In the thesis, we developed and studied a novel polymer delivery system for the DNA-intercalator bearing radioisotope iodine-125. Auger electrons emitting radioisotopes (such as iodine-125 or indium-111) are a potentially effective cancer treatment. Their use as an effective cancer therapy requires that they will be transported within close proximity of DNA, where they induce double-strand breaks leading to the cell death. This type of therapy may be even more beneficial when associated with drug delivery systems. The DNA intercalators proved to be effective carriers for the delivery of Auger electron emitters into DNA. Therefore, the new radioiodinated DNA-intercalating ellipticinium derivatives were synthesized and characterized. These compounds were linked to N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide copolymer with narrow molecular weight distribution via acid-sensitive hydrazone linker. The structure of the linker plays a crucial role in the biological effectivity of the delivery system, so it was optimized to be stable at pH 7.4 (representing the pH of blood plasma), whereas in slightly acidic pH in endosomes after the cell internalization, the radioiodine-containing biologically active intercalator is rapidly released from its polymer carrier. The intercalating ability of the active compound was...

La radiothérapie est utilisée seule ou en association avec la chimiothérapie dans le traitement de plus de 50% des cancers. En dépit des nombreux progrès dans le but d’améliorer le rapport bénéfice/risque, l’irradiation est à l’origine de nombreux effets secondaires. Une des origines connues des cancers de la thyroïde est l’exposition pendant l’enfance aux radiations ionisantes, soit accidentelles, soit suite à un traitement par radiothérapie externe pour une autre pathologie. Les mécanismes par lesquels les radiations ionisantes provoquent l’apparition d’un cancer de la thyroïde sont nombreux et encore incomplètement connus. Les radiations ionisantes sont des agents génotoxiques qui induisent des dommages au niveau de l’ADN telles que des cassures et des aberrations chromosomiques. Bien que les mécanismes qui sous-tendent ces effets ne soient pas complètement compris, il est généralement admis que les radiations ionisantes induisent des dommages à l’ADN soit de manière directe soit de manière indirecte en générant des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Durant ma thèse, nous avons étudié le rôle des ROS produit lors de l’irradiation dans la génération des dommages à l’ADN dans les cellules thyroïdiennes. Nos résultats montrent que les ROS produites après irradiation participent à la formation des réarrangements chromosomiques RET/PTC1 retrouvés dans 70% des cancers papillaires radioinduits. Les ROS engendrées par la radiolyse de l’eau ont une durée de vie extrêmement courte ce qui limite leur diffusion. Néanmoins, par des mécanismes redox, ils provoquent des modifications au niveau cellulaire qui conduisent à leur tour à l’activation de systèmes générateurs de ROS, parmi lesquels on trouve les NADPH oxydases. Nos résultats montrent que l’irradiation induit l’expression de la NADPH oxydase DUOX1 via la sécrétion d’IL-13, plusieurs jours après l’exposition aux radiations ionisantes. L’inactivation de DUOX1 par ARNs interférents diminue de manière significative les dommages de l’ADN observés plusieurs jours après irradiation. Ces résultats suggèrent un rôle de DUOX1 dans le stress oxydatif chronique qui contribue à l’instabilité génétique. / Radiotherapy is used alone or in combination with chemotherapy to treat over 50% of cancers. Despite much progress in order to improve the benefit / risk ratio, the radiation causes many side effects. One of the known origins of thyroid cancer is exposure during childhood to ionizing radiation, either accidentally or as a result of external radiation therapy for another disease. The mechanisms by which ionizing radiation causes the appearance of thyroid cancer are numerous and not yet fully known. Ionizing radiations are genotoxic agents that induce DNA damage such as breaks and chromosomal aberrations. Although the mechanisms underlying these effects are not completely understood, it is generally accepted that ionizing radiations induce DNA damage either directly or indirectly by generating reactive oxygen species (ROS). During my PhD, we studied the role of ROS produced during irradiation in the generation of DNA damage in thyroid cells. Our results show that ROS produced after irradiation participate in the formation of RET/PTC1 rearrangements found in 70% of radiation-induced papillary cancers. ROS generated by radiolysis of water have a very short lifetime that limits their diffusion. However, by redox mechanisms, they cause changes at the cellular level, which in turn lead to the activation of ROS generating systems, which include the NADPH oxidases. Our results show that irradiation induces the expression of NADPH oxidase DUOX1 via the secretion of IL-13, several days after exposure to ionizing radiation. Inactivation of DUOX1 by interfering RNAs significantly reduces the DNA damage observed several days after irradiation. These results suggest a role DUOX1 in chronic oxidative stress that contributes to genetic instability.

In dieser Arbeit wird die Bildgebung durch eine Compton-Kamera zur Überwachung der Partikelstrahlentherapie erstmals an der Technischen Universität Dresden untersucht. Die inhärenten Beschränkungen der Methode wurden durch Berechnungen und Monte Carlo Simulationen studiert. Im Zuge dieser Untersuchungen erschien der Raumtemperatur-Halbleiter Cadmium Zink Tellurid als ein vielversprechendes Detektor-Material. Zur weiteren Untersuchung wurde eine einfache Compton-Kamera konstruiert bestehend aus einem Cadmium Zink Tellurid Detektor und einem ortsempfndlichen Szintillationsdetektor. Das System hat gezeigt, dass eine akkurate Bildgebung mit radioaktiven Punktquellen unter Laborbedingungen möglich ist. Weitere praktische Beschränkungen der Compton-Bildgebung unter Strahlbedingungen konnten durch Experimente an einem Protonen-Strahl hergeleitet werden. Durch die experimentellen Erfahrungen mit der in dieser Arbeit entwickelten Compton-Kamera konnten wertvolle Informationen gesammelt werden, die erlauben, die Bildrekonstruktion zu evaluieren und dazu beitragen, die weitere Forschung hin zu einer klinisch anwendbaren Compton-Kamera zu leiten. / This work presents the first efforts at the Dresden University of Technology to study the feasibility of Compton imaging as a modality to monitor ion beam radiation therapy. The inherent limitations of the method have been studied by means of calculation and Monte Carlo simulation. As a result, the room-temperature semiconductor cadmium zinc telluride appeared as a promising detector material for a clinical device. For more detailed investigation, a simple Compton camera has been constructed comprising a cadmium zinc telluride detector and a position sensitive scintillation detector. This system has proven that accurate imaging of radioactive point sources in the laboratory is feasible. More practical restrictions of Compton imaging in beam conditions have been derived through experiments at a proton facility. Through the experimental work with the Compton camera developed in this work, valuable information was gathered which allowed to test the image reconstruction and to direct the further research towards a clinical Compton camera system.

In dieser Arbeit wird die Bildgebung durch eine Compton-Kamera zur Überwachung der Partikelstrahlentherapie erstmals an der Technischen Universität Dresden untersucht. Die inhärenten Beschränkungen der Methode wurden durch Berechnungen und Monte Carlo Simulationen studiert. Im Zuge dieser Untersuchungen erschien der Raumtemperatur-Halbleiter Cadmium Zink Tellurid als ein vielversprechendes Detektor-Material. Zur weiteren Untersuchung wurde eine einfache Compton-Kamera konstruiert bestehend aus einem Cadmium Zink Tellurid Detektor und einem ortsempfndlichen Szintillationsdetektor. Das System hat gezeigt, dass eine akkurate Bildgebung mit radioaktiven Punktquellen unter Laborbedingungen möglich ist. Weitere praktische Beschränkungen der Compton-Bildgebung unter Strahlbedingungen konnten durch Experimente an einem Protonen-Strahl hergeleitet werden. Durch die experimentellen Erfahrungen mit der in dieser Arbeit entwickelten Compton-Kamera konnten wertvolle Informationen gesammelt werden, die erlauben, die Bildrekonstruktion zu evaluieren und dazu beitragen, die weitere Forschung hin zu einer klinisch anwendbaren Compton-Kamera zu leiten.:Abstract/Zusammenfassung Illustration Index Index of Tables List of Abbreviations 0 Introduction 0.1 Motivation 0.2 Task 1 Physical Background 1.1 Interaction of Ionizing Radiation with Matter 1.1.1 Coherent Photon Scattering 1.1.2 Incoherent Photon Scattering 1.1.3 Complete Absorption in the Nuclear Electric Field 1.1.4 Pair Production 1.1.5 Total Photon Cross Section 1.1.6 Directly Ionizing Radiation 1.2 Prompt Gamma-rays from Nuclear Reactions 1.3 Detector Technology 1.3.1 Semiconductor Detectors 1.3.2 Scintillation Detectors 1.4 Compton Imaging 1.4.1 Image Formation 1.4.2 History and Application of Compton Cameras 1.5 Prompt Gamma-ray Imaging for In-vivo Dosimetry – Work of Other Groups 2 Design Study 2.1 Introduction 2.1.1 Emission Spectra – Available Data 2.2 Materials and Methods 2.2.1 Angular Resolution 2.2.2 Efficiency 2. Results 2.4 Conclusions 3 Prototype System 3.1 Overview 3.2 System Components 3.2.1 CdZnTe Detector and its Front-end-electronics 3.2.2 LSO Block-Detector 3.2.3 Mounting Frame 3.2.4 DAQ Hardware and Software 3.3 Results 3.3.1 Detector Performance 3.3.2 System Performance 3.4 Conclusions 4 Beam Experiments 4.1 Introduction 4.2 Materials and Methods 4.3 Results 4.3.1 Source Test 4.3.2 Beam Profile 4.3.3 Trigger Rate 4.3.4 Pixel Selection in the LSO 4.3.5 Phantom Measurement 4.4 Conclusions 5 Discussion Appendix A A.1 Technical Drawing of the CdZnTe Electrode Layout Bibliography Danksagung Erklärung / This work presents the first efforts at the Dresden University of Technology to study the feasibility of Compton imaging as a modality to monitor ion beam radiation therapy. The inherent limitations of the method have been studied by means of calculation and Monte Carlo simulation. As a result, the room-temperature semiconductor cadmium zinc telluride appeared as a promising detector material for a clinical device. For more detailed investigation, a simple Compton camera has been constructed comprising a cadmium zinc telluride detector and a position sensitive scintillation detector. This system has proven that accurate imaging of radioactive point sources in the laboratory is feasible. More practical restrictions of Compton imaging in beam conditions have been derived through experiments at a proton facility. Through the experimental work with the Compton camera developed in this work, valuable information was gathered which allowed to test the image reconstruction and to direct the further research towards a clinical Compton camera system.:Abstract/Zusammenfassung Illustration Index Index of Tables List of Abbreviations 0 Introduction 0.1 Motivation 0.2 Task 1 Physical Background 1.1 Interaction of Ionizing Radiation with Matter 1.1.1 Coherent Photon Scattering 1.1.2 Incoherent Photon Scattering 1.1.3 Complete Absorption in the Nuclear Electric Field 1.1.4 Pair Production 1.1.5 Total Photon Cross Section 1.1.6 Directly Ionizing Radiation 1.2 Prompt Gamma-rays from Nuclear Reactions 1.3 Detector Technology 1.3.1 Semiconductor Detectors 1.3.2 Scintillation Detectors 1.4 Compton Imaging 1.4.1 Image Formation 1.4.2 History and Application of Compton Cameras 1.5 Prompt Gamma-ray Imaging for In-vivo Dosimetry – Work of Other Groups 2 Design Study 2.1 Introduction 2.1.1 Emission Spectra – Available Data 2.2 Materials and Methods 2.2.1 Angular Resolution 2.2.2 Efficiency 2. Results 2.4 Conclusions 3 Prototype System 3.1 Overview 3.2 System Components 3.2.1 CdZnTe Detector and its Front-end-electronics 3.2.2 LSO Block-Detector 3.2.3 Mounting Frame 3.2.4 DAQ Hardware and Software 3.3 Results 3.3.1 Detector Performance 3.3.2 System Performance 3.4 Conclusions 4 Beam Experiments 4.1 Introduction 4.2 Materials and Methods 4.3 Results 4.3.1 Source Test 4.3.2 Beam Profile 4.3.3 Trigger Rate 4.3.4 Pixel Selection in the LSO 4.3.5 Phantom Measurement 4.4 Conclusions 5 Discussion Appendix A A.1 Technical Drawing of the CdZnTe Electrode Layout Bibliography Danksagung Erklärung

ZNS-Tumore stellen im Kindesalter die häufigsten soliden sowie die zweithäufigsten Tumorerkrankungen insgesamt nach den Leukämien dar. Sie bedürfen in aller Regel einer multimodalen Therapie, bestehend aus möglichst vollständiger Resektion, Chemo- und Strahlentherapie. Besonders bei Kindern unter drei Jahren kann die kraniale Bestrahlung jedoch zu erheblichen kognitiven Einbußen führen, was unter anderem anhand der Messung des Intelligenzquotienten objektiviert werden kann. Bisher existieren jedoch kaum experimentelle Daten, die belegen, inwieweit Bestrahlung zu einer Reduktion neuraler Vorläuferzellen im Gyrus dentatus führt beziehungsweise die sowohl Kurzzeit- also auch Langzeiteffekte der Bestrahlung dosisabhängig untersuchen. Hinsichtlich der Prävention bestrahlungsinduzierter kognitiver Defizite konnten experimentelle Studien zeigen, dass die Veränderung von Bestrahlungsparametern, der Bestrahlungstechnik, die Gabe neuroprotektiver Substanzen sowie die Wiederherstellung des neuralen Stammzellpools zu einer Verbesserung der kognitiven Eigenschaften führen können. Obwohl Resveratrol als neuroprotektive Substanz bei ischämischen Läsionen des Gehirns sowie einigen neurodegenerativen Erkrankungen bekannt ist, wurde sein neuroprotektives Potential bei radiogen verursachten Läsionen des Gehirns bisher noch nicht näher untersucht. Daher bleibt es offen zu klären, ob die neuralen Vorläuferzellen des Hippokampus, die für komplexe Denkleistungen sowie die Regeneration geschädigter Zellen nötig sind, durch die Gabe dieser Substanz vor dem Zelltod durch Bestrahlung gerettet werden können. In der hier vorliegenden Arbeit war es das Ziel, den Einfluss verschiedener Dosiskonzepte auf das Überleben der neuralen Vorläuferzellen des Gyrus dentatus sowie die Möglichkeit einer Protektion dieser Zellen vor bestrahlungsinduziertem Zelluntergang durch Resveratrol zu untersuchen. Die Experimente wurden mit drei bis sechs Tage alten transgenen Nestin-CFPnuc C57BL/J6 Mäusen durchgeführt, von denen Gewebekulturscheiben, welche die entorhino-hippokampale Formation enthielten, angelegt wurden. Um mit Gewebekulturscheiben arbeiten und reproduktive sowie valide Ergebnisse erzielen zu können, war es von Bedeutung, dass während des gesamten Präparierprozesses die entorhino-hippokampale Formation in den Gehirnen erhalten bleibt. Die Hämytoxylinfärbung zeigte, dass die Zytoarchitektur einer Hirnscheibe in vitro der eines Ganzhirnpräparates entspricht. Insbesondere der Tractus perforans bleibt intakt (Kluge et al., 1998). Die Messung der Zytokine (IL-6, KC, MCP-1) nach Entnahme der Hirne und Präparation ergab 14 Tage nach Gewebepräparation konstante Messwerte, sodass von einem Abschluss der Wundheilung ausgegangen werden konnte. Verhalten Nestin-positiver Zellen in Kultur Der Zeitverlauf Nestin-positiver Zellen in unbestrahlten und unbehandelten Kontrollen über 49 Tage zeigte eine mehrphasische Entwicklung, die in dieser Form bisher noch nie beschrieben worden ist. Bis etwa zur Hälfte der Zeit gab es einen deutlichen Abfall Nestin-positiver Zellen. Dieser schien sich jedoch innerhalb der nächsten zehn Tage zu erholen und ab dem 35. Tag in vitro einen konstanten Verlauf zu zeigen. Diese Beobachtungen beweisen, dass die Gewebekulturscheiben in vitro ähnlich einer Maus in vivo altern (Fukuda et al., 2005). Effekte der Bestrahlung Die Bestrahlung führte über den Zeitraum von sechs Wochen zu einer signifikanten, irreversiblen und dosisabhängigen Reduktion Nestin-positiver Zellen innerhalb aller Bestrahlungsdosen (4,5 Gy, 8 Gy, 12 Gy und 16 Gy). Eine Erklärung für die Abnahme Nestin-positiver Zellen ist der bestrahlungsinduzierte Zelltod, welcher, gemessen an Propidiumiodid-positiven Zellen, einen dosisabhängigen Anstieg zeigte. Aufgrund der geringen absoluten Anzahl Propidiumiodid-positiver Zellen 96 Stunden nach Bestrahlung ist es denkbar, dass der Zelltod womöglich auch zu einem späteren Zeitpunkt einsetzt, wenn sich die durch die Bestrahlung entstandenen Aberrationen und nicht mehr reparablen Schäden über mehrere Zellzyklen manifestiert haben und dann zum Tod der Zelle führen. Entsprechend unseren Ergebnissen führt Bestrahlung ebenso zu einem Einbruch der Neurogenese (NeuN/BrdU) sowie der Proliferation (BrdU/ Ki-67). Diese Beobachtungen machten auch andere Arbeitsgruppen, die ebenfalls negative Langzeiteffekte auf die Neurogenese (Mizumatsu et al., 2003) sowie die Proliferation (Rola et al., 2004) beschrieben. Die Ausdifferenzierung der Stammzellen zu GFAP-positiven Zellen kann durch die Induktion von NF- κB (Ozeki et al., 2012), STAT-3 (Bonni et al., 1997) oder die Aktivierung der Mikroglia im Sinne einer reaktiven Gliosis (Hwang et al., 2006) hervorgerufen werden. Entgegen der Annahme, dass es auch zu einem bestrahlungsinduzierten Abfall ausgereifter Neurone kommen müsste, führte Bestrahlung bis 12 Gy nach 42 Tagen eher zu einer Zunahme. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass es unmittelbar nach Bestrahlung zu einem Abfall gekommen ist, der sich aber nach 42 Tagen vollständig erholt hat. Dies könnte auch den Abfall bei einer Dosis von 16 Gy erklären, da in diesem Dosisbereich eben keine Regeneration mehr erwartet werden kann. Effekt von Resveratrol Da es bereits bei einer Einzeldosis von 4,5 Gy zu einem irreversiblen Abfall neuronaler Stammzellen sowie einem Einbruch der Proliferation und Neurogenese kam, sollten neben technischen Maßnahmen zur Neuroprotektion auch andere Möglichkeiten in Betracht gezogen werden. Eine Einzeldosis von 4,5 Gy entspricht in etwa einer Dosis von 10 Gy, die im Rahmen des „hippocampal sparing“ während der fraktionierten Behandlung typischerweise im Bereich des Hippokampus erreicht wird (Gondi et al., 2010b). Die Gabe von Resveratrol führte in unbestrahlten Gewebekulturscheiben zu einer Abnahme Nestin-positiver Zellen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. In Kombination mit Bestrahlung zeigte sich jedoch, dass die Anzahl Nestin-positiver Zellen durch die Gabe von Resveratrol zum Teil signifikant erhöht werden konnte. Das neuroprotektive Potential von Resveratrol konnte bereits bei 4 Gy bestrahlten hippokampalen Neuronen demonstriert werden (Li et al., 2014). Bei einer Bestrahlungsdosis von 8 Gy, nicht jedoch bei 16 Gy beobachteten wir über den gesamten Zeitraum einen neuroprotektiven Effekt. Es ist anzunehmen, dass die durch 16 Gy hinterlassenen Schäden derart stark ausgeprägt sind, dass Resveratrol, welches nur 48 Stunden verabreicht wurde, nicht in der Lage war, die Stammzellen zu schützen. In der Praxis könnte man Resveratrol über längere Zeit im Rahmen fraktionierter Behandlungen verabreichen, was auch eine Reduktion der Resveratroldosis ermöglichen könnte. In den unbestrahlten Kontrollen führte die Gabe von Resveratrol möglicherweise durch die Aktivierung von Sirt-1 sowie von AMPK zu einer Inhibition der Entwicklung von Stammzellen (Ma et al., 2014; Park et al., 2012). In weiteren Studien sollte geprüft werden, inwieweit Resveratrol auch in vivo Potential besitzt, die neurokognitiven Fähigkeiten durch einen Schutz der Stammzellen vor Bestrahlung zu verbessern.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis II 1. Einführung 1.1 Hintergrund 1.2 Primäre ZNS-Tumore im Kindesalter 1.2.1 Entstehung und Ätiologie 1.2.2 Symptome und Diagnostik 1.2.3 Therapiemodalitäten 1.3 Der Hippokampus 1.3.1 Anatomie der hippokampalen Formation 1.3.2 Funktion des Hippokampus 1.3.3 Neurogenese im Hippokampus 1.4 Beschreibung des Mausmodels sowie der Zellkultur 1.5 Biologische Wirkung ionisierender Strahlung auf Gewebe 1.6 Neuroprotektion vor ionisierender Strahlung 1.7 Zielsetzung der Arbeit 2. Publikation 3. Zusammenfassung 4. Literaturverzeichnis 5. Darstellung des eigenen Beitrags 6. Anhang 36 6.1 Selbstständigkeitserklärung 36 6.2 Lebenslauf 37 6.3 Publikationen 39 6.4 Danksagung 40

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bisher größte Kohorte von Patientenverläufen mit strahleninduzierten malignen Gliomen (RIG) nach Behandlung von anderen pädiatrischen Hirntumoren (v. a. Medulloblastomen) im deutschsprachigen Raum erfasst sowie klinisch und zum Teil neuropathologisch charakterisiert. In einer ersten Schätzung erscheint im Vergleich zur Häufigkeit von sporadischen hochgradigen Gliomen (HGG) die Rate von RIG nach Therapie von pädiatrischen Medulloblastomen um bis zu 125-fach erhöht zu sein. Überwiegend sind RIG in der hinteren Schädelgrube, d. h. im Bereich des Primärtumors bei Medulloblastomen und somit im Hochdosisbereich der erfolgten Strahlentherapie lokalisiert. Die Prognose von RIG ähnelt der von sporadischen HGG mit Lage in ähnlichen Hirnregionen. Patienten, die eine Radiochemotherapie erhielten, zeigten im Vergleich zu Patienten mit weniger intensiven Therapien oder Best Supportive Care eine bessere Prognose. In Anbetracht ähnlicher Daten bei anderen Hirnstammtumoren scheint in der Tat ein Therapieeffekt und weniger ein Selektionseffekt vorzuliegen. Auf molekularer Ebene sind die RIG durch einen kombinierten Verlust von Chromosom 13q und 14q charakterisiert. Veränderungen von TP53 und Signalwegregulatoren (z. B. MDM4) können als genetische Kennzeichen der RIG gewertet werden, finden sich jedoch seltener in primären HGG. Zur Abgrenzung von Rezidiven des Primärtumors oder Strahlennekrosen sollte möglichst eine Biopsie erfolgen. Zur Vermeidung von RIG als schwere Therapiefolge erscheint in Studien eine weitere Reduktion der Strahlentherapiedosis bzw. Begrenzung des Boostvolumens wünschenswert. Auch die Verwendung von Protonentherapie statt Photonenbestrahlung könnte in dieser Hinsicht vorteilhaft sein. Mit letzter Sicherheit konnte nicht geklärt werden, ob die hintere Schädelgrube ein Ort der Prädisposition für RIG ist oder ob die erreichte Strahlentherapiedosis hier der alleinige ausschlaggebende Faktor ist. Weitere molekulargenetische Untersuchungen zur detaillierteren Charakterisierung dieser und möglichst weiterer RIG mit Methylierungsassays sowie ein Abgleich der Fallzahlen mit Datenbanken des HIT-MED und HIT-REZ Registers sind zur Ergänzung und Validierung vor der Publikation der Ergebnisse geplant.:1 Einführung 1.1 Hirntumore im Kindesalter 1.2 Medulloblastome 1.2.1 Epidemiologie und Klinik 1.2.2 Histologie, Risikogruppen und molekulare Subgruppen 1.2.3 Diagnostik und Therapie 1.2.4 Prognose und Langzeitfolgen 1.3 Hochmaligne pädiatrische Gliome 1.3.1 Epidemiologie und Molekulargenetik 1.3.2 Klinik und Diagnostik 1.3.3 Therapie und Prognose 1.4 Strahleninduzierte hochmaligne Gliome 1.4.1 Strahlentherapie als therapeutischer Baustein 1.4.2 Definition strahleninduzierter Gliome 1.4.3 Epidemiologie, Latenzen und Risikofaktoren 1.4.4 Molekulare Eigenschaften 1.4.5 Therapie und Prognose 2 Aufgabenstellung 3 Methoden 3.1 Patientenauswahl 3.1.1 Fallgruppe 3.1.2 Kontrollgruppe 3.2 Molekularpathologische Analysen 3.3 Statistische Analysen 3.4 Risikoabschätzung für strahleninduzierte Gliome nach Medulloblastomtherapie im Kindesalter 4 Ergebnisse 4.1 Patientencharakteristika 4.1.1 Fallgruppe 4.1.2 Charakteristika der gematchten HGG-Gruppe und Vergleich mit RIG-Gruppe 4.2 Überlebensanalyse 4.2.1 Überlebenszeitvergleich von strahleninduzierten und sporadischen hochgradigen Gliomen 4.2.2 Gesamtüberleben der RIG-Gruppe in Abhängigkeit der Therapiemodalitäten 4.3 Risikoabschätzung für strahleninduzierte Gliome nach Bestrahlung eines Medulloblastoms im Kindesalter im Verhältnis zur Rate spontaner hochgradiger Gliome im Kindesalter 4.3.1 Rate spontaner hochgradiger Gliome pro Neugeborenen in Deutschland 4.3.2 Rate strahleninduzierter Gliome bei neudiagnostiziertem pädiatrischen Medulloblastom 4.4 Molekulare Genetik der strahleninduzierten Gliome 5 Diskussion 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit Danksagung

Die Inzidenz und die Risikofaktoren der strahleninduzierten Leukoenzephalopathie bei Langzeitüberlebenden eines hochgradigen Glioms (HGG) sind noch wenig untersucht. Wir führten eine retrospektive Untersuchung in der Datenbank der Pitie-Salpetriere für Patienten mit supratentoriellen HGG durch, die mit fokaler Strahlentherapie behandelt wurden, ein progressionsfreies Gesamtüberleben von mehr als 30 Monaten hatten und deren Keimbahn-DNA sequenziert wurde. Die T2/FLAIR-Sequenzen der Verlaufs-MRT- Scans dieser Patienten wurden auf Anzeichen von Leukoenzephalopathie untersucht und ihre Krankenakten auf Informationen über zerebrovaskuläre Risikofaktoren und im Verlauf neu aufgetretene neurologische Symptome. Zur Bewertung des genetischen Risikos untersuchten wir eine Reihe von Kandidaten-Genen für Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs). Einundachtzig HGG-Patienten (18 Grad IV und 63 Grad III, 50M/31F) wurden in die Studie aufgenommen. Das mittlere Alter zum Zeitpunkt der Strahlentherapie betrug 48 Jahre (Spanne 18-69 Jahre). Die mediane Nachbeobachtungszeit nach Abschluss der Strahlentherapie betrug 79 Monate. Insgesamt 44 Patienten (44/81, 54,3 %) entwickelten während der Nachbeobachtung eine strahleninduzierte Leukoenzephalopathie. Neunundzwanzig der 44 Patienten entwickelten konsistente Symptome wie subkortikale Demenz (n = 28), Gangstörungen (n = 12) und Harninkontinenz (n = 9). Die kumulative Inzidenz der strahleninduzierten Leukoenzephalopathie betrug 21 % nach 12 Monaten, 42 % nach 36 Monaten und 48 % nach 60 Monaten. Alter > 60 Jahre, Rauchen und der Keimbahn-SNP rs2120825 (PPARg-Locus) waren mit einem erhöhten Risiko für eine strahleninduzierte Leukoenzephalopathie verbunden.

Die Inzidenz und die Risikofaktoren der strahleninduzierten Leukoenzephalopathie bei Langzeitüberlebenden eines hochgradigen Glioms (HGG) sind noch wenig untersucht. Wir führten eine retrospektive Untersuchung in der Datenbank der Pitie-Salpetriere für Patienten mit supratentoriellen HGG durch, die mit fokaler Strahlentherapie behandelt wurden, ein progressionsfreies Gesamtüberleben von mehr als 30 Monaten hatten und deren Keimbahn-DNA sequenziert wurde. Die T2/FLAIR-Sequenzen der Verlaufs-MRT-Scans dieser Patienten wurden auf Anzeichen von Leukoenzephalopathie untersucht und ihre Krankenakten auf Informationen über zerebrovaskuläre Risikofaktoren und im Verlauf neu aufgetretene neurologische Symptome. Zur Bewertung des genetischen Risikos untersuchten wir eine Reihe von Kandidaten-Genen für Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs). Einundachtzig HGG-Patienten (18 Grad IV und 63 Grad III, 50M/31F) wurden in die Studie aufgenommen. Das mittlere Alter zum Zeitpunkt der Strahlentherapie betrug 48 Jahre (Spanne 18-69 Jahre). Die mediane Nachbeobachtungszeit nach Abschluss der Strahlentherapie betrug 79 Monate. Insgesamt 44 Patienten (44/81, 54,3 %) entwickelten während der Nachbeobachtung eine strahleninduzierte Leukoenzephalopathie. Neunundzwanzig der 44 Patienten entwickelten konsistente Symptome wie subkortikale Demenz (n = 28), Gangstörungen (n = 12) und Harninkontinenz (n = 9). Die kumulative Inzidenz der strahleninduzierten Leukoenzephalopathie betrug 21 % nach 12 Monaten, 42 % nach 36 Monaten und 48 % nach 60 Monaten. Alter > 60 Jahre, Rauchen und der Keimbahn-SNP rs2120825 (PPARg-Locus) waren mit einem erhöhten Risiko für eine strahleninduzierte Leukoenzephalopathie verbunden.

Reaktive Sauerstoffspezies sind die entscheidenden Faktoren der pulmonalen Toxizität unter Radio-Chemotherapie. Sie induzieren eine akute pulmonale entzündliche Reaktion, unter der es zur Ausschüttung einer sich selbst verstärkenden Zytokinkaskade im Sinne eines multifaktoriellen Zytokinnetzwerkes und in der Folge unter einer persistierenden Zytokinkaskade zur Generierung von sekundären reaktiven Sauerstoffspezies kommt. Die Aktivierung dieser Zytokinkaskade ist noch Monate nach Chemotherapie oder Strahlentherapie auch bei Patienten, die klinisch keine Symptome der Lungenschädigung zeigen, nachweisbar. Dieser Prozeß kann, ähnlich wie bei der fibrosierenden Alveolitis, mit einer Fibrosierung des Lungengewebes und mit Ablagerung von extrazellulärer Matrix einhergehen. Die vorliegende Arbeit hat durch die systematische Analyse an 261 Lavagen von 199 Bronchialkarzinom-Patienten vor, unter und nach zytoreduktiver Therapie die Determinanten des oxidativen pulmonalen Stress untersucht. Als Meßparameter des akuten oxidativen Stress ist die Gesamtzellzahl in der BALF, der Methioninsulfoxidgehalt sowie die Konzentration von Glutathion, IL-1, IL-6 und IL-8, TNF-alpha, weiterhin die VEGF-Konzentration in der ELF geeignet. Erstmalig gezeigt werden konnte hierbei, daß VEGF nicht nur im Rahmen der Neoangiogenese, sondern auch durch reaktive Sauerstoffspezies hochreguliert wird und oxidativen Stress sensitiv anzeigt. Bei manifester Lungenfibrosierung könnte P-III-P ein sensitiver Marker der Fibroblasten-aktivierung und der Produktion extrazellulärer Matrix sein. Die Untersuchungen ergaben zwischen den Folgen der Strahlentherapie und Chemotherapie lediglich quantitative, keine qualitativen Unterschiede. Die vorliegende Arbeit möchte die Grundlage schaffen, dosisintensivierte multimodale Therapien bezüglich der oxidativen pulmonalen Belastungen bei Patienten mit Bronchialkarzinom invasiv zu monitoren. Dies könnte eine individuelle Dosisoptimierung durch die Bestimmung der oxidativen pulmonalen Kapazität, insbesondere der Glutathionkonzentration in der ELF, schaffen. / Induction of reactive oxygen is the main pathway of acute pulmonary injury during radio-chemotherapy. This release of cytokines during inflammation leads to a self perpetuating cytokine cascade as a cytokine network, resulting in the generation of secondary oxidative stress. This cytokine activation is detectable during therapy as well as months after therapy, even if the patient is clinically asymptomatic. This activated cytokine network can be accompanied by the deposition of extracellular matrix (similar as in lung fibrosis). In our study, we analysed 261 bronchoalveolar lavages (BAL) from 199 patients with lung carcinoma under, before and after chemotherapy and / or radiotherapy. The following BAL parameters indicating oxidative stress were found: total cell count, concentration of methionine sulfoxide, gluthatione, IL-1, IL-6, IL-8, TNF-alpha and VEGF. It was shown for the first time that VEGF is also upregulated by oxidative stress. If lung fibrosis is manifest, P-III-P could be a marker of activation of fibroblasts and of the production of extracellular matrix. In general, differences found in measured parameters during chemotherapy or radiotherapy were of quantitative, not of qualitative nature. Our study wants to lay the groundwork in monitoring pulmonary stress invasively in lung cancer patients. This could lead to better individual dose application by defining the antioxidative capacity, especially the gluthatione concentration in the BAL.

L'objectif de notre thèse est de contribuer à une meilleure délimitation de la forme et de l'extension de tumeurs intracrâniennes afin de pouvoir mieux les traiter par radiothérapie conformationnelle. Plusieurs approches ont été utilisées. Par une étude anatomo-pathologique autopsique, nous avons pu démontrer que les métastases cérébrales de plusieurs types de tumeurs s'étendent au moins 1 mm au-delà de leur bord macroscopiquement visible. Les métastases de tumeurs pulmonaires à petites cellules sont celles pour lesquelles nous observons la plus grande extension. En utilisant des techniques de spectroscopie et de l'imagerie par RMN, nous avons observé que des discordances existent dans 47% des voxels examinés. Le plus souvent, l'image apparaît pathologique en RMN et normale en spectroscopie, peut-être en raison d'un oedème périlésionnel important. Une troisième approche a été l'analyse comparative de l'extension de méningiomes intracrâniens par la RMN et par une nouvelle méthode d'imagerie métabolique (PET scan à un acide aminé marqué au fluor 18). Tous les méningiomes sont bien visualisés par le PET scan. Une concordance complète entre image de RMN et de PET scan est observée dans 54% des cas, l'image est plus étendue en PET scan dans 38 % des cas et la situation inverse est observée dans 8% des cas. Enfin, nous avons validé toute la chaîne de traitement en radiochirurgie sur des neurinomes de l'acoustique. Nous obtenons des résultats cliniques comparables à ceux de grandes séries publiées. En conclusion, nos travaux montrent que l'image anatomique seule (la RMN) est insuffisante pour délimiter la plupart des tumeurs intracrâniennes et que des méthodes complémentaires (spectroscopie, imagerie dite métabolique) sont nécessaires pour la préparation au traitement par radiothérapie de précision.