit einer moderaten Erhöhung von inflammatorischen Zytokinen (13). In laufenden Experimenten werden die Resultate in mit Kohlenstoffionen bestrahlter Schweinehaut verifiziert.

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Abbildung 9: Humanes Hautäquivalent (HSE) nach Bestrahlung mit 2 Gy Kohlenstoff-Ionen.
A cobblestoned basal layer (arrow head) shows changes in the morphology, whereas hyperkeratosis (thickening of the stratum corneum, double arrows) and parakeratosis (nuclei in the stratum corneum; closed arrows) are a sign for an accelearted and changed differntiation process (modified after Simoniello 2016).
Dr. Julia Wiedemann, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Dr. P. Simoniello, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abbildung 10: Histologie mit Hämatoxylin und Eosin-Färbung, Entzündung und Blutung.

Diese Schweinehautproben wurden im Zuge von Experimenten im Rahmen einer Kollaboration mit  MD I. Lehmann und MD D. Packer (Mayo Clinics, Rochester) erhalten, die der Erforschung der Möglichkeit der Behandlung von Herzrhythmusstörungen mit gezielter Partikelstrahlung gewidmet ist. In unseren gegenwärtigen Aktivitäten mit Dr. P. Simoniello (Parthenope Universität von Neapel) charakterisieren wir die zellulären und molekularen Änderungen in den Behandlungsvolumen von exponierten Herzen, die zeitgleich zu elektrophysiologischen Änderungen der Leitfähigkeit stattfinden (Abbildung 10, klicken zum Vergrößern), was bereits in ex vivo bestrahlten Schweineherzen gezeigt wurde [14]. 

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Abbildung 10: Histologie mit Hämatoxylin und Eosin-Färbung, Entzündung und Blutung.
Histology with haematoxylin and eosin staining, inflammation and haemorrhage occur 3 months after irradiation with 40 Gy 12C in left ventricle (LV) tissue (B). Normal structure of cardiomyocytes (A).
Dr. P. Simoniello, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Referenzen:

[1] Maier et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 362:187-193 (2015)

[2] Large et al., Rad. Oncology, 9:80 (2014)

[3] Large et al., Strahlenther Onkol, 191:742-749 (2015)

[4] Thangaraj et al., Chemico-Biological Interactions, in press (2016)

[5] Roth et al., Pflügers Archive-European. J. Physiol. 467:1835-1849 (2014)

[6] Gibhardt et al., Scientific reports, 5:13861 (2015)

[7] Durante et al., Trends Mol. Med., 19(9):565–82 (2013)

[8] Kraft et al., Mutat. Res., 777:43-51 (2015)

[9] Becker et al., IJRB, 85(11):1051-1059 (2009)

[10] Kraft et al., Leukemia, 29:1543-1554 (2015)

[11] Rall et al., Frontiers in Oncology, 5:250 (2015)

[12] Zacharias et al., Acta Oncologica, 36(6):637–642 (1997)

[13] Simoniello et al., Frontiers in Oncology, 5:294 (2016)

[14] Lehmann et al., Circ Arrhythm Electrophysiol. 8(2):429-38 (2015)

Mehr Informationen in:

  1. Rühle et al., Autoimmunity. 50(2):133-140 (2017)
  2. Rödel et al., Front Immunol. 8:519 (2017)
  3. Erbeldinger et al., Front Immunol. 8:627 (2017)
  4. Cucu et al., Front Immunol. 8:882 (2017)