Auswirkungen von α-Strahlung auf Stamm- und Vorläuferzellen des humanen Lungenepithels

Das Bronchialepithel der Lunge gilt als besonders strahlungssensitiv und besteht aus verschiedenen Zelltypen, die durch Mutationen zur Tumorgenese von Lungenkrebs entarten können. Als Auslöser für Lungenkrebs sind hauptsächlich Rauchen und Radon verantwortlich. Auf der anderen Seite wird Radon auch zur Therapie von verschiedenen chronischen entzündlichen Erkrankungen eingesetzt. Der genaue Wirkmechanismus von Radon ist noch nicht geklärt, der zum einen krebsinduzierend sein kann und zum anderen chronisch entzündliche Krankheiten therapiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkung von α-Partikeln im Vergleich zu Röntgenstrahlung auf die Stammzellen des humanen Bronchialepithels untersucht. Hierzu wurde die Kultivierung der undifferenzierten primären humanen Bronchialepithelzellen (NHBE) und deren Differenzierung in der Air Liquid Interface (ALI) Kultur zu einem organotypischen Bronchialepithel etabliert. Um interindividuelle Unterschiede von Strahlungseffekten zu untersuchen, wurden die NHBE von zwei Spendern verwendet. Die undifferenzierten Zellen wurden mit α-Partikel (0,25 - 1,00 Gy) und Röntgenstrahlen (0,5 - 4,0 Gy) bestrahlt und auf das Zellüberleben, die Proliferation, Genexpression (zelltypspezifisch, Seneszenz- und Entzündungsmarker) und ihre Differenzierungseigenschaften analysiert. Das aus bestrahlten NHBE (0,25 und 0,5 Gy α-Partikel und 0,5 und 2,0 Gy Röntgenstrahlung) resultierende Bronchialepithel wurde anschließend auf seine Funktionalität in Bezug auf Selbstreinigungseigenschaften und Integrität der Barriereeigenschaften untersucht. Die α-Partikel und Röntgenbestrahlung führt bei den undifferenzierten NHBE zu einer reduzierten Koloniebildung, reduzierten Proliferation, Induktion der p21 Seneszenz und einer verstärkten Differenzierung der Basalzellen in Becherzellen, verglichen mit den scheinbestrahlten NHBE. Dabei bewirkten α-Partikel einen drei bis fünfmal stärkeren Effekt als die gleiche Dosis an Röntgenstrahlung. Eine deutlich vermehrte Apoptose oder Autophagie der NHBE wurde nach Strahlenexposition nicht beobachtet. Die NHBE beider Spender unterschieden sich in ihren Wachstumseigenschaften, aber nicht in der Strahlenantwort, mit Ausnahme des Zellüberlebens nach Röntgenstrahlung. Wurden die NHBE nach Bestrahlung in der ALI Kultur in Epithelien differenziert zeigte sich im Verlauf der Differenzierung eine gestiegene Expression des Becherzellmarkers MUC5AC und des proinflammatorischen Interleukins IL1β, sowie eine verspätete Expression des Markers FOXJ1 für zilientragende Zellen, im Vergleich zur Kontrolle. Bei dem Einfluss auf die Expression der verschiedenen Marker im Laufe der Differenzierung führten 0,5 Gy α-Partikel zu einer geringeren oder gar keiner Veränderung als 2,0 Gy Röntgenstrahlung. Interindividuelle Unterschiede waren bei der Expression von FOXJ1 und der Intensität des Strahleneinflusses bei MUC5AC und der Clubzellen festzustellen, während es bei den anderen Markern keinen Unterschied gab. Die Expression der Marker für Basalzellen, Seneszenz und Autophagie wurde durch die Strahlung nicht verändert. Die Epithelien, welche aus 0,5 Gy α-Partikeln und 2,0 Gy Röntgenstrahlung bestrahlten NHBE differenziert wurden, zeigten eine verschlechterte Selbstreinigung und eine gesunkene Permeabilität im Vergleich zur Kontrolle. Eine Ursache für die gesunkene Permeabilität wurde noch nicht identifiziert. Zusammenfassend zeigen die Experimente, dass NHBE als Strahlenantwort ihre Proliferation einstellen und differenzieren, um die Weitergabe von Schäden an ihre Nachkommen zu verhindern. Die Strahlung fördert die Expression von MUC5AC und inhibiert die FOXJ1 Expression, was zu einer verzögert einsetzenden Ziliogenese führt. Das Ungleichgewicht dieser Differenzierung spiegelt sich in der verschlechterten Selbstreinigung wider. Übertragen auf den Menschen, bedeutet eine reduzierte Selbstreinigung eine Begünstigung von Infektionen, chronischen Lungenerkrankungen und Karzinogenese. Die anhaltende Expression von IL1β deutet auf eine anhaltende Entzündungsreaktion hin. Eine Entzündung steigert in vivo das ROS Level und dereguliert dadurch die Homöostase der Bronchialzellen, induziert genetische Instabilität und begünstigt somit zusätzlich die Karzinogenese. Die beschriebenen Effekte traten nur bei 0,5 Gy α-Partikeln oder 2,0 Gy Röntgenstrahlung, wie Röntgenstrahlung in der Radiotherapie genutzt wird, auf. Während niedrigere Dosen, welche deutlich über der von gängigen radiologischen Untersuchungen oder einer Radontherapie lagen, keinen signifikanten Einfluss auf das Epithel hatten