Der Umgang mit ionisierender Strahlung in der medizinischen Diagnostik und Therapie ge-winnt ständig an Bedeutung. Welche Auswirkungen dabei geringe Dosen ionisierender Strahlung auf biologische Systeme haben, ist daher relevant und Gegenstand der Forschung. Die Adaptive Antwort kann in der Strahlenbiologie den Niedrig-Dosis-Effekten zugeordnet werden. Dieser Effekt, der auch als Präkonditionierung bezeichnet wird, beschreibt den protektiven Effekt, den eine niedrig dosierte Vorbestrahlung auf eine hoch dosierte Folgebestrahlung hat. Die Adaptive Antwort lässt sich beispielsweise durch Reduzierung von DNA-Schäden oder ein verbessertes Zellüberleben nachweisen. Die protektive Wirkung vor einer hohen Dosis tritt nur in einem begrenzten Zeitfenster zur Vorbestrahlung auf. In dieser Arbeit erfolgte der Nachweis der Adaptiven Antwort an Rattenschilddrüsenzellen, die über einen Natriumiodidsymporter (NIS) verfügen. Nach einer niedrig dosierten Vorbestrahlung und einem bestimmten Erholungsintervall erfolgte dazu jeweils eine zweite Bestrahlung mit einer therapeutisch wirksamen Dosis. Als biologischer Endpunkt wurde das klonogene Zellüberleben (Koloniebildungstest) gewählt. Die Bestrahlung erfolgte mit Röntgenstrahlung und 99mTc. Das 99mTc wird über den NIS in die Zellen aufgenommen. Diese intrazelluläre Radionuklidaufnahme kann durch Zugabe von Perchlorat fast vollständig blockiert werden. So konnte mit 99mTc sowohl ein intrazellulärer als auch ein extrazellulärer Bestrahlungsmodus realisiert werden. Durch die Untersuchung des Uptakes wurde jeweils das Ausmaß der intrazellulären Radionuklidaufnahme bestimmt. Ziel dieser Arbeit war es, die Adaptive Antwort durch Kombination und Variation der Bestrahlungssequenzen Rönt-genstrahlung, 99mTc und 99mTc mit Perchlorat nachzuweisen. Zur Einschätzung der Radiotoxizität wurden Dosis-Wirkungs-Kurven der Bestrahlungsmoda-litäten erstellt. Dabei konnten linear-quadratische bzw. lineare Dosis-Wirkungs-Beziehungen nachgewiesen werden. Die intrazelluläre Aufnahme von 99mTc führte im Vergleich zur extra-zellulären Bestrahlung durch Inkubation mit Perchlorat bei gleichen Aktivitätskonzentrationen zu stark verminderten Überlebensfraktionen. Die Ergebnisse wurden verwendet, um geeignete Dosisbereiche zum Nachweis der Adaptiven Antwort zu ermitteln. Die Adaptive Antwort wurde zunächst durch zweimalige Bestrahlung durch die gleiche Strah-lenqualität nachgewiesen. Für Röntgenstrahlung, 99mTc und 99mTc mit Perchlorat wurden je-weils die Vorbestrahlungsdosen von 0,01 Gy bis 0,75 Gy und die Erholungszeiten von 2 h bis 24 h untersucht. Nachbestrahlt wurde bei Röntgenstrahlung und 99mTc mit 2 Gy und bei 99mTc mit Perchloratinkubation mit 1 Gy. Der Nachweis eines höheren Zellüberlebens durch die Vorbestrahlung gelang bei allen drei Bestrahlungsmodalitäten. Die Adaptive Antwort war jeweils bei 0,025 Gy und 0,05 Gy Vorbestrahlungsdosis und nach 6 h Erholungszeit am stärksten ausgeprägt. Nach 10 h war jeweils keine protektive Wirkung nach Vorbestrahlung mehr nachweisbar. Im Folgenden wurden die Bestrahlungsmodalitäten untereinander variiert. So wurde Rönt-genstrahlung mit 99mTc, sowie Röntgenstrahlung mit 99mTc und Perchlorat kombiniert und die Sequenzen jeweils variiert. Als Vorbestrahlungsdosen wurden 0,025 Gy und 0,05 Gy gewählt. Die Zeitfenster zwischen Vor- und Nachbestrahlung betrugen 4 h; 6 h und 24 h. Bei allen 4 Kombinationen konnte nach 6 h Erholungszeit eine Adaptive Antwort nachgewiesen werden. Die größte protektive Wirkung konnte in allen Versuchen durch 0,05 Gy Vorbestrahlung erreicht werden. Entsprechend der Zielsetzung konnte in dieser Arbeit die Adaptive Antwort unabhängig von der Bestrahlungsmodalität und deren Sequenz bei Vor- und Nachbestrahlung nachgewiesen werden. Insbesondere gelangen der Vergleich und die Kombination aus extra- und intrazellu-lärer Bestrahlung. Es konnte bestätigt werden, dass der durch die Vorbehandlung induzierte protektive Effekt nur in einem begrenzten Zeitfenster bestehen bleibt. Des Weiteren zeichnete sich eine Abhängigkeit des Ausmaßes der Adaptiven Antwort von der Vorbestrahlungsdosis ab. Die Ergebnisse bestätigen die aktuell anerkannte Hypothese, die die Adaptive Antwort als Teil einer allgemeinen Stressantwort der Zelle auf verschiedene Noxen sieht (Calabrese, et al., 2007). Im Hinblick auf moderne Therapieansätze in der Onkologie, wie CIERT oder der Radiorezeptortherapie, ist der Einfluss der Niedrig-Dosis-Effekte, wie der Adaptiven Antwort, auf das Behandlungsergebnis jedoch eher vernachlässigbar. Die angewandte Induktionsdosis sowohl durch eine Röntgenuntersuchung als auch durch eine Szintigraphie ist zu gering bzw. bei der fraktionierten Strahlentherapie zu hoch, um eine Adaptive Antwort zu induzieren. Weiterhin ist das Zeitfenster für die Ausbildung der Protektion in der Praxis nicht gegeben.

Der Umgang mit ionisierender Strahlung in der medizinischen Diagnostik und Therapie ge-winnt ständig an Bedeutung. Welche Auswirkungen dabei geringe Dosen ionisierender Strahlung auf biologische Systeme haben, ist daher relevant und Gegenstand der Forschung. Die Adaptive Antwort kann in der Strahlenbiologie den Niedrig-Dosis-Effekten zugeordnet werden. Dieser Effekt, der auch als Präkonditionierung bezeichnet wird, beschreibt den protektiven Effekt, den eine niedrig dosierte Vorbestrahlung auf eine hoch dosierte Folgebestrahlung hat. Die Adaptive Antwort lässt sich beispielsweise durch Reduzierung von DNA-Schäden oder ein verbessertes Zellüberleben nachweisen. Die protektive Wirkung vor einer hohen Dosis tritt nur in einem begrenzten Zeitfenster zur Vorbestrahlung auf. In dieser Arbeit erfolgte der Nachweis der Adaptiven Antwort an Rattenschilddrüsenzellen, die über einen Natriumiodidsymporter (NIS) verfügen. Nach einer niedrig dosierten Vorbestrahlung und einem bestimmten Erholungsintervall erfolgte dazu jeweils eine zweite Bestrahlung mit einer therapeutisch wirksamen Dosis. Als biologischer Endpunkt wurde das klonogene Zellüberleben (Koloniebildungstest) gewählt. Die Bestrahlung erfolgte mit Röntgenstrahlung und 99mTc. Das 99mTc wird über den NIS in die Zellen aufgenommen. Diese intrazelluläre Radionuklidaufnahme kann durch Zugabe von Perchlorat fast vollständig blockiert werden. So konnte mit 99mTc sowohl ein intrazellulärer als auch ein extrazellulärer Bestrahlungsmodus realisiert werden. Durch die Untersuchung des Uptakes wurde jeweils das Ausmaß der intrazellulären Radionuklidaufnahme bestimmt. Ziel dieser Arbeit war es, die Adaptive Antwort durch Kombination und Variation der Bestrahlungssequenzen Rönt-genstrahlung, 99mTc und 99mTc mit Perchlorat nachzuweisen. Zur Einschätzung der Radiotoxizität wurden Dosis-Wirkungs-Kurven der Bestrahlungsmoda-litäten erstellt. Dabei konnten linear-quadratische bzw. lineare Dosis-Wirkungs-Beziehungen nachgewiesen werden. Die intrazelluläre Aufnahme von 99mTc führte im Vergleich zur extra-zellulären Bestrahlung durch Inkubation mit Perchlorat bei gleichen Aktivitätskonzentrationen zu stark verminderten Überlebensfraktionen. Die Ergebnisse wurden verwendet, um geeignete Dosisbereiche zum Nachweis der Adaptiven Antwort zu ermitteln. Die Adaptive Antwort wurde zunächst durch zweimalige Bestrahlung durch die gleiche Strah-lenqualität nachgewiesen. Für Röntgenstrahlung, 99mTc und 99mTc mit Perchlorat wurden je-weils die Vorbestrahlungsdosen von 0,01 Gy bis 0,75 Gy und die Erholungszeiten von 2 h bis 24 h untersucht. Nachbestrahlt wurde bei Röntgenstrahlung und 99mTc mit 2 Gy und bei 99mTc mit Perchloratinkubation mit 1 Gy. Der Nachweis eines höheren Zellüberlebens durch die Vorbestrahlung gelang bei allen drei Bestrahlungsmodalitäten. Die Adaptive Antwort war jeweils bei 0,025 Gy und 0,05 Gy Vorbestrahlungsdosis und nach 6 h Erholungszeit am stärksten ausgeprägt. Nach 10 h war jeweils keine protektive Wirkung nach Vorbestrahlung mehr nachweisbar. Im Folgenden wurden die Bestrahlungsmodalitäten untereinander variiert. So wurde Rönt-genstrahlung mit 99mTc, sowie Röntgenstrahlung mit 99mTc und Perchlorat kombiniert und die Sequenzen jeweils variiert. Als Vorbestrahlungsdosen wurden 0,025 Gy und 0,05 Gy gewählt. Die Zeitfenster zwischen Vor- und Nachbestrahlung betrugen 4 h; 6 h und 24 h. Bei allen 4 Kombinationen konnte nach 6 h Erholungszeit eine Adaptive Antwort nachgewiesen werden. Die größte protektive Wirkung konnte in allen Versuchen durch 0,05 Gy Vorbestrahlung erreicht werden. Entsprechend der Zielsetzung konnte in dieser Arbeit die Adaptive Antwort unabhängig von der Bestrahlungsmodalität und deren Sequenz bei Vor- und Nachbestrahlung nachgewiesen werden. Insbesondere gelangen der Vergleich und die Kombination aus extra- und intrazellu-lärer Bestrahlung. Es konnte bestätigt werden, dass der durch die Vorbehandlung induzierte protektive Effekt nur in einem begrenzten Zeitfenster bestehen bleibt. Des Weiteren zeichnete sich eine Abhängigkeit des Ausmaßes der Adaptiven Antwort von der Vorbestrahlungsdosis ab. Die Ergebnisse bestätigen die aktuell anerkannte Hypothese, die die Adaptive Antwort als Teil einer allgemeinen Stressantwort der Zelle auf verschiedene Noxen sieht (Calabrese, et al., 2007). Im Hinblick auf moderne Therapieansätze in der Onkologie, wie CIERT oder der Radiorezeptortherapie, ist der Einfluss der Niedrig-Dosis-Effekte, wie der Adaptiven Antwort, auf das Behandlungsergebnis jedoch eher vernachlässigbar. Die angewandte Induktionsdosis sowohl durch eine Röntgenuntersuchung als auch durch eine Szintigraphie ist zu gering bzw. bei der fraktionierten Strahlentherapie zu hoch, um eine Adaptive Antwort zu induzieren. Weiterhin ist das Zeitfenster für die Ausbildung der Protektion in der Praxis nicht gegeben.

BACKGROUND: DNA damage occurs as a consequence of both direct and indirect effects of ionizing radiation. The severity of DNA damage depends on the physical characteristics of the radiation quality, e.g., the linear energy transfer (LET). There are still contrary findings regarding direct or indirect interactions of high-LET emitters with DNA. Our aim is to determine DNA damage and the effect on cellular survival induced by (223)Ra compared to (188)Re and (99m)Tc modulated by the radical scavenger dimethyl sulfoxide (DMSO). METHODS: Radioactive solutions of (223)Ra, (188)Re, or (99m)Tc were added to either plasmid DNA or to PC Cl3 cells in the absence or presence of DMSO. Following irradiation, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) in plasmid DNA were analyzed by gel electrophoresis. To determine the radiosensitivity of the rat thyroid cell line (PC Cl3), survival curves were performed using the colony formation assay. RESULTS: Exposure to 120 Gy of (223)Ra, (188)Re, or (99m)Tc leads to maximal yields of SSB (80 %) in plasmid DNA. Irradiation with 540 Gy (223)Ra and 500 Gy (188)Re or (99m)Tc induced 40, 28, and 64 % linear plasmid conformations, respectively. DMSO prevented the SSB and DSB in a similar way for all radionuclides. However, with the α-emitter (223)Ra, a low level of DSB could not be prevented by DMSO. Irradiation of PC Cl3 cells with (223)Ra, (188)Re, and (99m)Tc pre-incubated with DMSO revealed enhanced survival fractions (SF) in comparison to treatment without DMSO. Protection factors (PF) were calculated using the fitted survival curves. These factors are 1.23 ± 0.04, 1.20 ± 0.19, and 1.34 ± 0.05 for (223)Ra, (188)Re, and (99m)Tc, respectively. CONCLUSIONS: For (223)Ra, as well as for (188)Re and (99m)Tc, dose-dependent radiation effects were found applicable for plasmid DNA and PC Cl3 cells. The radioprotection by DMSO was in the same range for high- and low-LET emitter. Overall, the results indicate the contribution of mainly indirect radiation effects for each of the radionuclides regarding DNA damage and cell survival. In summary, our findings may contribute to fundamental knowledge about the α-particle induced DNA damage.

BACKGROUND: DNA damage occurs as a consequence of both direct and indirect effects of ionizing radiation. The severity of DNA damage depends on the physical characteristics of the radiation quality, e.g., the linear energy transfer (LET). There are still contrary findings regarding direct or indirect interactions of high-LET emitters with DNA. Our aim is to determine DNA damage and the effect on cellular survival induced by (223)Ra compared to (188)Re and (99m)Tc modulated by the radical scavenger dimethyl sulfoxide (DMSO). METHODS: Radioactive solutions of (223)Ra, (188)Re, or (99m)Tc were added to either plasmid DNA or to PC Cl3 cells in the absence or presence of DMSO. Following irradiation, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) in plasmid DNA were analyzed by gel electrophoresis. To determine the radiosensitivity of the rat thyroid cell line (PC Cl3), survival curves were performed using the colony formation assay. RESULTS: Exposure to 120 Gy of (223)Ra, (188)Re, or (99m)Tc leads to maximal yields of SSB (80 %) in plasmid DNA. Irradiation with 540 Gy (223)Ra and 500 Gy (188)Re or (99m)Tc induced 40, 28, and 64 % linear plasmid conformations, respectively. DMSO prevented the SSB and DSB in a similar way for all radionuclides. However, with the α-emitter (223)Ra, a low level of DSB could not be prevented by DMSO. Irradiation of PC Cl3 cells with (223)Ra, (188)Re, and (99m)Tc pre-incubated with DMSO revealed enhanced survival fractions (SF) in comparison to treatment without DMSO. Protection factors (PF) were calculated using the fitted survival curves. These factors are 1.23 ± 0.04, 1.20 ± 0.19, and 1.34 ± 0.05 for (223)Ra, (188)Re, and (99m)Tc, respectively. CONCLUSIONS: For (223)Ra, as well as for (188)Re and (99m)Tc, dose-dependent radiation effects were found applicable for plasmid DNA and PC Cl3 cells. The radioprotection by DMSO was in the same range for high- and low-LET emitter. Overall, the results indicate the contribution of mainly indirect radiation effects for each of the radionuclides regarding DNA damage and cell survival. In summary, our findings may contribute to fundamental knowledge about the α-particle induced DNA damage.