Die Strahlenempfindlichkeit für verzögerten Reproduktivtod (DRD) nach Einzel- oder Splitdosisbestrahlung

Hintergrund:

Die Wachstumskinetik von Tumoren nach Bestrahlung wird von überlebenden Zellen mit verzögertem Reproduktivtod (DRD) bestimmt. Die Möglichkeit einer Vorhersage der Strahlenempfindlichkeit des lokal rekurrenten Tumorwachstums ist unter anderem von der Kenntnis des Fraktionierungseinflusses auf die überlebenden Zellen mit DRD abhängig. Kurzfristige Erholungseffekte lassen sich durch den Vergleich der medianen Differenz von Klongrößenverteilungen (MCD) nach Einmal- oder Splitdosisbestrahlungen der Progenitorzellen in vitro erfassen.

Material und Methodik: CHO-Zellen eines Subklons der Linie T71 haben spontane Zellverlustraten Ø < 5%. 3 Stunden nach Synchronisation wurden die Zellen mit Einzeldosen und nach 3 und 6 Stunden mit Splitdosen der jeweils halben Einzeldosis einer 200-kV-Röntgenstrahlung exponiert und Klonüberlebenskurven bestimmt. In Abhängigkeit von Dosis und Inkubationszeit wurden Klonvergrößenverteilungen durch Abpunkten der Klonzellen in Mikroskopprojektionen ermittelt.

Ergebnisse: Die Strahlenempfindlichkeit E_l des DRD kann als Proportionalitätsfaktor der linearen Abhängigkeit der medianen Klongrößendifferenz MCD von Dosis K × Zellteilungszahl m definiert werden. E_l ist vom Zellalter bei Bestrahlung und von der Zelllinie abhängig. Die Neigung s der dual logarithmierten Wachstumskurve der Zellpopulation ist s = 1 – E_l· K. Experimentell ist _l für Einzel- und Splitdosisbestrahlung gleich groß und beträgt E_l = 0,065 mit s_d = ± 0,004. – Auswertungen der Literatur zur rechnerischen Bestimmung von E_l· K aus Messungen des lokal rekurrenten Volumenwachstums von Karzinomen und Sarkomen von Nagern und pulmonalen Metastasen der Sarkome des Menschen nach fraktionierten Bestrahlungen ergaben Werte von 0 ≤ E_l· K ≤ 0,77. Die Werte E_l sind dosisunabhängig und liegen deutlich unter den Daten aus In-vitro-Messungen an verschiedenen Zellkulturen.

Schlussfolgerungen: Die Rekurrenzkinetik eines Tumors wird durch die Strahlenempfindlichkeit E_l des DRD bestimmt, sodass E_l zur Schätzung der Rekurrenzkinetik verwendet werden kann. Wie kürzlich berichtet, ist die MCD linear proportional zur Mikrokernfrequenz. Bestimmungen von Mikrokernfrequenzen in Tumorzellbiopsien vor und nach Bestrahlungsbeginn eröffnen somit die Möglichkeit zur Entwicklung eines schnellen prädiktiven Assays. Organmissbildungen nach Exposition eines Embryos mit ionisierender Strahlung können rechnerisch auf partielle Zellmortalität durch DRD zurückgeführt werden.

Background:

The growth kinetics of tumors after irradiation (Figure 1) is defined by cells surviving with delayed reproductive death (DRD). The prediction of radiation sensitivity of locally recurrent tumor growth is among other factors dependent on the knowledge of the impact of fractionated irradiation on these surviving cells with DRD. Short recovery effects can be estimated in vitro by comparing the difference of the medians of the distributions of clone sizes, the median clone sizes difference (MCD) after single and split exposure irradiation of the progenitor cells.

Materials and Methods: CHO-cells of a sub clone of the line T71 have a spontaneous cell loss rate of < 5%. The cells were irradiated a) by a single exposure 3 hours after synchronization and b) by a fractionated irradiation of half the exposure of a 200-kVp radiation exposure 3 hours and 6 hours after synchronization, respectively. Clone survival was determined (Figure 2). As function of dose and incubation time the distributions of clone sizes and the MCD were determined by tapping the clone cells in microscopic projections.

Results: The radiation sensitivity E_l of the DRD can be defined as the proportional factor of the linear relationship between the MCD on one side and the dose K × the cell division factor m on the other side. E_l is dependent on the age of the cells during irradiation (Figure 3) and the cell line (Table 1). The slope of the dually logarithmic growth curve of the cell population is: s = 1 – E_l· K. Experimentally E_l was found to be equal for single and split dose irradiation (Figures 4 and 5) and amounted to E_l = 0.065 with s_d = ± 0.004. – Literature analysis for the mathematical estimation of E_l· K (Figure 6) was based on reports of measurements of the local tumor recurrence growth of carcinomas and sarcomas of rodents and pulmonary metastases of sarcomas in humans, respectively, after fractional irradiation. We obtained values of 0 ≤ E_l· K ≤ 0.77 (Table 2). Values for E_l are independent of the dose and lie considerably below data derived from in-vitro measurements of different cell cultures.

Conclusions: Since recurrence kinetics of tumors are determined by the radiation sensitivity E_l of the DRD, E_l can be used for estimating the kinetics of tumor recurrence. As lately described, MCD is linearly proportional to the micro-nucleus frequency [12]. Determinations of the micro-nucleus frequencies in tumor cell biopsies pre and post radiation onset offer the option for developing a fast predictive assay. Organ malformations of embryos after exposition to ionizing radiation can be mathematically deduced by DRD to the partial cell mortality.