title: DNA double strand breaks in computed tomography - influence of constrast medium administration
title: Nachweis von DNA-Doppelstrangbrüchen bei computertomographischen Untersuchungen - Einfluss von Kontrastmittelgabe
Creators: name: Pathe, Caroline
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Computertomographie
γH2AX
Radiologische Diagnostik
Kontrastmittel
contrast medium
dna double strand breaks
DNS-Doppelstrangbruch
x ray
computed tomography
Medizin, Gesundheit
Röntgenstrahlung
radiology

description: Computed tomography is the main
      source of present radiation exposure of the population. After
      radiation, double-strand breaks (DSBs) are the most
      significant lesion of the DNA because the genetic information
      is compromised on both DNA-strands. If un- or misrepaired,
      mutations and malignant degeneration of cells may result. The
      first part of this work aimed to investigate the induction
      and repair of double-strand breaks after computed tomography
      in vivo. To enhance medical imaging, contrast media is
      frequently applied during the CT scans. The effect these have
      on the induction and repair of double-strand breaks in vivo
      is evaluated in the second part of this study. For several
      years, γH2AX has been used as a marker for detecting DSBs.
      Since this is the only method that has proven to be sensitive
      in radiation doses as low as a few mGy, it has become the
      gold standard for the detection of DSBs in computed
      tomography´s low dose range. Using a fluorescent antibody
      specific for γH2AX, double-strand breaks can be visualized as
      foci. Each focus represents precisely one double-strand
      break. The loss of γ-H2AX foci in the nucleus reflects the
      repair of the DNA-double-strand breaks. Blood samples were
      taken from 47 patients with an average age of 56.8 ± 17.38
      years (mean ± standard deviation). All of them underwent a
      clinically indicated computed tomography at defined points of
      time (prior as well as 5 min, 1 hr, 2 hrs and 24 hrs af-ter
      the CT-scan). Lymphocytes were isolated from the blood and
      the number of foci was quantified by using the γ-H2AX method.
      In comparison to the background focus level, which was
      determined by evaluating the blood sample prior to the
      CT-scan and which reflects the permanent damage of the DNA
      before the x-ray exposure, the number of foci 5 min after the
      CT-scan increased by a factor of 4.2. This confirms that CT
      examinations induce DNA-damage in the form of double-strand
      breaks and that these can be successfully detected in vivo
      with the γ-H2AX method. The detected number of foci is
      consistent with the results of similar studies. The
      subsequent time points showed a linear decrease of the focus
      level, reflecting the repair of the induced double-strand
      breaks. After 24 hrs a residual focus level of 25% remains,
      which implies that not all of the induced DSBs were repaired.
      In order to measure the effect of contrast medium on the
      formation and repair of double-strand breaks, two patient
      groups were formed. Group I consisted of 21 patients who
      solely underwent unenhanced CT and were an average age of 59
      ± 18.88 years (mean ± standard deviation). Group II was
      comprised of 26 patients who solely received
      contrast-enhanced CT and were an average age of 55,04 ± 15,84
      years (mean ± standard deviation). 5 min post CT, the
      contrast-enhanced group II showed an in-crease of 29% in foci
      levels compared to the unenhanced group I. Since this result
      suggests that the administration of contrast medium induces
      additional DNA damage, this should be taken into
      consideration when estimating the radiation exposure of
      computed tomography. The greater DNA damage is most likely an
      effect of an enhanced photoelectric effect due to the high
      atomic number Z of the iodine in the contrast agent. Thus
      more secondary radical electrons are generated that damage
      the DNA. After 24 hrs both groups showed similar residual
      foci levels. The additional double-strand breaks due to the
      contrast medium seem to have been repaired. The great
      interindividual differences in the number of foci between the
      patients as well as the incomplete repair of the
      double-strand breaks after 24 hrs have to be emphasized. The
      cause of the high variance of the DSB numbers and the repair
      capacity should be explored further as should the period of
      time the residual double-strand breaks undergo repair, if at
      all. This study has the character of a preliminary study. In
      order to draw definite conclusions as to the effect of
      contrast medium, a follow-up study with a higher number of
      patients should be initiated. It should take measures to
      include groups of patients with consistent age structures,
      sex, pre-existing illnesses, type of CT with similar DLP
      values and amount of applied contrast medium. And since it is
      not yet known how the given parameters influence the results,
      this too could be further investigated.
description: Die Computertomographie stellt die
      Hauptquelle der gegenwärtigen Strahlenexposition der
      Bevölkerung dar. Nach Bestrahlung sind Doppelstrangbrüche
      (DSBs) die gravierendsten Läsionen der DNA, da hierbei die
      genetische Information auf beiden DNA-Strängen unterbrochen
      wird. Werden Doppelstrangbrüche nicht oder fehlerhaft
      repariert, kann es zur Entstehung von Mutationen und zur
      malignen Entartung von Zellen kommen. Im ersten Teil der
      vorliegenden Arbeit wurde die Induktion und Reparatur von
      Doppelstrangbrüchen nach Computertomographie in vivo
      untersucht. Um die Bildgebung zu unterstützen, werden im
      Rahmen von Computertomographieuntersuchungen häufig
      Kontrastmittel appliziert. Deren Wirkung auf die Induktion
      und Reparatur von Doppelstrangbrüchen in vivo wurde im
      zweiten Teil dieser Arbeit evaluiert. Seit einigen Jahren
      wird γH2AX als Marker für Doppelstrangbrüche herangezogen. Da
      allein diese Methode im Bereich von wenigen mGy sensitiv ist,
      ist sie zur Zeit der Goldstandard für die Detektion von DSBs
      im Niedrigdosisbereich der Computertomographie. Mit Hilfe
      eines spezifischen Antikörpers werden die Doppelstrangbrüche
      mittels Immunfluoreszenzmikroskopie in Form von deutlich
      sichtbaren Foci dargestellt. Dabei entspricht ein Focus genau
      einem DSB. Der Verlust von γ-H2AX-Foci in Zellkernen
      entspricht der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen. 47
      Patienten im Alter von durchschnittlich 56,8 ± 17,38 Jahren
      (Mittelwert ± Standardabweichung) wurde nach einer klinisch
      indizierten Computertomographieuntersuchung zu definierten
      Zeitpunkten Blut abgenommen (vor der Computertomographie als
      Kontrolle zur Bestimmung des „Hintergrundfocuslevels“, 5 min
      post CT, 1 h, 2 h sowie 24 h nach der CT-Untersuchung). Die
      Lymphozyten des Blutes wurden isoliert und mittels der
      γ-H2AX-Methode die Focusanzahl untersucht. Im Vergleich zum
      direkt vor der CT-Untersuchung ermittelten
      Hintergrundfocuslevel, welches das permanente Schadenslevel
      der DNA vor Röntgenstrahlenexposition reflektiert, stieg 5
      min nach Computertomographie die Focusanzahl um den Faktor
      4,2 an. Dies bestätigt, dass
      Computertomographieuntersuchungen DNA-Schäden in Form von
      Doppelstrangbrüchen induzieren und diese mit Hilfe der
      γ-H2AX-Methode erfolgreich in vivo detektiert werden können.
      Die ermittelte Focusanzahl entspricht Ergebnissen anderer
      Studien. Zu den nachfolgenden Untersuchungszeitpunkten zeigte
      sich ein linearer Rückgang der Focuswerte, welcher der
      Reparatur der Doppelstrangbrüche entspricht. Um den Effekt
      von Kontrastmittel auf die DSB-Entstehung und -Reparatur zu
      prüfen, wurden zwei Patientengruppen gebildet. Gruppe I
      setzte sich aus den 21 Patienten zusammen, die ausschließlich
      native CT-Untersuchungen erhalten hatten und wies ein
      mittleres Alter von 59 ± 18,88 Jahren (Mittelwert ±
      Standardabweichung) auf. Gruppe II bestand aus den 26
      Patienten, die während der Computertomographieuntersuchung
      Kontrastmittel appliziert bekommen hatten und im Mittel 55,04
      ± 15,84 Jahre alt wa-ren (Mittelwert ± Standardabweichung).
      Bei Kontrastmittelapplikation in Gruppe II zeigte sich im
      Vergleich zur Nativcomputertomographie von Gruppe I 5 min
      post CT eine um 29% erhöhte Focusanzahl. Dieses Ergebnis
      sollte Anlass geben, bei der Einschätzung der
      Strahlenbelastung durch Computertomographie die
      Kontrastmittelapplikation zu berücksichtigen, da durch sie
      vermehrt DNA-Schäden entstehen. Vermutlich ist die Ursache
      ein gesteigerter Photoeffekt, der durch die hohe Ordungszahl
      (Z) des im KM enthaltenen Jods verursacht wird. Damit kommt
      es zu einer vermehrten Bildung von sekundären Radikalionen,
      die die DNA schädigen. Nach 24 h wiesen beide Gruppen
      ähnliche residuale Focuswerte auf. Die zusätzlich
      entstandenen Doppelstrangbrüche bei Kontrastmittelapplikation
      sind demnach repariert worden. Hervorzuheben sind die großen
      interindividuellen Unterschiede der Focuszahlen in unserer
      Patientenstudie, deren Ursachen in zukünftigen Studien
      untersucht werden sollten. Diese Studie ist eine präliminäre
      Studie. Um definitive Aussagen v.a. zum Kontrastmitteleffekt
      treffen zu können, bedarf es einer Folgestudie mit einer
      größeren Patientenanzahl. Dabei sollte darauf geachtet
      werden, dass die Patientengruppen die gleiche Altersstruktur,
      das gleiche Geschlecht, die gleichen klinischen
      Vorerkrankungen, die gleiche CT-Untersuchung mit ähnlichen
      DLP-Werten und die gleiche verabreichte Kontrastmittelmenge
      aufweisen. Da bisher nicht bekannt ist, inwiefern die
      genannten Parameter die Ergebnisse beeinflussen, könnte dies
      Gegenstand zukünftiger Studien sein.