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Geschäftsbereich Sicherheit und Strahlenschutz

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In vitro Studie über die Nutzbarkeit des Auger-Effektes zur Induzierung von cyto- und gentoxischen Wirkungen nach Photonenaktivierung von spezifisch gelabelten DNA-suchenden Molekülen

Industriekooperation

Gefördert durch: STEP Sensortechnik und Elektronik Pockau GmbH

Laufzeit: 2007 bis 2014

Verantwortlicher Projektleiter: Dr. R. Kriehuber



Ziele

Im Zentrum des Projektes steht die Fragestellung, inwieweit die Strahlenwirkung auf Zellen durch sogenannte „seeds“, d.h. kleine, reiskorngroße, verkapselte radioaktive Quellen, wie sie gewöhnlich in der Brachytherapie eingesetzt werden, signifikant erhöht und somit deren Einsatzspektrum in der Medizin erweitert werden kann. Die im Projekt verfolgte Idee ist hierbei, den so genannten Auger-Effekt zu nutzen.


Hintergrund

Radionuklide, die über Elektronen-Einfang zerfallen, emittieren einen Schauer niederenergetischer, und somit kurzreichweitiger Auger-Elektronen, welche Hoch-LET-ähnliche Zellschädigungen induzieren, sofern der Emitter dabei an oder im Erbmolekül DNA lokalisiert ist. Die primär an der DNA hervorgerufenen Schädigungen sind dabei weitaus toxischer, als dies vergleichsweise bei Niedrig-LET-Strahlung zu beobachten ist, so dass Auger-Elektronen als extrem biologisch wirksam gelten (Kriehuber & Simkó 2000, Kriehuber et al. 2004a und b). Die Emission von Auger-Elektronen kann auch in stabilen Atomen initiiert werden. Dazu werden Photonen geeigneter Energie eingestrahlt, die über den Photoeffekt eine innere Elektronenschale ionisieren. In diesem Projekt werden für die Markierung DNA-suchende und DNA-bindende Moleküle, sogenannte DNA-Triplex-bildende Oluigonukleotide verwendet. Als Indikator für die Strahlenwirkung werden vor allem das Absterben der Zellen (Zelltod) und die DNA-Schädigung („gentoxische“ Schädigung) betrachtet. Auswahl der DNA-bindenden Moleküle Kurze, einzelsträngige DNA-Moleküle bestimmter Sequenz sind in der Lage sich unter physiologischen Bedingungen über „reverse Hoogsteen“-Wasserstoffbrückenbindungen an die DNA-Doppelhelix dauerhaft anzulagern (Abb. 1). Diese stabilen Strukturen werden als „Triplex-DNA“ bezeichnet. Die kurzen DNA-Moleküle, auch „Triplex-forming oligonucleotides“ (TFOs) genannt, gelangen dabei in extreme räumliche Nähe zur „target“-DNA (Abb. 2). Untersuchungen zu TFOs im eigenen Labor haben bereits gezeigt (Kadenbach et al. 2004 und 2005) dass:

  • TFOs in vitro mit bestimmten Sequenzen der genomischen DNA stabile „Triplex-DNA“ bilden
  • TFOs leicht in Zellen eingebracht werden können
  • TFOs selbst keine cyto- oder gentoxische Wirkung besitzen
  • TFOs hinreichend lange Zeit (> 48h) stabil in Zellen vorliegen
  • TFOs bevorzugt nach erfolgten Zellteilungen im Zellkern (sie beherbergt die genomische DNA) nachzuweisen sind

Auf Grund dieser Eigenschaften sind TFOs als „DNA-suchende“ Moleküle sehr gut geeignet. Die Tatsache, dass TFOs vor allem nach erfolgter Zellteilung häufiger in Zellkernen nachweisbar sind, ist für den beabsichtigten Einsatz von besonderem Interesse, da gerade Tumorzellen durch ihre hohe Proliferationsfähigkeit charakterisiert sind. Dies könnte bedeuten, dass es in diesem Zusammenhang vor allem in Tumorzellen zur Ausbildung von „Triplex-DNA“ kommt und somit, nach erfolgter Photonenaktivierung, ausschließlich in diesen Zellen die cyto- und gentoxischen Wirkungen des Auger Effektes zu beobachten ist.

Quellen:

Dagle JM, Weeks DL. Oligonucleotide-based strategies to reduce gene expression. Differentiation 2001, 69: 75-82

Kadenbach K, Gniech B, Lee JS, Kriehuber R. Triplex-forming oligonucleotides as a tool to target specific DNA structures. Proceedings of the 8th Wolfsberg meeting on Molecular Radiation Biology/Oncology 2004, edited by M. Baumann, S. Bodis, E. Dikomey, HP Rodemann: 2004, p 94

Kadenbach K, Gniech B, Lee JS, Kriehuber R. Triplex-forming oligonucleotides as a tool to regulate gene expression. European J Cell Biol. 2005, 84, 55: 67-68

Kriehuber R and Simkó M. Apoptosis induction and micronucleus formation after exposure to the Auger-electron emitter Zinc-65 in a human cell line. Acta Oncologica 2000 39, 6: 699-706.

Kriehuber R, Riedling M, Simkó M, Weiss DG. Cytotoxicity, genotoxicity and intracellular distribution of the Auger electron emitter 65Zn in two human cell lines. Radiat Environ Biophys. 2004a 43(1):15-22.

Kriehuber R, Kadenbach K, Schultz F, Weiss DG. Study on cell survival, induction of apoptosis and micronucleus formation in SCL-II cells after exposure to the Auger electron emitter Tc-99m. Int J Radiat Biol. 2004b, 11-12, 80: 875-880.




Kontakt: Dr. Ralf Kriehuber

 


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