PowerPoint-Präsentation

Schadenserkennung

H2AX

? Chromatin

Signalweiterleitung

ATM

DNA-PK

p53

Mitoseassoziierter Zelltod

(Nekrose)

G2/M DNACheckpoints

Schadensprozessierung

S DNA-Reparatur G1/frühe S - NHEJ

späte S/G2 - HR

Schwesterchromatid

Apoptose

G1 Permanenter G1-Arrest Seneszenz

Lernziele Biologische Grundlagen der Strahlentherapie Zum Nachlesen

• • • • •

Strahleninduzierter Zelltod Dosis-Effekt-Beziehungen Fraktionierung Einflussfaktoren (5 R) Radiochemotherapie

Strahleninduzierter Zelltod • Apoptose

Abbildung

– (programmierter Zelltod)

• Nekrose – (ATP-Mangel)

Chromosomenaberrationen

• Reproduktiver Zelltod

Rez. Translokation

– (dizentrische Chromosomen Anaphase-Brücken)

• Seneszenz

Abbildung

– (permanenter Zellzyklusarrest)

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

Dosisfraktionierung

Prinzip

Normal vs. Tumor

• 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.

1. Tumorgrö ße Kleine Tumoren -

-große Tumoren

wenig Tumorzellen

viele Tumorzellen

emp findli che Zellen

resistente Zellen mangelnde Gefäßversorg ung, Hypoxie

NHEJ

HR

4. Hypoxische Fraktionen/ Reoxigenierung  Die Strahlenreaktion jeder Zelle hängt wes entlich vom Sauerstoffgehalt ab  Oxische Zellen sind empfindlicher als hypoxische  Sauerstoff kann nur 200 m diffundieren, so daß in Tumoren hypoxische Bereiche/ Zellen ents tehen.  Wird durch die Bestrahlung Tumormass e vernichtet, können die verbliebenen Zellen oxigeniert werden.

Defizienz

5. Beschleunigte Repopulierung

2. Reparatur  Zellen können Stra hlenschäden e ffizient reparieren, das Hauptziel des

Überlebende Tumorzellen teilen sich unter und nach der Strahlentherapie weiter, die Teilungs raten können besonders zum Therapieende drastisch zunehmen

Strahlenschadens ist die zelluläre DNS  unabdin gbar für Normalgewebe  trifft auch für Tumoren zu

DNA-Schäden

6. Individuelle Strahlenempfindlichkeit 3. Redistribution im Ze llzyklus

ZZ + ÜK

 Personen s ind unterschiedlich strahlenempfindlich  Gewebe s ind unterschiedlich strahlenempfindlich

Familiäre Syndrome

 die zelluläre Strahlensensitivität ist von der ze llzyklusphase abhängig: G1 und SPhase-Zellen sind relativ strahlenresistnt, G2- und M-Phase-Zellen sind strahlensensibel

Toleranzdos en für Normalgewebe

Übersicht

-Tumordosen

Tumor-ÜK

Apoptose

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

Bsp. für strahleninduzierte Chromosomenaberrationen Bestrahlte Chromosomen

Mitose-assoziierter oder reproduktiver Zelltod

Dizentrisches Chromosom

+

Bestrahltes Chromosom

Terminale Deletion

oder

Interstitielle Deletion

Bestrahlte Chromosomen

Vollständige rez. Translokation

Bestrahlte Chromosomen

Insertion

Unvollständige rez. Translokation

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

Tumorkontrolle [%]

100 80 60 40 20 0 0

20

40

Dosis [Gy]

60

80

100

Darstellung des Fraktionierungseffekts

Erholung vom subletalen Strahlenschaden

Vergleich des Fraktionierungseffekts bei unterschiedlichen Zelltypen

Früh reagierende Gewebe (Mausergewebe) und viele Tumoren

Aus: Klinische Strahlenbiologie, Fischer Verlag, Hrsg. Hermann, Baumann

Spät reagierende Gewebe (Bindegewebe)

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 Überlebensfraktion

1

Glioblastom HNO-Tumor 0.1

Bronchial-Ca. Mamma-Ca.

0.01

Glioblastom mit Reparaturdefizienz

0.001 0

1

2

3

4

Dosis [Gy]

5

6

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

Hereditäres Mammakarzinom

DNA-Doppelstrangbrüche

Werner Syndrom

DNA-Doppelstrangbrüche

WRN

Bloom Syndrom

DNA-Doppelstrangbrüche

BLM

HNPCC

DNA-Mismatches

FANC - A, B, C, D1, D2, E, F, G BRCA1 , BRCA2 (= FANCB und D1)

hMSH2, hMLH1, hPMS1, hPMS2

Nicht homologes Endjoining •Doppelstrangbruchreparatur

WRN

•Hauptsächlich in G1- und früher S-Phase • Reparatur meist fehlerhaft (Verlust von Basenpaaren durch zurechttrimmen der Bruchenden (Mikrodeletionen)

Nach: Jackson SP, Carcinogenesis, 2002

Homologe Rekombinationsreparatur •Doppelstrangbruchreparatur BLM

•Hauptsächlich in später Sund G2-Phase •Ermöglicht fehlerfreie Reparatur

Nach: Jackson SP, Carcinogenesis, 2002

DNA-Schäden / Reparatur

y az(ex) (DNA-PK -/-) y diz 1

2

y az(ex) (DNA-PK +/+) ydiz 3

4

5

Dosis [Gy]

1

M059K (DNA-PK +/+) 0.1

0.01

0.001

M059J (DNA-PK -/-) 0

1

2

3

4

Dosis [Gy]

5

6

DNA-PK-Mangel durch genetischen Defekt oder Hemmung führt zu •erhöhten Aberrationsausbeuten •reduziertem Überleben

Überlebensfraktionon

3 2.5 2 1.5 1 0.5 00

Überlebensfraktion

Aberrationsausbeute

Erhöhte Strahlensensitivität bei Reparaturinsuffizienz

1

0,1

50 0,01

0

1

2

3

0 5

20 4 5 Dose [Gy]

6

7

8

Radiochemotherapie Spatiale Kooperation 



Chemotherapie, systemisch zur Therapie von Metastasen Radiotherapie, lokal zur Therapie des (Primär)tumors

Radiosensibilisierung Radiotherapie und Chemotherapie sind unabhängig voneinander am Tumor wirksam (Additivität) Das Chemotherapeutikum vermindert die Strahlenwirkung am Tumor oder schützt das Normalgewebe (InfraÜK Additivität) Das Chemotherapeutikum verstärkt die Strahlenwirkung am Tumor, eine Radiosensibilisierung liegt dann vor, wenn das Chemotherapeutikum allein nicht wirksam ist. Übersicht

RT

CTX

R T CTX

Radiochemotherapie Voraussetzungen • Spatiale Kooperation: – Alleinige Wirksamkeit der Chemotherapie – Hohe Metastasierungstendenz des Tumors

Indikationen • Spatiale Kooperation – Lymphome, Leukämien Multiples Myelom – Mammakarzinom – Kindliche Tumore

– Vermeidung von Spätfolgen • Radiosensibilisierung – Additive oder synergistische Wirkung – Hohes Lokalrezidivrisiko – Schonung von Risikoorganen

• Radiosensibilisierung – Zervixkarzinom – Bronchialkarzinom – Oesophaguskarzinom – Kopf-Hals-Tumore – Rektum- und Analkarzinom

Radiochemotherapie - Therapeutische Breite

Tumorkontrolle [%]

100

80

60

40

20

0 0

20

40

Dosis [Gy]

60

80

100

Beispiel für Infra-Additivität Tamoxifengabe (5 10

M) 72 h vor der Bestrahlung

0

Überlebende MCF-7-Zellen

10 -1 + Tamoxifen

10 -2 10 -3

10

-4

Kontrolle 10

-5

0

2

4 Dosis [Gy]

6

8

10

Radiosensibilisierung: Molekulare Interaktionsmechanismen

Interaktionen auf zellulärer Ebene

Verursachen zusätzlicher DNA-Schäden

Platin

Veränderung strahleninduzierter DNA-Schäden

Veränderung der Schadensreparatur Inhibition der Schadensreparatur

TPT

Zytokinetische Kooperation

Übersicht

Synchronisation

ÜK Taxol

Übersicht

Apoptosepromotion Übersicht

Übersicht

ÜK

Übersicht NHEJ

Tumorspezifische Reaktionen

ÜK WMN

Reoxigenierung und Tumorverkleinerung

Übersicht

Inhibierung der Tumorproliferation Modell ÜK

Angiogenese-Inhibition Gewebespezifität Gentherapie

Übersicht

Übersicht

Cetuximap

Übersicht

Verursachen zusätzlicher DNA-Schäden • Beispiel: Platinhaltige Zytostatika

reparable Schäden: Excisionsreparatur, Mismatch Repair)

irreparabler Schaden:

zytostatikainduzierter-Schaden, (Platin-DNA-Addukt, Crosslink)

strahleninduzierter Schaden, (Einzelstrangbruch (SSB), Basenschaden, alkali-labile Stelle)

zwei unterschiediche Schäden in enger räumlicher Nähe

Veränderung strahleninduzierter DNA-Schäden • Beispiel: Topoisomerasehemmer

DNA-Schaden

Topoisomerase

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:

1.

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

2. 3. 4.

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

XRCC4

Reparatur Ku-Proteine

Ku-Proteine

DNA Ligase IV

Wortmannin erhöht die Strahlenempfimdlichkeit von Glioblastom-Zellen M059K

Überlebensfraktion

1

+5 M Wortmannin +20 M Wortmannin +50 M Wortmannin

0,1

0 50

20

5

0,01 0

1

2

3

4 Dose [Gy]

5

6

7

8

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 ZMK-1 Taxol + XRT 1

Überlebensfraktion

Taxol 3h a.RT, kein G2/M-Arrest

0,1 RT ohne Taxol Taxol 24h a.irr., 36% G2/M

Taxol 9h a.irr., kein G2/M-Arrest 0,01 0

1

2

3 4 Dosis [Gy]

5

Aus: Pradier et al., J. Cancer Res. Clin Oncol, 1999

6

7

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 (TyrosinKinase 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

Angiogenesehemmung Angiogenese ist für das Tumorwachstum unerlässlich

Modell für die tumorinduzierte Angiogenese

(Aus:Folkman J., J Clin Oncol, 1994)

Tumorzellen produzieren Wachstumsfaktoren (VEGF)

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 gewünschten Prozesse (Pro-Drug-Umbau, tumorspezifische Suizid-Gene) und damit eine höhere Spezifität/ Effektivität und geringere Nebenwirkungen. – experimentelle Daten sind erfolgversprechend, klinische Daten weniger ermutigend

Zum Nachlesen