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Schadenserkennung Signalweiterleitung Schadensprozessierung H2AX ? Chromatin ATM DNA-PK DNA-Reparatur (Nekrose) Apoptose Mitose- assoziierter Zelltod Permanenter.

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Präsentation zum Thema: "Schadenserkennung Signalweiterleitung Schadensprozessierung H2AX ? Chromatin ATM DNA-PK DNA-Reparatur (Nekrose) Apoptose Mitose- assoziierter Zelltod Permanenter."—  Präsentation transkript:

1 Schadenserkennung Signalweiterleitung Schadensprozessierung H2AX ? Chromatin ATM DNA-PK DNA-Reparatur (Nekrose) Apoptose Mitose- assoziierter Zelltod Permanenter G1-Arrest Seneszenz DNA- Checkpoints G1S p53 G1/frühe S - NHEJ Schwesterchromatid späte S/G2 - HR G2/M

2 Lernziele Strahleninduzierter ZelltodStrahleninduzierter Zelltod Dosis-Effekt-Beziehungen Fraktionierung Einflussfaktoren (5 R)Einflussfaktoren (5 R) Radiochemotherapie Biologische Grundlagen der Strahlentherapie Zum Nachlesen

3 Strahleninduzierter Zelltod Apoptose –(programmierter Zelltod) Nekrose –(ATP-Mangel) Reproduktiver Zelltod –(dizentrische Chromosomen Anaphase-Brücken) Seneszenz –(permanenter Zellzyklusarrest) Rez. Translokation Chromosomen- aberrationen Abbildung

4 Dosis-Effekt-Beziehungen Bestrahlen von Zellen mit unterschiedlichen Einzeldosen Bebrüten bis zur Koloniebildung (ca. 6 Zellteilungen) Auszählen der gebildeten Kolonien Erstellen von Strahlen-Dosis-Effekt-Kurven (Überlebenskurven) in vitro In vivo

5 Dosisfraktionierung Aufteilung der Gesamtdosis in viele Einzeldosen –Bsp. 60 Gy werden in 30 Fraktionen à 2 Gy appliziert ! Grund: Toleranz des Normalgewebes Prinzip Normal vs. Tumor Übersicht

6 Faktoren die die Abtötung von Tumorzellen / den klinischen Verlauf beeinflussen DNA-Schäden HRNHEJ ZZ + ÜK O2-Diff. Übersicht Familiäre Syndrome Tumor-ÜK Defizienz

7 Apoptose Aus: Eine Zelle begeht Selbstmord, Dr. Klaus Belka, DEGRO 2002

8 Bsp. für strahleninduzierte Chromosomenaberrationen oder + Bestrahlte Chromosomen Dizentrisches Chromosom Bestrahltes Chromosom Terminale Deletion Interstitielle Deletion Unvollständige rez. Translokation Bestrahlte Chromosomen Vollständige rez. Translokation Bestrahlte Chromosomen Insertion Mitose-assoziierter oder reproduktiver Zelltod

9 Reziproke Translokation bei Chromosom #1

10 Zellalterung / Seneszenz Bei normalen Zellen durch Verkürzung der Telomere Bei Tumorzellen über den p53 / p21 / p16 pathway Von Prof. H.-P. Rodemann, Universität Tübingen

11 Dosis-Effekt-Beziehung bei Tumorbestrahlung Dosis [Gy] Tumorkontrolle [%]

12 Darstellung des Fraktionierungseffekts Erholung vom subletalen Strahlenschaden

13 Vergleich des Fraktionierungseffekts bei unterschiedlichen Zelltypen Früh reagierende Gewebe (Mausergewebe) und viele Tumoren Spät reagierende Gewebe (Bindegewebe) Aus: Klinische Strahlenbiologie, Fischer Verlag, Hrsg. Hermann, Baumann

14 Gewebetoleranz

15 Sauerstoffdiffusion

16 Zellzykluseffekte Die zelluläre Strahlenempfindlichkeit ändert sich im Verlauf des Zellzyklus. Die höchste Strahlenempfindlichkeit zeigen Zellen in der G2/M-Phase. Weniger strahlenempfindlich sind Zellen in der G0/G1- und S-Phase Aus: Basic Clinical Biology, etd. By G.G. Steel

17 Intrinsische Strahlensensitivität von Tumoren Überlebensfraktion Dosis [Gy] Mamma-Ca. HNO-Tumor Bronchial-Ca. Glioblastom Glioblastom mit Reparaturdefizienz

18 Familiäre Krebssyndrome mit Mutationen in DNA-Reparaturgenen (Beispiele) Erkrankung defiziente Reparatur Mutierte Gene (betroffeneDNA-Läsionen) Ataxia teleangiectasia DNA-Doppelstrangbrüche ATM Nijmegen Breakage Syndrom DNA-Doppelstrangbrüche NBS1 Fanconi Anämie DNA-Crosslinks u. DSB FANC - A, B, C, D1, D2, E, F, G Hereditäres Mammakarzinom DNA-Doppelstrangbrüche BRCA1, BRCA2 (= FANCB und D1) Werner Syndrom DNA-Doppelstrangbrüche WRN Bloom Syndrom DNA-Doppelstrangbrüche BLM HNPCC DNA-Mismatches hMSH2, hMLH1, hPMS1, hPMS2

19 Nicht homologes Endjoining WRN Doppelstrangbruch- reparatur Hauptsächlich in G1- und früher S-Phase Reparatur meist fehlerhaft (Verlust von Basenpaaren durch zurechttrimmen der Bruchenden (Mikrodeletionen) Nach: Jackson SP, Carcinogenesis, 2002

20 Homologe Rekombinationsreparatur BLM Doppelstrangbruch- reparatur Hauptsächlich in später S- und G2-Phase Ermöglicht fehlerfreie Reparatur Nach: Jackson SP, Carcinogenesis, 2002

21 DNA-Schäden / Reparatur

22 Erhöhte Strahlensensitivität bei Reparaturinsuffizienz Überlebensfraktion Dosis [Gy] M059K (DNA-PK +/+) M059J (DNA-PK -/-) Dosis [Gy] y az(ex) y diz y az(ex) y diz (DNA-PK -/-) (DNA-PK +/+) Aberrationsausbeute 0,01 0, Überlebensfraktionon Dose [Gy] DNA-PK-Mangel durch genetischen Defekt oder Hemmung führt zu erhöhten Aberrationsausbeuten reduziertem Überleben

23 Radiochemotherapie Chemotherapie, systemisch zur Therapie von Metastasen Radiotherapie, lokal zur Therapie des (Primär)tumors RT CTX Spatiale KooperationRadiosensibilisierung Radiotherapie und Chemotherapie sind unabhängig voneinander am Tumor wirksam (Additivität) Das Chemotherapeutikum vermindert die Strahlen- wirkung am Tumor oder schützt das Normalgewebe (Infra- Additivität) Das Chemotherapeutikum verstärkt die Strahlenwirkung am Tumor, eine Radiosensibilisierung liegt dann vor, wenn das Chemotherapeutikum allein nicht wirksam ist. CTX RTRT ÜK Übersicht

24 Radiochemotherapie - Spatiale Kooperation: –Alleinige Wirksamkeit der Chemotherapie –Hohe Metastasierungstendenz des Tumors –Vermeidung von Spätfolgen Radiosensibilisierung –Additive oder synergistische Wirkung –Hohes Lokalrezidivrisiko –Schonung von Risikoorganen Spatiale Kooperation –Lymphome, Leukämien Multiples Myelom –Mammakarzinom –Kindliche Tumore Radiosensibilisierung –Zervixkarzinom –Bronchialkarzinom –Oesophaguskarzinom –Kopf-Hals-Tumore –Rektum- und Analkarzinom Voraussetzungen Indikationen

25 Radiochemotherapie - Therapeutische Breite Dosis [Gy] Tumorkontrolle [%]

26 Beispiel für Infra-Additivität

27 Radiosensibilisierung: Molekulare Interaktionsmechanismen Verursachen zusätzlicher DNA-Schäden Veränderung strahleninduzierter DNA-Schäden Veränderung der Schadensreparatur Inhibition der Schadensreparatur Interaktionen auf zellulärer Ebene Zytokinetische Kooperation Synchronisation Apoptosepromotion Tumorspezifische Reaktionen Reoxigenierung und Tumorverkleinerung Inhibierung der Tumorproliferation Angiogenese-Inhibition Gewebespezifität Gentherapie Übersicht NHEJ ÜK Übersicht TPT Platin ÜK WMN Modell ÜK Taxol Übersicht ÜK Cetuximap Übersicht

28 Verursachen zusätzlicher DNA-Schäden Beispiel:Platinhaltige Zytostatika zytostatikainduzierter-Schaden, (Platin-DNA-Addukt, Crosslink) strahleninduzierter Schaden, (Einzelstrangbruch (SSB), Basenschaden, alkali-labile Stelle) reparable Schäden: Excisionsreparatur, Mismatch Repair) irreparabler Schaden: zwei unterschiediche Schäden in enger räumlicher Nähe

29 Veränderung strahleninduzierter DNA-Schäden Beispiel: Topoisomerasehemmer Topoisomerasen verändern durch Einschnitte in die DNA die Doppelhelix-Topologie und ermöglichen so die Replikation, Transskription und Reparatur. Topoiso- merase Hemmer DNA-Schaden

30 Veränderung der DNA-Schadensreparatur DNA-Reparatur und -Synthese nutzen z. Teil gleiche Enzymkomplexe und Stoffwechselwege: Einsatz von DNA-Synthese-Inhibitoren in Kombination mit RT. Häufig benutzte Nukleosid-Analoga sind: 1.5-FU inhibiert die Thymidylatsynthase, wird als Fluordesoxyuridin in die DNA und RNA eingebaut, beeinflußt den Zellzyklus 2.Gemcitabin wird als Pyrimidin-Analog in die DNA und RNA eingebaut (!!! Klinisch hohe Toxizität) 3.Fludarabin wir als Purin-Analog in die DNA und RNA eingebaut (wenig klinische Erfahrungen) 4. BrdUrd und IDUrd, die an Stelle von Deoxythymidin in die DNA eingebaut werden, sind wegen ihrer allgemeinen Toxizität nicht für den klinischen Einsatz geeignet

31 Fludarabin + RT in-vitro

32 Inhibition der Schadensreparatur Viele DNA-Reparatur-Proteine sind identifiziert. Der wahrscheinlich wichtigste Komplex, die DNA-PK, wird durch Wortmannin (PI3-Kinase-Inhibitor) gehemmt. Problem ist die in vivo Toxizität. NHEJ wird in G1-Zellen bevorzugt Ku-Proteine XRCC4 DNA Ligase IV DNA-PKcs Ionisierende Strahlung DNA-DSB Reparatur

33 Wortmannin erhöht die Strahlenempfimdlichkeit von Glioblastom-Zellen 0,01 0, M059K +5 M Wortmannin +20 M Wortmannin +50 M Wortmannin Überlebensfraktion Dose [Gy]

34 Zytokinetische Kooperation Die zelluläre Strahlenempfindlichkeit ändert sich im Verlauf des Zellzyklus. Werden Zytostatika mit hoher S-Phasen-Spezifität und RT zeitnah kombiniert, kommt es zu einer verstärkten (Strahlen)reaktion. Beispiel sind Topoisomerase-I-Hemmer, aber wahrscheinlich auch die Nukleosid-Analoga. Die Wirkungsverstärkung beruht in solchen Fällen auf der zytokinetischen Kooperation und ist keine Strahlensensibilisierung, da G1- oder G2-Zellen nicht betroffen sind, werden diese sensibilisiert ist eine Wechselwirkung mit Reparaturprozessen anzunehmen.

35 Synchronisation Die zelluläre Strahlenempfindlichkeit ändert sich im Verlauf des Zellzyklus. Die höchste Strahlenempfindlichkeit zeigen Zellen in der G2/M-Phase. Bestrahlung in G2/M nach erfolgreicher Synchronisation ließe eine maximale Strahlenreaktion erwarten. Trotz vieler Ansätze gibt es keine klinische Evidenz für diese Theorie. Aktuellstes Beispiel sind die Taxane, wo sich diese Theorie nicht bestätigen ließ.

36 Beispiel für die Kombination von RT und Taxol Aus: Pradier et al., J. Cancer Res. Clin Oncol, 1999

37 Apoptose-Promotion Bestimmte Zelltypen oder Gewebe reagieren auf Noxen wie RT, oxidativen Stress, Hypoxie, Zytokinaddition oder-depletion und auf Kombinationen dieser Noxen mit vermehrter Apoptose. Die wichtigsten sind: Lymphozyten, Thymozyten, Prostata, Speicheldrüsen, Endothelzellen oder Dünndarmkrypten. Die weit überwiegende Mehrzahl der soliden Tumoren reagiert aber mit dem Mitose-assoziierten (reproduktiven) Zelltod. Apoptose-Promotion als allgemeingültiger Mechanismus einer verstärkten Strahlenreaktion ist rein spekulativ.

38 Reoxigenierung und Tumorverkleinerung Bestimmte Zytostatika (Mitomycin-C, Tirapazamin) eliminieren spezifisch hypoxische Zellen Reduktion des Tumorvolumens durch eine Modalität verbessert den Oxigenierungsstatus und steigert de Strahlensensitivität bzw. die Chemosensitivität permanente Hypoxie Reoxigenierung möglich Sauerstoffgehalt der Tumoren z. Bsp. Taxane Aus: Milas et al., Acta Oncol., 1995

39 Inhibierung der Tumorproliferation Tumorproliferation während RT (Repopulierung) kann Therapieversagen verursachen Aktueller Ansatz: –Viele Karzinome (über)exprimieren Rezeptoren der EGF- (epidermal growth factor) Familie –Einsatz von AK gegen den Rezeptor (Cetuximap) oder Unterbrechung der Signaltransduktionskette (Tyrosin- Kinase Hemung) –Präklinische Studien zeigten eine Verstärkung der Strahlenwirkung –erste Phase I/II Studien wurden erfolgreich durchgeführt

40 Beispiel für die Kombination von RT und C225 (AK gegen den EGF-Rezeptor Cetuximap) HNSCC, Xenograft Aus: Harari et al. IJROBP, 2001

41 Modell für die tumorinduzierte Angiogenese Angiogenesehemmung Angiogenese ist für das Tumorwachstum unerlässlich Tumorzellen produzieren Wachstumsfaktoren (VEGF) (Aus:Folkman J., J Clin Oncol, 1994)

42 Angiogenesehemmung Hemmung kann zur Tumorreduktion führen Präklinisch verursachten allein nicht wirksame Dosen eine Strahlensensibilisierung Klinische Daten mit verschiedenen Angiogenesehemmern nicht eindeutig (Aus: Mauceri et al Nature) Tumorwachstumsinhibition Angiostatin+ RT RT allein Angiostatin allein keine Behandlung

43 Gewebespezifität Manche Verbindungen sind nur in bestimmten Geweben wirksam Bsp. Estramustin (ein Östradiolabkömmling) ist hochspezifisch für Prostatagewebe Präklinisch wurde eine Verstärkung der Strahlenwirkung gezeigt Phase II Studien waren erfolgreich

44 Gentherapie Entwicklung von Ansätzen zur Kombination der Gentherapie mit ionisierender Strahlung. –Strahleninduzierbare Promotoren erlauben eine räumlich genau definierte Aktivierung der gewünsch- ten Prozesse (Pro-Drug-Umbau, tumorspezifische Suizid-Gene) und damit eine höhere Spezifität/ Effektivität und geringere Nebenwirkungen. –experimentelle Daten sind erfolgversprechend, klinische Daten weniger ermutigend

45 Zum Nachlesen


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