SchadenserkennungSchadenserkennung

SignalweiterleitungSignalweiterleitung

SchadensprozessierungSchadensprozessierung

H2AX ? Chromatin

ATM DNA-PK

DNA-Reparatur

(Nekrose)

Apoptose

Mitose-assoziierter

Zelltod

Permanenter G1-ArrestSeneszenz

DNA-Checkpoints

G1S

p53

G1/frühe S - NHEJ

Schwesterchromatid

späte S/G2 - HR

G2/M

Lernziele

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

Biologische Grundlagen der StrahlentherapieZum Nachlesen

Strahleninduzierter Zelltod

• Apoptose – (programmierter Zelltod)

• Nekrose – (ATP-Mangel)

• Reproduktiver Zelltod – (dizentrische Chromosomen Anaphase-Brücken)

• Seneszenz– (permanenter Zellzyklusarrest)

Rez. Translokation

Chromosomen-aberrationen

Abbildung

Abbildung

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

Dosisfraktionierung

• Aufteilung der Gesamtdosis in viele Einzeldosen– Bsp. 60 Gy werden in 30 Fraktionen à 2 Gy appliziert

! Grund: Toleranz des Normalgewebes

PrinzipNormal vs. Tumor

Übersicht

Faktoren die die Abtötung von Tumorzellen / den klinischen Verlauf beeinflussen

1. Tumorgröße

Kleine Tumoren - -große Tumoren

wenig Tumorzellen viele Tumorzellen

empfindliche Zellen resistente Zellen

mangelnde Gefäßversorgung, Hypoxie

2. Reparatur

Zellen können Strahlenschäden effizient reparieren, das Hauptziel des

Strahlenschadens ist die zelluläre DNS

unabdingbar für Normalgewebe

trifft auch für Tumoren zu

3. Redistribution im Zellzyklus

die zelluläre Strahlensensitivität ist von der zellzyklusphase abhängig: G1 und S-

Phase-Zellen sind relativ strahlenresistnt, G2- und M-Phase-Zellen sind

strahlensensibel

4. Hypoxische Fraktionen/Reoxigenierung

Die Strahlenreaktion jeder Zelle hängt wesentlich vom Sauerstoffgehalt ab

Oxische Zellen sind empfindlicher als hypoxische

Sauerstoff kann nur 200 m diffundieren, so daß in Tumoren hypoxische Bereiche/

Zellen entstehen.

Wird durch die Bestrahlung Tumormasse vernichtet, können die verbliebenen Zellen

oxigeniert werden.

5. Beschleunigte Repopulierung

Überlebende Tumorzellen teilen sich unter und nach der Strahlentherapie weiter, die

Teilungsraten können besonders zum Therapieende drastisch zunehmen

6. Individuelle Strahlenempfindlichkeit

Personen sind unterschiedlich strahlenempfindlich

Gewebe sind unterschiedlich strahlenempfindlich

Toleranzdosen für - -TumordosenNormalgewebe

DNA-Schäden

HRNHEJ

ZZ + ÜK

O2-Diff.

Übersicht

Familiäre Syndrome

Tumor-ÜK

Defizienz

Apoptose

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

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

Reziproke Translokation bei Chromosom #1

Zellalterung / Seneszenz

Bei normalen Zellen durch Verkürzung der TelomereBei Tumorzellen über den p53 / p21 / p16 pathway

Von Prof. H.-P. Rodemann, Universität Tübingen

Dosis-Effekt-Beziehung bei Tumorbestrahlung

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Dosis [Gy]

Tum

orko

ntro

lle

[%]

Darstellung des Fraktionierungseffekts

Erholung vom subletalenStrahlenschaden

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

0 1 2 3 4 5 6

Übe

rleb

ensf

rakt

ion

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

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

Homologe Rekombinationsreparatur

BLM

•Doppelstrangbruch- reparatur

•Hauptsächlich in später S- und G2-Phase

•Ermöglicht fehlerfreie Reparatur

Nach: Jackson SP, Carcinogenesis, 2002

DNA-Schäden / Reparatur

Erhöhte Strahlensensitivität bei Reparaturinsuffizienz

0.001

0.01

0.1

1

0 1 2 3 4 5 6

Übe

rleb

ensf

rakt

ion

Dosis [Gy]

M059K (DNA-PK +/+)

M059J (DNA-PK -/-)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 1 2 3 4 5

Dosis [Gy]

y az(ex)

y diz yaz(ex)ydiz

(DNA-PK -/-)

(DNA-PK +/+)

Abe

rrat

ions

ausb

eute

0,01

0,1

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Übe

rleb

ensf

rakt

iono

n

Dose [Gy]

052050

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

Radiochemotherapie

Chemotherapie, systemisch zur Therapie von Metastasen

Radiotherapie, lokal zur Therapie des (Primär)tumors

RT

CTX

Spatiale Kooperation RadiosensibilisierungRadiotherapie 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

RT

ÜK

Übersicht

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

Radiochemotherapie - Therapeutische Breite

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Dosis [Gy]

Tum

orko

ntro

lle

[%]

Beispiel für Infra-Additivität

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

0 2 4 6 8 10

Tamoxifengabe (5M) 72 h vor der Bestrahlung

Üb

erl

eb

en

de

MC

F-7

-Ze

llen

Dosis [Gy]

Kontrolle

+ Tamoxifen

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

ÜbersichtNHEJ

ÜKÜbersicht

TPT

Platin

ÜK WMN

Modell

ÜK Taxol

Übersicht

Übersicht

Übersicht

Übersicht

ÜbersichtÜK

Cetuximap

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

Topoisomerasen verändern durch Einschnitte in die DNA die Doppelhelix-Topologie und ermöglichen so die Replikation, Transskription und Reparatur.

Topoiso-merase Hemmer

DNA-Schaden

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

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.

NHEJ wird in G1-Zellen bevorzugt

Ku-Proteine Ku-Proteine

XRCC4

DNALigase IV

DNA-PKcs

Ionisierende Strahlung

DNA-DSB

Reparatur

Wortmannin erhöht die Strahlenempfimdlichkeit von Glioblastom-Zellen

0,01

0,1

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

M059K

+5 M Wortmannin

+20 M Wortmannin

+50 M Wortmannin

Üb

erle

ben

sfra

kti

on

Dose [Gy]

0

52050

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

0,01

0,1

1

0 1 2 3 4 5 6 7

ZMK-1 Taxol + XRT

Dosis [Gy]

Übe

rlebe

nsfr

aktio

n

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

RT ohne TaxolTaxol 24h a.irr., 36% G2/M

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

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

• 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

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

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

(Aus: Mauceri et al. 1998 Nature)

Tumorwachstumsinhibition

Angiostatin+ RT

RT allein

Angiostatin allein

keine Behandlung

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

Zum Nachlesen