Radiation induced DNA damage and damage repair in human tumor and fibroblast cell lines assessed by the Comet assay, micronucleus assay and colony-forming assay

Die Entwicklung prädiktiver Testverfahren, mit denen vor einer Bestrahlung die Strahlenempfindlichkeit von Normalgeweben und Turmoren bestimmt werden kann, stellt einen wichtigen Forschungsbereich in der Strahlentherapie dar. Mit solchen Testverfahren würde eine individuelle Strahlentherapie möglich, die bei tolerierbarem Nebenwirkungslevel einen maximalen Effekt am Tumor erzielen könnte. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit drei etablierten Testmethoden zur Erkennung von Strahlenschäden an Zellkulturen in vitro. Der Kolonietest, der Mikrokern-Assay und der Comet-Assay wurden mit jeweils acht Zelllinien durchgeführt. Darunter befanden sich Fibroblasten von Patienten mit den hereditären Syndromen Ataxia teleangiektasia und Fanconi-Anämie, zwei Zelllinien von klinisch durchschnittlich strahlensensiblen Patienten und Zellen eines Patienten mit einem AT-ähnlichen Syndrom. Außerdem wurden drei Tumorzelllinien, ein malignes Melanom, ein Chorionkarzinom und ein Glioblastom, getestet. Bei jedem Testverfahren wurde zunächst das Verhalten der einzelnen Zelllinien untersucht und anschließend versucht, Korrelationen zwischen den Verfahren zu finden. Es zeigte sich, dass mit dem Kolonietest, der als Standard unter den prädiktiven Testverfahren gilt, die Zelllinien bezüglich ihrer Strahlensensibilität in einer Reihenfolge angeordnet werden konnten, die der klinischen Erwartung entsprach. Aufgrund bis zu drei Wochen dauernden Inkubationszeiten ist der Kolonietest jedoch für eine klinisch Anwendung ungeeignet. Bei einem Vergleich der Fraktion überlebender Zellen im Kolonietest und dem prozentualen Anteil mikrokernhaltiger Zellen im Mikrokern-Assay nach Bestrahlung mit 1, 2 und 3 Gy konnte für sechs der acht getesteten Zelllinien eine statistisch signifikante Korrelation jeweils innerhalb der einzelnen Zelllinie, nicht jedoch zwischen verschiedenen Zelllinien nachgewiesen werden. Offensichtlich besitzt jede Zelllinie eine unterschiedliche Neigung, Mikrokerne zu bilden, die wiederum dosisabhängig mit der Fraktion überlebender Zellen im Mikrokern-Assay korreliert. Eine sinnvolle Anordnung im Hinblick auf die Strahlensensibilität der einzelnen Zelllinien konnte mit dem Mikrokern-Assay jedoch nicht gezeigt werden. Der Comet-Assay stellt ein gut reproduzierbares mit wenigen Zellen in kurzer Zeit durchführbares Testverfahren dar. Mit Hilfe des Comet-Assays konnte eine signifikante Korrelation zwischen der Fraktion überlebender Zellen im Kolonietest und der Reparaturhalbwertszeit von DNS-Schäden im Comet-Assay für sechs von acht Zelllinien gefunden werden. Diese Ergebnisse wecken zusammen mit anderen aktuellen Studien die Hoffnung, dass mit dem Comet-Assay zumindest für definierte Indikationen in naher Zukunft ein prädiktiver Test für eine klinische Anwendung zur Verfügung stehen wird.Methods to predict the radioresponse of individual human cancers has long been a major goal of radiation research. The benefits of such a technique would be first to predict the outcome of standard radiotherapy, second, to adjust the prescribed radiation doses to minimize the adverse reaction of normal tissue while maximizing the response of tumor. Spontaneous and radiation-induced genetic instability of 8 cell lines was examined using the single-cell gel electrophoresis (Comet) assay and a micronucleus (MN) test and the results were compared with the clonogenic survival test. The cell lines studied were normal skin fibroblasts derived from 2 cancer patients with normal clinical radiation reaction of the skin, an ataxia telangiectasia (AT) patient, a Fanconi anemia patient and a patient with AT-like syndrome. In addition a malignant melanoma, a chorion carcinoma and a glioblastoma tumor cell lines were studied. As expected, using a colony-forming assay it was possible to rank the tested cell lines according their clinical radiation response. Comparison of the clonogenic survival with the rate of the MN induction revealed a significant correlation for the 6 out of 8 tested cell lines within every cell line. But there was no correlation between different ones. The Comet analysis of in vitro irradiated cells did not revealed any significant correlation between the initial DNA damage and a parameter of SF2 (survival fraction at 2 Gy), however, a significant correlation was found between the clonogenic survival and the DNA repair kinetics for the 6 out of 8 tested cell lines. These data suggest that the Comet assay in vitro could be a useful adjunct to predict clinical radiation reaction