title: Auswirkung einer Kontrastmittelgabe auf das Auftreten von DNA-Doppelstrangbrüchen bei computertomographischen Thoraxuntersuchungen
title: To what extent does the application of iodinated X-ray contrast agents have a quantitative influence on the incidence of DNA double-strand breaks in patients undergoing diagnostic chest CT examinations?
Creators: name: Peter, Jan-Friedrich
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: X-ray contrast agents
DNA double-strand breaks
Schaden
Doppelhelix
Medizin, Gesundheit
DNA-Doppelstrangbruch,Thorax-CT
DNS
gamma-H2AX
chest CT
Computertomographie , Kontrastmittel

description: INTRODUCTION: X-ray iodinated
      contrast agents have a higher absorption of X-rays than soft
      tissue. Thus, they are suitable for a high contrast
      reproduction of vessels, whose density does not usually
      differ from the surrounding tissue. The indication-dependent
      use of X-ray contrast agents in computed tomography is state
      of the art. Nephro- and cytotoxic effects of these contrast
      agents, like contrast-induced nephropathy (CIN) as the most
      significant, are well known. Exposure to x-rays leads to an
      increased risk of developing cancer due to excessive DNA
      damage. Preliminary clinical studies indicate that the
      application of X-ray contrast agents increases this DNA
      damage during a CT examination. The proven radiation-induced
      DNA damages include micronuclei, chromosomal aberrations, and
      double-strand breaks. Double-strand breaks are the most
      significant cause for carcinogenesis. Their repair is more
      difficult than other DNA damage, and a failure of their
      repair can lead to cancer. DNA double-strand breaks can be
      visualised and quantified by assessing gamma-H2AX-foci. With
      this method every gamma-H2AX-focus equates to exactly one DNA
      double-strand break. Because of the small number of cases in
      earlier studies, this study should give more statistical
      certainty with the following question: To what extent does
      the application of iodinated X-ray contrast agents have a
      quantitative influence on the incidence of DNA double-strand
      breaks in patients undergoing diagnostic chest CT
      examinations? MATERIAL: Blood samples of 179 patients with a
      clinical indication for a contrast enhanced CT (cohort with
      contrast agent) and 66 patients with a clinical indication
      for an unenhanced CT (cohort without contrast agent) were
      analyzed prior and immediately after the CT examination. Age,
      size, weight, and gender did not differ significantly between
      both cohorts. Peripheral lymphocytes were separated from the
      blood samples. DNA double-strand breaks were visualised and
      enumerated by assessing gamma-H2AX-foci with
      immunefluorescence microscopy. RESULTS: The average increase
      of gamma-H2AX-foci per lymphocyte after the CT examination of
      the contrast-enhanced cohort was 0.056±0.121 foci/cell
      (mean±standard deviation), twice as much as the increase in
      the unenhanced cohort with 0.027±0.113 foci/cell. In an
      inferential statistic using independent t-test with
      directional hypothesis (one-tailed test) and alpha&lt;0.05
      this difference of means was statistically significant with
      p=0.044. Differences in radiation dose parameters were not
      statistically significant between cohorts with the exception
      of the dose-length product (DLP: unenhanced: 342±116 mGy*cm;
      contrast enhanced: 301±120 mGy*cm; p&lt;0.05). Mean DLP was
      312±120 mGy*cm for the entire patient cohort. In order to
      compensate for this difference in radiation dose between the
      two cohorts, the DNA damage was standardized to a mean
      radiation dose of 312 mGy*cm. This resulted in an even
      greater difference in the increase of foci/cell after CT
      scanning. The group undergoing unenhanced CT showed an
      increase of 0.021±0.108 foci/cell, while the
      contrast-enhanced group exhibited 0.077±0.160 foci/cell. This
      increase was 267% higher for the contrast-enhanced group. The
      difference was statistically significant (p=0.001).
      DISCUSSION: The present study showed that the presence of
      iodinated contrast agents during irradiation significantly
      increases the number of induced gamma-H2AX-foci. This is most
      likely an effect which is caused by the generation of
      additional secondary electrons when the X-rays are absorbed
      by the contrast agent. Due to their high density, iodinated
      contrast agents absorb more X-rays than human soft tissues.
      In addition, the generation of secondary electrons is
      strongly dependent on the density of the absorbing material.
      Therefore, these effects are synergistic, and the generation
      of secondary electrons is even more pronounced. These
      secondary electrons are the major cause of DNA damage induced
      by X-rays. Problems with the assessment of risk can result
      from the fact that the lymphocytes are irradiated only
      partially during the CT examination. Because of the
      physiological blood circulation, the irradiated lymphocytes
      mix with non-irradiated lymphocytes after the CT examination.
      This effect leads to a dilution of the radiation damage and a
      lower foci level. Therefore, the assessment of risk can be
      underestimated. However, this study, just as studies in the
      recent past, could show that the analysis of gamma-H2AX-foci
      in peripheral lymphocytes represents a useful approach to
      measure the induction of double-strand breaks after
      irradiation with diagnostic radiation doses. Finally, the
      indication and the dosing of iodinated X-ray contrast agents
      has to be assessed even more carefully, and alternative
      diagnostic procedures should be considered.
description: EINLEITUNG: Röntgenkontrastmittel
      eignen sich durch ihre stärkere Absorption von
      Röntgenstrahlung dazu, Gefäße, die sich hinsichtlich ihrer
      Dichte meist kaum von ihrer Umgebung unterscheiden,
      kontrastreicher und damit abgrenzbarer gegenüber den
      umliegenden Strukturen darzustellen. Nun konnte in
      prälaminären Studien klinisch gezeigt werden, dass die
      Applikation jodhaltiger Röntgenkontrasmittel in der
      radiologischen Diagnostik, neben bereits bekannten
      systemischen Nebenwirkungen, wie der
      kontrastmittelinduzierten Nephropathie (CIN) als bedeutendste
      systemische Nebenwirkung, gerade in Kombination mit
      ionisierender Strahlung auch zu einer verstärkten Schädigung
      der DNA führen kann. Diese strahleninduzierten DNA-Schäden
      konnten in Form von Mikrokernen, Chromsomenaberrationen und
      DNA-Doppelstrangbrüchen nachgewiesen werden, wobei
      Doppelstrangbrüche eine der bedeutendsten Ursachen für die
      Entstehung von Mutationen darstellen. Ihre Reparatur ist für
      die Zelle schwieriger als die anderer DNA-Schäden, und wird
      ein Doppelstrangbruch nicht oder fehlerhaft repariert, kann
      dies zur Karzinogenese führen. Mit der gamma-H2AX-Methode
      lassen sich DNA-Doppelstrangbrüche quantizieren, wobei ein
      gamma-H2AX-Focus jeweils einem DNA-Doppelstrangbruch
      entspricht. Aufgrund kleinerer Fallzahlen in früheren Studien
      sollte nun mit der vorliegenden Arbeit statistische
      Sicherheit bei der Frage gewonnen werden, inwieweit die
      Applikation von jodhaltigem Kontrastmittel im Rahmen
      computertomographischer Thorax-Untersuchungen einen
      quantitativen Einfluss auf das Auftreten von
      DNA-Doppelstrangbrüchen in vivo hat. MATERIAL: Das Blut von
      179 Patienten mit Indikation für ein kontrastmittelgestütztes
      Thorax-CT (Kohorte mit Kontrastmittel) und von 66 Patienten
      ohne Kontrastmittelapplikation (Kohorte ohne Kontrastmittel)
      wurde jeweils vor und nach der computertomographischen
      Untersuchung analysiert. Es gab keine signifikanten
      Unterschiede bei Alter, Größe, Gewicht und
      Geschlechtsverteilung zwischen den beiden Kohorten. Aus den
      Blutproben wurden die Lymphozyten separiert und anschließend
      die DNA-Doppelstrangbrüche über die gamma-H2AX-Methode
      mittels Immunfluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht und
      quantifiziert. ERGEBNISSE: Der durchschnittliche Zuwachs an
      gamma-H2AX-Foci nach der CT-Untersuchung war in der Kohorte
      mit Kontrastmittelapplikation mit 0,056±0,121 Foci/Zelle
      (Mittelwert±Standardabweichung) mehr als doppelt so groß wie
      der Zuwachs in der Kohorte ohne Kontrastmittel, der bei
      durchschnittlich 0,027±0,113 Foci/Zelle lag. In einer
      schließenden Statistik mittels unabhängigem t-Test war dieser
      Unterschied der Mittelwerte bei gerichteter Hypothese mit
      p=0,044 signifikant. Da sich die beiden Kohorten hinsichtlich
      der erhaltenen Strahlendosis geringfügig unterschieden, wurde
      zusätzlich für jeden Patienten das gamma-H2AX-Foci-Level
      nach CT für ein angenommenes Dosisniveau in Höhe eines
      Dosis-Längen-Produktes (DLP) von 312 mGy*cm ermittelt. Es
      wurde ein DLP von 312 mGy*cm gewählt, da dies der Mittelwert
      aus beiden Kohorten war. Hier war der Zuwachs an
      gamma-H2AX-Foci mit 0,077±0,160 Foci/Zelle in der Kohorte mit
      Kontrastmittel mehr als dreimal so hoch wie der in der
      Kohorte ohne Kontrastmittel mit 0,021±0,108 Foci/Zelle.
      DISKUSSION: Diese Arbeit konnte zeigen, dass die Applikation
      von jodhaltigem Kontrastmittel im Rahmen von
      Thorax-CT-Untersuchungen zu einem signifikant höheren Zuwachs
      von gamma-H2AX-Foci führen kann. Da bei der
      gamma-H2AX-Methode jeder Focus einem DNA-Doppelstrangbruch
      entspricht, lässt sich daraus ein erhöhtes Auftreten von
      Doppelstrangbrüchen durch die Kontrastmittelapplikation
      ableiten. Dies lässt sich möglicherweise auf die zusätzlich
      entstehenden Sekundärelektronen zurückführen. Diese entstehen
      aufgrund der stärkeren Absorption von Röntgenstrahlen durch
      jodhaltige Kontrastmittel und könnten die DNA-schädigende
      Wirkung von Röntgenstrahlen verstärken. Probleme bei der
      Risikobewertung können sich aus der Tatsache ergeben, dass
      während der CT-Untersuchung nur ein Teil der Lymphozyten im
      Strahlenfeld liegen. Nach der Untersuchung mischen sich durch
      die physiologische Blutzirkulation die bestrahlten in
      kürzester Zeit mit unbestrahlten Lymphozyten. So entsteht
      eine Verdünnung des Strahlenschadens und ein geringeres
      Foci-Level, was zur Unterschätzung der Ergebnisse führt.
      Trotzdem wurde die gamma-H2AX-Methode in der Vergangenheit
      erfolgreich zur Quantifizierung von DNA-Doppelstrangbrüchen
      auch an peripheren Lymphozyten eingesetzt, was auch die
      vorliegende Arbeit bestätigen konnte. Letztendlich sollte
      aufgrund des derzeitigen Kenntnisstandes beim Einsatz von
      jodhaltigen Röntgenkontrastmitteln mehr als zuvor auf die
      strikte Einhaltung von Indikation und Dosierung geachtet und
      mögliche diagnostische Alternativen berücksichtigt
      werden.