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

Die Therapie von chronisch-entzündlichen Erkrankungen wie z.B. Morbus Bechterew mit niedrig dosierter, ionisierender Strahlung (α-Strahlung, Photonen) wird bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich angewendet. Die molekularen und zellulären Mechanismen, die diesem Effekt zugrunde liegen, sind jedoch bis jetzt nicht verstanden. Ziel dieser Arbeit war es, entzündungsrelevante und vor allem inhibierende Effekte von ionisierender Strahlung auf zellulärer und molekularer Ebene zu untersuchen. Da die lokale Dosis-Deposition bei dicht-ionisierender Strahlung nicht homogen erfolgt, wurde dünn- und dicht-ionisierende Strahlung insbesondere im Niedrig-Dosis-Bereich (0,1-1Gy) miteinander verglichen. Hierbei wurden zum einen Röntgenstrahlung und zum anderen beschleunigte Ionen verwendet. Für die durchgeführten Experimente wurden verschiedene Zelltypen verwendet, die in Entzündungsprozesse involviert sind und somit potenziell an der Entzündungshemmung beteiligt sein könnten. Hierbei wurden in Gefäßzellen (Endothelzellen) sowie in Zellen des Immunsystems (Lymphozyten, Monozyten, Makrophagen) folgende biologische Endpunkte untersucht: Induktion von Apoptose, phagozytotische Aktivität von Makrophagen in Co-Kultur mit apoptotischen Lymphozyten, Adhäsion von Lymphozyten an Endothelzellen sowie die Freisetzung von Zytokinen in Gefäß- und Immunzellen. Die Induktion von Apoptose wurde hierbei im Zusammenhang mit einer möglichen entzündungshemmenden Wirkung apoptotischer Zellen auf Phagozyten untersucht. Entzündungsprozesse werden unter anderem über die Adhäsion von Immunzellen an der Endothelzellschicht der Blutgefäße und nachfolgender Transmigration ins Gewebe reguliert. Dieser Prozess ist damit ein potentieller Indikator für die entzündungshemmende Wirkung der Niedrig-Dosis-Bestrahlung. Die hier präsentierten Untersuchungen wurden vor allem in humanen Primärzellen durchgeführt, deren Differenzierung in Funktionszellen in vitro teilweise erst etabliert werden musste. Um in Zellversuchen der Situation im Organismus möglichst 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 durchgeführt. Bei der Suche nach möglichen Zielzellen der Bestrahlung, die mit Apoptose auf die Exposition reagieren, erwiesen sich periphere Blutlymphozyten als besonders sensitiv, dicht-ionisierende ist wirksamer als dünn-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 Primärzellen wurde deutlich, dass sich die Induktion von Apoptose in Lymphozyten durch ionisierende Strahlung stimulierend auf die phagozytotische Aktivität von Makrophagen auswirkt, und zwar insbesondere auf den M-CSF Subtyp, der in entzündungshemmenden Prozessen eine Rolle spielt. Allerdings war die Steigerung der phagozytotischen Aktivität von der Dosis, mit der die Lymphozyten bestrahlt worden waren, und damit von der Zahl der vorhandenen apoptotischen Zellen abhängig. Er war sowohl mit Röntgenstrahlung als auch mit Kohlenstoffionen nachweisbar. Es konnte jedoch nicht abschließend geklärt werden, ob es durch die Steigerung der phagozytotischen Aktivität in der Co-Kultur zu einer veränderten Freisetzung entzündungshemmender Zytokine kommt, wie dies im Zusammenhang mit der Regulation von Entzündungsprozessen diskutiert wird. Die Freisetzung der untersuchten Zytokine TNF-α und TGF-β wies nur geringfüge Veränderungen auf, während die Freisetzung von IL-10 deutlichen Schwankungen zwischen den einzelnen Spendern für die Primärzellen unterlag. Auch in Monokulturen verschiedener Zelltypen (Lymphozyten, Monozyten, Makrophagen und Endothelzellen) wurden keine strahleninduzierte Veränderungen in der Freisetzung von TNF-α, TGF-β und IL-10 beobachtet. Die Veränderung 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 Veränderungen im Vergleich zu den Werten vor der Behandlung aufwiesen. Eine strahleninduzierte Veränderung der Adhäsion von Lymphozyten an Endothelzellen aus verschiedenen Bereichen des vaskulären Systems, die mit einem entzündungsfördernden Zytokin (TNF-α) stimuliert worden waren, wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst unter statischen Bedingungen untersucht. Keine Reaktion auf Bestrahlung zeigte sich in Endothelzellen aus der pulmonalen Aorta. In Endothelzellen aus dem mikrovaskulären Gewebe der Haut wurde hingegen eine signifikante Reduktion der Adhäsion nach Bestrahlung beobachtet. Diese Reduktion trat jedoch sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Dosen auf. Die ersten Experimente zur Veränderung der Adhäsion unter dynamischen Bedingungen bestätigten die Ergebnisse des statischen Adhäsionstests, die Inhibition war sogar deutlicher als unter statischen Bedingungen. Die Experimente haben gezeigt, dass TGF-β für diesen Zelltyp eine essentielle Rolle im Prozess der strahleninduzierten Veränderung der Adhäsion spielt. Die Ergebnisse zur Adhäsion für die Effekte von dünn- und dicht-ionisierende Bestrahlung weisen auf einen für die Mikrovaskulatur spezifischen Beitrag zur Hemmung einer bestehenden Entzündung nach Bestrahlung hin, der jedoch im verwendeten in vitro System nicht auf niedrige Dosen beschränkt war