In vivo Untersuchungen zur Wirksamkeit von Bestrahlungen mit Kohlenstoffionen am syngenen Prostatakarzinom Modell R3327

Zusammenfassung Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der differenziellen Wirkung von Kohlen-stoffionen (12C) gegenüber einer Photonenbestrahlung in vivo anhand von drei verschie-denen Sublinien des syngenen Prostata- Adenokarzinoms (PCa) R3327 (AT1, HI und H) der Ratte sowie die Identifizierung Tumor- assoziierter Einflussfaktoren auf die Strahlenreaktion. Subkutane PCa- Tumore in Ratten wurden mit Photonen bzw. 12C- Ionen (75 keV/ µm) unter Verwendung aufsteigender Einzel- (1 Fx) bzw. Zweifachdosen (2 Fx) bestrahlt. Primärer Endpunkt war die lokale Tumorkontrolle nach 300 Tagen. Basierend auf Dosis- Wirkungs-kurven (DWKs) wurde mittels TCD50 (Dosis für 50% Tumorkontrollwahrschein¬lichkeit) die relative biologische Wirksamkeit (RBW) von 12C- Ionen berechnet. Zusätzlich wurden Untersuchungen durchgeführt, um mögliche Kohlenstoffionen- spezifische Mechanismen der Strahlenreaktion zu identifizieren. Hierzu wurden in vivo tumor-physiologische Verände-rungen, strukturelle und funktionelle Bestrahlungseffekte auf histologischer Ebene, strahlen-bedingte Einflüsse auf die Genexpression sowie Tumorsubpopulationen mit Tumor- indu-zierenden Eigenschaften untersucht. Für 12C- Bestrahlungen mit 1 Fx bzw. 2 Fx ergab sich eine RBW von 1,62 (H), 2,08 (HI) und 2,3 (AT1) bzw. 1,9 (H), 2,1 (HI) und 2,67 (AT1). Bestrahlungen mit isoeffektiven Dosen zeigten für Photonen und 12C- Ionen unterschiedliche Kinetiken der strahleninduzierten Effekte. Mittels Magnetresonanztomographie (MRT) und Histologie wurde im Vergleich zu Photonen eine schnellere und stärkere Gefäßpermeabilisierung durch 12C- RT festgestellt. Nach Bestrahlung wurden DNA- Reparaturmechanismen, Immunsystemkomponenten und Migration induziert, dagegen die Zellzyklusprogression, Adhäsion, Angiogenese und der aerobe Stoffwechsel reprimiert. Insbesondere die zeitliche Induktion von Signalkaskaden, Apoptose und Stressantworten zeigte sich abhängig von der Strahlmodalität. In den HI- und H-Sublinien wurden CD24+/CD45- Zellen als Tumor- induzierende Zellen (TICs) in vivo identifiziert und alle drei Sublinien in vitro durch Zellkulturetablierung weiteren molekular-biologischen Analysen zugänglich gemacht. Schlussfolgernd ergibt sich, dass 12C- RT besonders für undifferenzierte Tumore geeignet ist, da die RBW für den radioresistenten, anaplastischen AT1-Tumor am höchsten war und sich mit zunehmender Differenzierung verringerte. Ursache hierfür ist, dass die TCD50- Werte für 12C- Ionen weniger abhängig vom Differenzierungsstatus sind, als bei Photonen- RT. 12C- Ionen inaktivieren Tumorzellen und Normalgewebsanteile sowie Gefäßstrukturen schneller und effektiver als Photonen. Die strahleninduzierte Genregulation nach Photonen- und 12C- RT betrifft ähnliche Funktionen, aber der zeitliche Verlauf variiert besonders in DNA- Reparaturmechanismen und Signalwegen des Zellüberlebens. Da CD24+/CD45- - Zellen in H- und HI-Tumoren als TICs identifiziert wurden, impliziert der unterschiedliche Einfluss von 12C- und Photonen- RT auf die CD24- Expression einen ersten Hinweis auf differenzielle Effekte der beiden Strahlmodalitäten auf putative Prostatakrebsstammzellen

Carbon ion radiotherapy: impact of tumor differentiation on local control in experimental prostate carcinomas

Abstract Background To summarize the research activities of the “clinical research group heavy ion therapy”, funded by the German Research Foundation (DFG, KFO 214), on the impact of intrinsic tumor characteristics (grading, hypoxia) on local tumor control after carbon (12C-) ion- and photon irradiations. Methods Three sublines of syngeneic rat prostate tumors (R3327) with various differentiation levels (highly (-H), moderately (-HI) or anaplastic (-AT1), (diameter 10 mm) were irradiated with 1, 2 and 6 fractions of either 12C-ions or 6 MV photons using increasing dose levels. Primary endpoint was local tumor control at 300 days. The relative biological effectiveness (RBE) of 12C-ions was calculated from TCD50-values (dose at 50% tumor control probability) of photons and 12C-ions and correlated with intrinsic tumor parameters. For the HI-subline, larger tumors (diameter 18 mm) were irradiated with either carbon ions, oxygen ions or photons under ambient as well as hypoxic conditions to determine the variability of the RBE under different oxygenation levels. In addition, imaging, histology and molecular analyses were performed to decipher the underlying mechanisms. Results Experimental results revealed (i) a smaller variation of the TCD50-values between the three tumor sublines for 12C-ions (23.6 - 32.9 Gy) than for photons (38.2 - 75.7 Gy), (ii) steeper dose-response curves for 12C-ions, and (iii) an RBE that increased with tumor grading (1.62 ± 0.11 (H) vs 2.08 ± 0.13 (HI) vs 2.30 ± 0.08 (AT1)). Large HI-tumors resulted in a marked increase of TCD50, which was increased further by 15% under hypoxic relative to oxic conditions. Noninvasive imaging, histology and molecular analyses identified hypoxia as an important radioresistance factor in photon therapy. Conclusions The dose-response studies revealed a higher efficacy of 12C-ions relative to photon therapy in the investigated syngeneic tumor model. Hypoxia turned out to be at least one important radioresistance factor, which can be partly overridden by high-LET ion beams. This might be used to increase treatment effectiveness also in patients. The results of this project served as a starting point for several ongoing research projects

Longitudinal MRI study after carbon ion and photon irradiation: shorter latency time for myelopathy is not associated with differential morphological changes

Background!#!Radiation-induced myelopathy is a severe and irreversible complication that occurs after a long symptom-free latency time if the spinal cord was exposed to a significant irradiation dose during tumor treatment. As carbon ions are increasingly investigated for tumor treatment in clinical trials, their effect on normal tissue needs further investigation to assure safety of patient treatments. Magnetic resonance imaging (MRI)-visible morphological alterations could serve as predictive markers for medicinal interventions to avoid severe side effects. Thus, MRI-visible morphological alterations in the rat spinal cord after high dose photon and carbon ion irradiation and their latency times were investigated.!##!Methods!#!Rats whose spinal cords were irradiated with iso-effective high photon (n = 8) or carbon ion (n = 8) doses as well as sham-treated control animals (n = 6) underwent frequent MRI measurements until they developed radiation-induced myelopathy (paresis II). MR images were analyzed for morphological alterations and animals were regularly tested for neurological deficits. In addition, histological analysis was performed of animals suffering from paresis II compared to controls.!##!Results!#!For both beam modalities, first morphological alterations occurred outside the spinal cord (bone marrow conversion, contrast agent accumulation in the musculature ventral and dorsal to the spinal cord) followed by morphological alterations inside the spinal cord (edema, syrinx, contrast agent accumulation) and eventually neurological alterations (paresis I and II). Latency times were significantly shorter after carbon ions as compared to photon irradiation.!##!Conclusions!#!Irradiation of the rat spinal cord with photon or carbon ion doses that lead to 100% myelopathy induced a comparable fixed sequence of MRI-visible morphological alterations and neurological distortions. However, at least in the animal model used in this study, the observed MRI-visible morphological alterations in the spinal cord are not suited as predictive markers to identify animals that will develop myelopathy as the time between MRI-visible alterations and the occurrence of myelopathy is too short to intervene with protective or mitigative drugs