Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-6858
Authors: Schielke, Celine Katharina
Title: Effekte ionisierender Strahlung auf humane zerebrale Organoide
Online publication date: 19-Apr-2022
Language: german
Abstract: Das Ziel der vorliegenden Dissertation war die Untersuchung der molekularen Wirkmechanismen ionisierender Strahlung (ionizing radiation; IR) auf die Zellen des Zentralnervensystems (ZNS) in Bezug auf strahleninduzierte, neurologische Spätfolgen als Konsequenz von Radiodiagnostik und Strahlentherapien. Dazu wurde ein zerebrales Organoid-Modell (ZOs) nach Lancaster et al., 2017 etabliert, welches die Schlüsselmerkmale der humanen Hirnentwicklung widerspiegelt und somit die Analyse der Strahleneffekte von Röntgen- und Partikelstrahlung auf das ZNS-Gewebe ermöglicht. Hierfür wurden ZOs unterschiedlicher Reifegrade mit Röntgenstrahlung, Kohlenstoffionen und Protonenstrahlen im Dosisbereich von 0,5 - 15 Gy exponiert. Dabei diente die Bestrahlung unreifer ZOs an Tag (d) 20 der Kultivierung mit Dosen von 0,5 - 8 Gy als früher Bestrahlungszeitpunkt zur Modellierung der Strahleneffekte auf die Proliferation, Viabilität und Differenzierungsfähigkeit embryonaler, neuraler Stamm- und Vorläuferzellen. Die Bestrahlung reiferer ZOs an d80 der Kultivierung mit Dosen von 3 - 15 Gy hingegen ermöglichte eine Analyse der Strahleneffekte auf die fetale Neuro- und frühe Gliogenese. Zur Charakterisierung der Strahleneffekte wurden Analysen hinsichtlich der Morphologie, des strahleninduzierten Zelltods und der Expression neuraler Marker durchgeführt. Die Ergebnisse der Bestrahlungsversuche zeigten eine dosisabhängige Wachstumsinhibierung für alle Strahlenarten. Dabei korrelierte die Wachstumsinhibierung, neben der applizierten Dosis und dem Reifegrad der exponierten ZOs, mit der verwendeten Strahlenqualität. Dadurch wurde die höhere Effektivität von Partikelstrahlung und somit deren Eignung in der Tumortherapie verifiziert. Die Wachstumsverminderung ging zudem mit einer dosisabhängigen Erhöhung des Anteils apoptotischer Zellen nach Bestrahlung einher, wobei der Strahleneffekt auf unreife ZOs (d20) stärker war als auf reife ZOs (d80). Darüber hinaus wurde ein Dosiseffekt bzgl. der Häufigkeit der Ausbildung flüssigkeitsgefüllter, epithelialer Kavitäten etwa 2 - 3 Wochen nach Bestrahlung für alle Strahlenarten beobachtet, welche wiederum mit der verwendeten Dosis und dem Reifegrad der bestrahlten ZOs korrelierte. Eine Protonenbestrahlung von ZOs an d80 im Spread-Out Bragg Peak (SOBP), stellvertretend für die Exposition des Tumorgewebes, führte dabei zu einer häufigeren Kavitäten-Bildung als eine Bestrahlung in der Plateauphase, die als Maß für die Belastung des Normalgewebes diente. Dabei ging die Ausbildung der strahleninduzierten Kavitäten mit einem dosisabhängigen, erhöhten Anteil nekrotischer Zellen einher. Dies lässt vermuten, dass es sich dabei um sogenannte Radionekrosen, welche als in vivo beobachteter Langzeiteffekt der kraniospinalen Tumortherapie beschrieben wurden, handelt. Die morphologische Übereinstimmung sowie die nachgewiesene, epitheliale Barrierefunktion der flüssigkeitsgefüllten Kavitäten könnte jedoch auch auf eine strahleninduzierte Differenzierung in Choroid Plexus-Strukturen hindeuten, wie sie von Pellegrini et al., 2020 beschrieben wurden. Somit bieten ZOs zusätzlich die Möglichkeit den Zusammenhang zwischen der Ausbildung strahleninduzierter Radionekrosen und epithelialer Choroid Plexus-Strukturen in Bezug auf einen eventuellen Schutzmechanismus nach Strahlenschäden zu untersuchen. Darüber hinaus wurden mittels Gen- und Proteinexpressionsanalysen gezeigt, dass nach der Röntgenexposition unreifer ZOs an d20 insbesondere Marker für naive Zelltypen des ZNS dosisabhängig und signifikant niedriger exprimiert wurden, was folglich in einer gestörten Neurogenese resultierte. Marker für reife, neuronale und gliale Zellen des ZNS hingegen wurden nach der Bestrahlung an d80 tendenziell höher exprimiert, was einen Einfluss von IR auf bestimmte Differenzierungssignalwege, wie z. B. die WNT- und BMP-Signalwege, vermuten lässt. Die in vivo beobachteten Langzeiteffekte von Hirntumorpatienten können demnach auf die Schädigung besonders strahlensensitiver, neuraler Stamm- und Vorläuferzellen sowie von reifen, neuronalen Zellen und folglich auf eine veränderte Neuro- und Gliogenese sowie auf eine inhibierte Neuroregeneration zurückgeführt werden. Somit eignen sich ZOs zur Analyse potenzieller, neuraler Strahleneffekte und zur Abbildung und Untersuchung bisher unerklärter, in vivo beobachteter, strahleninduzierter Langzeitfolgen der Tumortherapie wie der Radionekrose. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführten Strahlenexperimente veranschaulichen zudem die Abhängigkeit der Schwere der auftretenden Strahleneffekte von dem Reifegrad der exponierten Zelltypen. Dies unterstreicht die hohe Strahlensensitivität pädiatrischer Patienten, deren Hirnentwicklung noch nicht vollends abgeschlossen ist, und somit das erhöhte Risiko zur Ausbildung neurologischer Langzeitfolgen. Diese Ergebnisse verdeutlichen noch einmal die Dringlichkeit der Entwicklung angepasster Strahlentherapien und adäquater Schutzmaßnahmen vor allem zur Bestrahlung pädiatrischer Hirntumorpatienten, zeigen jedoch auch das enorme, wissenschaftliche und therapeutische Potenzial von ZOs, als innovatives und realistisches in vitro Modell für das humane Gehirn, im Gebiet der Strahlenforschung auf.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-6858
URN: urn:nbn:de:hebis:77-openscience-2cc51bbd-5ce4-4441-9930-291b88c2dc369
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xii, 156 Seiten
Appears in collections:JGU-Publikationen

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