Entzündungshemmende Effekte von ionisierender Strahlung, untersucht in Co-Kultur Systemen humaner Endothelzellen und Leukozyten

Die Therapie von chronisch-entzundlichen Erkrankungen wie z.B. Morbus Bechterew mit niedrig dosierter, ionisierender Strahlung (α-Strahlung, Photonen) wird bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich angewendet. Die molekularen und zellularen Mechanismen, die diesem Effekt zugrunde liegen, sind jedoch bis jetzt nicht verstanden. Ziel dieser Arbeit war es, entzundungsrelevante und vor allem inhibierende Effekte von ionisierender Strahlung auf zellularer und molekularer Ebene zu untersuchen. Da die lokale Dosis-Deposition bei dicht-ionisierender Strahlung nicht homogen erfolgt, wurde dunn- und dicht-ionisierende Strahlung insbesondere im Niedrig-Dosis-Bereich (0,1-1Gy) miteinander verglichen. Hierbei wurden zum einen Rontgenstrahlung und zum anderen beschleunigte Ionen verwendet. Fur die durchgefuhrten Experimente wurden verschiedene Zelltypen verwendet, die in Entzundungsprozesse involviert sind und somit potenziell an der Entzundungshemmung beteiligt sein konnten. Hierbei wurden in Gefaszellen (Endothelzellen) sowie in Zellen des Immunsystems (Lymphozyten, Monozyten, Makrophagen) folgende biologische Endpunkte untersucht: Induktion von Apoptose, phagozytotische Aktivitat von Makrophagen in Co-Kultur mit apoptotischen Lymphozyten, Adhasion von Lymphozyten an Endothelzellen sowie die Freisetzung von Zytokinen in Gefas- und Immunzellen. Die Induktion von Apoptose wurde hierbei im Zusammenhang mit einer moglichen entzundungshemmenden Wirkung apoptotischer Zellen auf Phagozyten untersucht. Entzundungsprozesse werden unter anderem uber die Adhasion von Immunzellen an der Endothelzellschicht der Blutgefase und nachfolgender Transmigration ins Gewebe reguliert. Dieser Prozess ist damit ein potentieller Indikator fur die entzundungshemmende Wirkung der Niedrig-Dosis-Bestrahlung. Die hier prasentierten Untersuchungen wurden vor allem in humanen Primarzellen durchgefuhrt, deren Differenzierung in Funktionszellen in vitro teilweise erst etabliert werden musste. Um in Zellversuchen der Situation im Organismus moglichst nahe zu kommen, wurden auch zwei verschiedene Co-Kultursysteme etabliert sowie ein technischer Aufbau zur Imitation des Blutstroms entwickelt. Erste Experimente zum Vergleich der Effekte in Blutproben von Radontherapie-Patienten wurden ebenfalls durchgefuhrt. Bei der Suche nach moglichen Zielzellen der Bestrahlung, die mit Apoptose auf die Exposition reagieren, erwiesen sich periphere Blutlymphozyten als besonders sensitiv, dicht-ionisierende ist wirksamer als dunn-ionisierende Strahlung. Weder Endothelzellen noch Makrophagen zeigten deutlich strahleninduzierte Apoptose. In Blutzellen von Patienten, die sich einer Radonkur unterzogen haben, wurde zwar ein Trend zu einer entsprechenden Zunahme apoptotischer Lymphozyten nach mehreren Anwendungen beobachtet, dieser ist jedoch statistisch nicht signifikant. In Co-Kulturversuchen mit Primarzellen wurde deutlich, dass sich die Induktion von Apoptose in Lymphozyten durch ionisierende Strahlung stimulierend auf die phagozytotische Aktivitat von Makrophagen auswirkt, und zwar insbesondere auf den M-CSF Subtyp, der in entzundungshemmenden Prozessen eine Rolle spielt. Allerdings war die Steigerung der phagozytotischen Aktivitat von der Dosis, mit der die Lymphozyten bestrahlt worden waren, und damit von der Zahl der vorhandenen apoptotischen Zellen abhangig. Er war sowohl mit Rontgenstrahlung als auch mit Kohlenstoffionen nachweisbar. Es konnte jedoch nicht abschliesend geklart werden, ob es durch die Steigerung der phagozytotischen Aktivitat in der Co-Kultur zu einer veranderten Freisetzung entzundungshemmender Zytokine kommt, wie dies im Zusammenhang mit der Regulation von Entzundungsprozessen diskutiert wird. Die Freisetzung der untersuchten Zytokine TNF-α und TGF-β wies nur geringfuge Veranderungen auf, wahrend die Freisetzung von IL-10 deutlichen Schwankungen zwischen den einzelnen Spendern fur die Primarzellen unterlag. Auch in Monokulturen verschiedener Zelltypen (Lymphozyten, Monozyten, Makrophagen und Endothelzellen) wurden keine strahleninduzierte Veranderungen in der Freisetzung von TNF-α, TGF-β und IL-10 beobachtet. Die Veranderung der Zytokin-Freisetzung durch Bestrahlung wurde im Rahmen dieser Arbeit auch in vivo untersucht. Hierzu wurden die Konzentrationen der genannten Zytokine sowie weiterer Faktoren im Blutplasma von Radontherapie-Patienten bestimmt, die alle auch nach mehreren Anwendungen keine signifikanten Veranderungen im Vergleich zu den Werten vor der Behandlung aufwiesen. Eine strahleninduzierte Veranderung der Adhasion von Lymphozyten an Endothelzellen aus verschiedenen Bereichen des vaskularen Systems, die mit einem entzundungsfordernden Zytokin (TNF-α) stimuliert worden waren, wurde im Rahmen dieser Arbeit zunachst unter statischen Bedingungen untersucht. Keine Reaktion auf Bestrahlung zeigte sich in Endothelzellen aus der pulmonalen Aorta. In Endothelzellen aus dem mikrovaskularen Gewebe der Haut wurde hingegen eine signifikante Reduktion der Adhasion nach Bestrahlung beobachtet. Diese Reduktion trat jedoch sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Dosen auf. Die ersten Experimente zur Veranderung der Adhasion unter dynamischen Bedingungen bestatigten die Ergebnisse des statischen Adhasionstests, die Inhibition war sogar deutlicher als unter statischen Bedingungen. Die Experimente haben gezeigt, dass TGF-β fur diesen Zelltyp eine essentielle Rolle im Prozess der strahleninduzierten Veranderung der Adhasion spielt. Die Ergebnisse zur Adhasion fur die Effekte von dunn- und dicht-ionisierende Bestrahlung weisen auf einen fur die Mikrovaskulatur spezifischen Beitrag zur Hemmung einer bestehenden Entzundung nach Bestrahlung hin, der jedoch im verwendeten in vitro System nicht auf niedrige Dosen beschrankt war.