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

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

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

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

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

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

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

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

Reziproke Translokation bei Chromosom #1

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

Dosis-Effekt-Beziehung bei Tumorbestrahlung 20 40 60 80 100 Dosis [Gy] Tumorkontrolle [%]

Darstellung des Fraktionierungseffekts Erholung vom subletalen Strahlenschaden

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

Gewebetoleranz

Sauerstoffdiffusion

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

Intrinsische Strahlensensitivität von Tumoren 0.001 0.01 0.1 1 2 3 4 5 6 Überlebensfraktion Dosis [Gy] Mamma-Ca. HNO-Tumor Bronchial-Ca. Glioblastom Glioblastom mit Reparaturdefizienz

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

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

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

DNA-Schäden / Reparatur

Erhöhte Strahlensensitivität bei Reparaturinsuffizienz DNA-PK-Mangel durch genetischen Defekt oder Hemmung führt zu erhöhten Aberrationsausbeuten reduziertem Überleben 0.5 1 1.5 2 2.5 3 4 5 Dosis [Gy] y az(ex) diz (DNA-PK -/-) (DNA-PK +/+) Aberrationsausbeute 0,01 0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 Überlebensfraktionon Dose [Gy] 20 50 0.001 0.01 0.1 1 2 3 4 5 6 Überlebensfraktion Dosis [Gy] M059K (DNA-PK +/+) M059J (DNA-PK -/-)

Radiochemotherapie RT RT CTX CTX Spatiale Kooperation Radiosensibilisierung Chemotherapie, systemisch zur Therapie von Metastasen Radiotherapie, lokal zur Therapie des (Primär)tumors 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. ÜK Übersicht RT CTX CTX RT

Radiochemotherapie - Voraussetzungen Indikationen 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

Radiochemotherapie - Therapeutische Breite 20 40 60 80 100 Tumorkontrolle [%] Dosis [Gy]

Beispiel für Infra-Additivität

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 Platin Übersicht Übersicht ÜK Taxol TPT Übersicht Übersicht ÜK Übersicht NHEJ Tumorspezifische Reaktionen Reoxigenierung und Tumorverkleinerung Inhibierung der Tumorproliferation Angiogenese-Inhibition Gewebespezifität Gentherapie Übersicht ÜK WMN Übersicht Modell Cetuximap ÜK Übersicht Übersicht

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

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

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: 5-FU inhibiert die Thymidylatsynthase, wird als Fluordesoxyuridin in die DNA und RNA eingebaut, beeinflußt den Zellzyklus Gemcitabin wird als Pyrimidin-Analog in die DNA und RNA eingebaut (!!! Klinisch hohe Toxizität) Fludarabin wir als Purin-Analog in die DNA und RNA eingebaut (wenig klinische Erfahrungen) BrdUrd und IDUrd, die an Stelle von Deoxythymidin in die DNA eingebaut werden, sind wegen ihrer allgemeinen Toxizität nicht für den klinischen Einsatz geeignet

Fludarabin + RT in-vitro

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. Ionisierende Strahlung NHEJ wird in G1-Zellen bevorzugt DNA-DSB Ku-Proteine XRCC4 DNA Ligase IV DNA-PKcs Reparatur

Wortmannin erhöht die Strahlenempfimdlichkeit von Glioblastom-Zellen 0,01 0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 M059K +5 m M Wortmannin +20 +50 Überlebensfraktion Dose [Gy] 20 50

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.

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.

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

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.

Reoxigenierung und Tumorverkleinerung z. Bsp. Taxane 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 Sauerstoffgehalt der Tumoren permanente Hypoxie Reoxigenierung möglich Aus: Milas et al., Acta Oncol., 1995

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

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

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

Angiogenesehemmung Hemmung kann zur Tumorreduktion führen Präklinisch verursachten allein nicht wirksame Dosen eine Strahlensensibilisierung Klinische Daten mit verschiedenen Angiogenesehemmern nicht eindeutig Tumorwachstumsinhibition Angiostatin+ RT RT allein Angiostatin allein keine Behandlung (Aus: Mauceri et al. 1998 Nature)

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

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

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