Wirkung ionisierender Strahlung auf verschiedene Lungengewebe epithelialen Ursprungs

In der vorliegenden Arbeit sollte die Auswirkung unterschiedlicher
Strahlendosen auf verschiedene Kultivierungsformen der
Bronchialschleimhaut und eine Lungenkarzinomzelllinie untersucht
werden. Untersuchungen zur Wirkung ionisierender Strahlen auf
normales Bronchialepithel sind eher selten, obwohl die Affektion
von tumorfreiem umgebendem Gewebe eine wichtige Rolle bezüglich der
Nebenwirkungen einer Radiotherapie spielt. Gerade im palliativen
Bereich, in dem die endoluminale Bestrahlung von Bronchus-Stenosen
einen wichtigen Faktor für die Verbesserung der Lebensqualität
darstellt, ist durch den engen Kontakt der Strahlenquelle zum
gesunden Bronchialepithel eine Strahlenauswirkung gegeben. Die
bisherige Datenlage legt eine relativ hohe Strahlentoleranz des
Bronchialepithels nahe. Ob sich diese Ergebnisse bestätigen lassen,
sollte anhand verschiedener Bronchial-Epithel-Kultivierungsformen
untersucht werden. Primäres Ziel der Untersuchung war die Frage, ob
die Art der Kultivierung einen Einfluss auf die Effektivität
ionisierender Strahlen hat und ob Tumorzellen eine andere Reaktion
zeigen. Die verwandten Modelle waren: - BEAS-2B Zelllinien -
Primärkulturen aus Patientenmaterial - dreidimensionale
Organkulturen - EPLC-32M1 Tumorzelllinien Als „handelsübliche“
Bronchialepithel-Zelllinie zur Monolayer-Kultivierung wurden die
BEAS-2B-Zellen verwendet, hier handelt es sich um immortalisierte,
humane bronchoepitheliale Zelllinie, die mit einem Adenovirus
12-SV40 Virus-Hybrid transfiziert war. Zwar sind viele
Eigenschaften der normalen Bronchialschleimhaut in diesem Modell
vorhanden, aber auch genetische Abweichungen wie Veränderungen des
Chromosomensatzes sind beschrieben. Mit zunehmender Passagezahl
können die Zellen auch eine kanzerogene Wirkung zeigen. Zum
direkten Vergleich wurden Primärkulturen aus Patientenmaterial
gewonnen, welche als Monolayer kultiviert wurden. Problematisch war
hier die schwierige Kultivierbarkeit. Die dreidimensionalen
Organkulturen stellen vom Aufbau her eine in vivo-nahe Kulturform
dar. Zentrum der Organkultur ist ein bindegewebiger Kern, welcher
von einem respiratorischen Epithel umgeben ist. Morphologisch ist
das kultivierte Epithel nicht von dem in vivo zu unterscheiden. Als
Tumormodell wurde eine EPLC-32M1 Zelllinie verwandt, die wie die
BEAS-2B Linie und die Primärkulturen als Monolayer wachsen. Hier
handelt es sich um eine squamöse Karzinom Zelllinie, deren
Ursprungsgewebe ein Plattenepithelkarzinom der Lunge war. Die
Ähnlichkeit zum Primärtumor ist nur noch gering ausgeprägt.
Bekannterweise gehört das Plattenepithelkarzinom der Lunge zu den
nicht-kleinzelligen Bronchialkarzinomen, welche im Vergleich zu
Kleinzellern nur eine geringe Strahlensensitivität aufweisen. Als
Parameter für die Zellschädigung wurde die Lactatdehydrogenase
verwandt, ein zytoplasmatisches Enzym, welches bei
Zellmembranläsionen freigesetzt wird. Mit der LDH steht ein
klinisch häufig eingesetzter, etablierter Parameter zu Detektion
von Zellschäden zur Verfügung. Hier konnte eine Bestimmung im
Kulturmedium erfolgen, wodurch Verlaufsbeobachtungen ohne
Beeinflussung der Kulturen möglich waren. Ferner wurde die
Zellzahlen nach Bestrahlung ermittelt, um eine Aussage über das
Zellüberleben machen zu können. Zusammenfassung der Ergebnisse: -
Die Organkulturen und Primärkulturen zeigten nach einer Latenz von
48 Stunden nach der Bestrahlung eine gesteigerte LDH-Aktivität, die
hier gleichzeitig ihr Maximum erreichte. - Bei der BEAS-2B Linie
kam es innerhalb der ersten 24 Stunden zu einem deutlichen
LDH-Anstieg. - Tumorzellen zeigten ein gänzlich anderes
Verlaufsmuster bezüglich der LDH. Hier kam es nach 3 Tagen zu einem
kontinuierlichen Anstieg. - Die Zellzahlen im Organkulturmodell
wiesen 4 Tage nach Bestrahlung keine signifikanten Unterschiede
zwischen den einzelnen Versuchsgruppen auf. - Bei den
Primärkulturen und den BEAS-2B Zellen fand sich in den bestrahlten
Gruppen eine signifikant, nicht dosisabhängig erniedrigte Zellzahl.
- Im Tumorzell-Modell war dosisabhängig eine Zellzahlminderung in
den bestrahlten Gruppen zu beobachten. Schlussfolgerungen: Sowohl
vom LDH-Verhalten, als auch von den Ergebnissen der
Zellzahlbestimmung zeigten sich die dreidimensionalen Organkulturen
wenig anfällig für die Wirkung ionisierender Strahlen. Nachdem
dieses Modell die in vivo-Situation gut wiederspiegelt,
unterstützen die Ergebnisse die Daten, welche eine hohe
Strahlentoleranz von Bronchialepithel nahe legen. Von den übrigen
Kultivierungsformen scheinen die aus Patientenmaterial gewonnenen
Primärkulturen die höchste Strahlenresistenz aufzuweisen,
wahrscheinlich sind hierfür Zelleigenschaften verantwortlich, die
in den gentechnisch veränderten Zelllinien nicht mehr in der Art
und Weise ausgeprägt sind wie in vivo. So nehmen viele
intrazelluläre Faktoren wie Zytokine, Wachstumsfaktoren,
Proteinkinasen oder auch Onkogene Einfluss auf die
Strahlensensibilität einer Zelle. Entscheidend scheint besonders
der p53- Status zu sein. Am strahlensensitivsten zeigten sich die
BEAS-2B und die EPLC-32M1 Linien. Das hängt womöglich mit der
Veränderung des genetischen Materials durch die
Immortalisationsprozesse und die im Vergleich höhere
Proliferationsrate zusammen. Möglich ist auch eine erhöhte
Strahlensensibilität aufgrund des im Vergleich zu den Organkulturen
schwächer ausgeprägten Zell-Zell-Kontaktes, der fehlenden
dreidimensionalen Struktur und dem geringeren Anteil
differenzierter Zellen. Nicht außer Acht lassen darf man
individuelle Einflüsse, welche womöglich in den von
Patientenmaterial stammenden Kulturen eine Rolle spielen.
Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass der dreidimensionale
Aufbau und die hierarchische Struktur des Bronchialepithels
maßgeblich die Strahlensensibilität beeinflussen. Monolayer sind
zur Untersuchung von Strahlenfolgen in vivo nur sehr bedingt
geeignet. Ausblick auf zukünftige Fragestellungen: Nachdem in der
vorliegenden Arbeit nur eine Tumorzelllinie untersucht wurde, wäre
es von Interesse, die Auswirkung ionisierender Strahlung auf
verschiedene Lungenkarzinom- Zelllinien zu vergleichen, welche in
vivo deutliche Unterschiede in der Strahlenempfindlichkeit
aufweisen. Anbieten würde sich hier der Vergleich mit
strahlensensiblen kleinzelligen Bronchialkarzinom. Möglicherweise
kann auch hier eine dreidimensionale Kultivierung von Tumorzellen
aus Patientenmaterial etabliert werden, um einen größeren
Zell-Zell-Kontakt im Tumor-Modell zu ermöglichen. Auch wäre hier
durch die fehlenden gentechnischen Veränderungen eine bessere
Vergleichbarkeit mit der in vivo- Situation möglich. Auch die
Untersuchung von Ko-Kulturen aus normaler Bronchialschleimhaut und
verschiedenen Bronchialkarzinomzelllinien bietet die Möglichkeit,
Auswirkungen von Interaktionen zwischen Normalgewebe und
Tumorgewebe nach Einwirkung ionisierender Strahlen näher zu
eruieren. Dieses Modell käme der Situation beim Patienten am
nächsten. Interessant wäre in diesen Modellen auch die Überprüfung
weiterer Zelltod-Parameter. So könnten hier verschiedene
Apoptosemarker wie zum Beispiel die Nukleosomen im Überstand
verschiedener Ko-Kulturmodelle bestimmt werden, um eine bessere
Aussage über das Ausmaß der Zellschädigung zu erhalten. Im Kontext
mit der Untersuchung von Nukleosomen scheint auch die Bestimmung
von Calcium eine sinnvolle Ergänzung darzustellen. Hier bieten sich
verschiedene Möglichkeiten an, das Verhalten von Zellkulturen nach
Bestrahlung, gerade hinsichtlich einer möglichen Resistenzbildung
zu untersuchen.