Sarah Schumann

• In der Nuklearmedizin werden radioaktive Substanzen eingesetzt, um zu therapeutischen Zwecken gezielt bösartiges Gewebe zu zerstören oder in diagnostischen Anwendungen Stoffwechselvorgänge bildlich darzustellen. Die ionisierende Strahlung der eingesetzten Radionuklide kann jedoch auch DNA-Schäden in gesunden Zellen verursachen. DNA-Doppelstrangbrüche gehören dabei zu den kritischsten Läsionen, da sie schwer zu reparieren sind und eine fehlerhafte Reparatur zu Mutationen oder zum Zelltod führen kann. Während Radionuklidtherapien ist daher inIn der Nuklearmedizin werden radioaktive Substanzen eingesetzt, um zu therapeutischen Zwecken gezielt bösartiges Gewebe zu zerstören oder in diagnostischen Anwendungen Stoffwechselvorgänge bildlich darzustellen. Die ionisierende Strahlung der eingesetzten Radionuklide kann jedoch auch DNA-Schäden in gesunden Zellen verursachen. DNA-Doppelstrangbrüche gehören dabei zu den kritischsten Läsionen, da sie schwer zu reparieren sind und eine fehlerhafte Reparatur zu Mutationen oder zum Zelltod führen kann. Während Radionuklidtherapien ist daher in Risikoorganen darauf zu achten, dass die deponierte Energie pro Masse, die Energiedosis, bestimmte Werte nicht überschreitet. Zu diesen Risikoorganen gehört auch das blutbildende System. Da eine Abschätzung der Energiedosis im Knochenmark häufig über die Bestimmung der Energiedosis im Blut als Surrogat erfolgt, ist deren Kenntnis von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wurden daher Berechnungen der Energiedosis im Blut nach interner Bestrahlung durchgeführt und die Ergebnisse mit der Anzahl an strahlungsinduzierten DNA-Doppelstrangbrüchen in PBMCs korreliert. Zur Quantifizierung der DNA-Schäden wurden die Biomarker \(\gamma\)-H2AX und 53BP1 verwendet, die nach Entstehung eines Doppelstrangbruchs um diesen akkumulieren und sich durch Immunfluoreszenzfärbung als mikroskopische Foci sichtbar machen und quantifizieren lassen. Dadurch ermöglicht der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assay einen quantitativen Nachweis strahlungsinduzierter Doppelstrangbrüche. Somit konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Kenntnisse über die Dosisabhängigkeit von DNA-Schäden in PBMCs während interner Bestrahlung mit unterschiedlichen Radionukliden sowohl ex vivo als auch in vivo gewonnen werden. Ex-vivo-Untersuchungen haben den Vorteil, dass sie unter gleichbleibenden, gut definierten Bedingungen durchgeführt werden können und somit eine Analyse der Induktion von Doppelstrangbrüchen bei festgelegten Energiedosen und einer konstanten Bestrahlungsdauer erlauben. In dieser Arbeit wurden Blutproben von gesunden Versuchspersonen durch Zugabe von Radionukliden in bestimmten Aktivitätskonzentrationen eine Stunde lang intern bestrahlt. Für die Bestrahlung wurden die \(\alpha\)-Emitter \(^{223}\)Ra und \(^{224}\)Ra, die \(\beta\)\(^{-}\)-Emitter \(^{177}\)Lu und \(^{90}\)Y, der \(\beta\)\(^{+}\)-Emitter \(^{68}\)Ga und der \(\gamma\)-Emitter \(^{99m}\)Tc verwendet. Der untersuchte Energiedosisbereich lag zwischen 5 mGy und 136 mGy. Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern wurde beobachtet, dass die Anzahl der strahlungsinduzierten \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci (RIF) in den PBMCs linear mit der Energiedosis im Blut ansteigt. Zudem zeigte sich, dass die Induktion der RIF unabhängig vom verwendeten Radionuklid und unabhängig von der Versuchsperson ist. Nach der Bestrahlung von Blutproben mit \(\alpha\)-Emittern waren zusätzlich zu den nach Expositionen mit \(\beta\)- beziehungsweise \(\gamma\)-Emittern beobachteten kleinen, runden Foci auch \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltende Spuren \(\alpha\)-Spuren) in den Zellkernen erkennbar, welche die Trajektorien der emittierten \(\alpha\)-Teilchen darstellten. Es konnte gezeigt werden, dass die Anzahl dieser \(\alpha\)-Spuren linear mit der Energiedosis im Blut zunimmt und damit ein geeigneter Parameter für die Biodosimetrie nach Expositionen mit \(\alpha\)-emittierenden Radionukliden ist. Auch in vivo wurde die Dosisabhängigkeit der DNA-Doppelstrangbrüche während der internen Bestrahlung durch Radionuklide mit unterschiedlichen Emissionseigenschaften untersucht. Aufgrund der neuen, vielversprechenden Entwicklungen von Radiopharmaka zur Therapie und Diagnostik des Prostatakarzinoms in den letzten Jahren wurden dafür Blutproben von Prostatakarzinom-Patienten während Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T, während PET/CT-Diagnostik mit [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T und während Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) untersucht. Während Therapie mit [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T zeigte sich, dass die Anzahl der RIF in den ersten Stunden nach Therapiebeginn durch eine lineare Anpassungskurve angenähert werden kann, die mit der Energiedosis im Blut ansteigt, gefolgt von einem Rückgang der RIF zu späteren Zeitpunkten, der durch die DNA-Reparatur erklärt werden kann. Die gesamte Energiedosis im Blut lag im Mittel bei (109 \(\pm\) 28) mGy. Der linear dosisabhängige Anstieg der RIF zu Therapiebeginn gleicht der dosisabhängigen Induktion der RIF ex vivo nach Bestrahlung mit \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden und kann gut mit der entsprechenden Ex-vivo-Kalibrierkurve beschrieben werden. Zu späteren Zeitpunkten (48 h und 96 h nach Verabreichung) konnte in dieser Arbeit eine lineare Korrelation zwischen der Anzahl der noch verbleibenden RIF und der Dosisleistung nachgewiesen werden. Eine signifikante Korrelation der Anzahl der RIF 96 h nach Verabreichung mit dem PSA-Wert deutet zudem darauf hin, dass ein Zusammenhang mit klinischen Parametern besteht. Ein signifikanter Anstieg der \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Foci konnte auch nach Verabreichung von [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T für diagnostische PET/CT-Untersuchungen beobachtet werden, obwohl die Energiedosen im Blut bis zum PET/CT-Scan nur < 3 mGy betrugen. Im Vergleich zur Ex-vivo-Kalibrierkurve war die Steigung der linearen Anpassungskurve in vivo im Bereich < 3 mGy in dieser Studie etwa um ein Zehnfaches höher, was auf eine mögliche Hypersensitivität im Niedrigdosisbereich hindeuten könnte. Der Beitrag der CT zur Energiedosis im Blut konnte durch Ex-vivo-Experimente auf etwa 12 mGy abgeschätzt werden. Auch während Therapie mit [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) lagen die berechneten Energiedosen im Blut im Niedrigdosisbereich < 17 mGy. Trotzdem konnten in dieser Studie erstmalig \(\alpha\)-Spuren in vivo nach der Verabreichung eines \(\alpha\)-emittierenden Radionuklids quantifiziert werden, deren Anzahl 3 h und 4 h nach Verabreichung des Radiopharmakons signifikant erhöht war. Auch zu späten Zeitpunkten, bis vier Wochen nach Therapiebeginn, waren noch \(\alpha\)-Spuren nachweisbar, was auf eine unvollständige Reparatur der komplexen, durch die \(\alpha\)-Teilchen induzierten DNA-Schäden hinweisen könnte. Leider erlaubte die geringe Anzahl an Patienten und Datenpunkten keine zuverlässigen Korrelationen mit der Energiedosis oder mit klinischen Parametern. Nachdem in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, dass DNA-Schäden nach interner Bestrahlung mit \(\alpha\)-, \(\beta\)- und \(\gamma\)-emittierenden Radionukliden mit Hilfe des \(\gamma\)-H2AX+53BP1-Assays zuverlässig nachgewiesen und anhand der Schadensgeometrie unterschieden werden können, wäre es in Zukunft interessant, DNA-Schäden auch nach Bestrahlung mit Radionuklidgemischen zu untersuchen. Dies könnte sowohl im Hinblick auf den Nachweis von Inkorporationen bei Strahlenunfällen hilfreich sein als auch zu einem besseren Verständnis der Effekte bei Behandlungen mit Radionuklidgemischen beitragen, welche vielversprechende Möglichkeiten für nuklearmedizinische Therapien bieten. Zudem zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass insbesondere im für die Diagnostik relevanten Bereich sehr niedriger Energiedosen < 10 mGy weiterer Forschungsbedarf besteht. Durch die Untersuchung der dosisabhängigen Reparatur der durch interne Bestrahlung induzierten DNA-Schäden könnte beispielsweise analysiert werden, ob die Reparaturfähigkeit im Niedrigdosisbereich eingeschränkt ist. Außerdem wäre es gerade im Bereich niedriger Dosen von Interesse, zu untersuchen, inwiefern Beobachtungen ex vivo das Verhalten in vivo geeignet repräsentieren. Um die erhöhten statistischen Unsicherheiten im Niedrigdosisbereich zu reduzieren, könnten zukünftig Verbesserungen auf dem Gebiet der automatisierten Auswertung der \(\gamma\)-H2AX+53BP1 enthaltenden Foci und Spuren hilfreich sein. Weitere Ziele zukünftiger Forschungsvorhaben könnten gezielte Untersuchungen zu Korrelationen zwischen der dosisabhängigen Induktion und Reparatur von DNA-Schäden und klinischen Parametern sowie die Analyse von DNA-Schäden während mehrerer Therapiezyklen darstellen. In Zusammenhang mit der Analyse klinischer Parameter wäre es denkbar, dass biodosimetrische Auswertungen zukünftig auch zur personalisierten Therapieplanung oder auch zur Vorhersage des Therapieerfolgs dienen und somit langfristig zu einer Optimierung nuklearmedizinischer Therapien beitragen könnten.…
• In nuclear medicine, radioactive substances are applied for therapeutic purposes to destroy malignant tissue, or in diagnostic applications to visualize metabolic processes. However, the ionizing radiation of the applied radionuclides can also cause DNA damage in healthy cells. Among these, DNA double-strand breaks belong to the most critical lesions because they are difficult to repair and misrepair can lead to mutations or cell death. Therefore, during radionuclide therapies, it is of great importance to ensure that the deposited energy perIn nuclear medicine, radioactive substances are applied for therapeutic purposes to destroy malignant tissue, or in diagnostic applications to visualize metabolic processes. However, the ionizing radiation of the applied radionuclides can also cause DNA damage in healthy cells. Among these, DNA double-strand breaks belong to the most critical lesions because they are difficult to repair and misrepair can lead to mutations or cell death. Therefore, during radionuclide therapies, it is of great importance to ensure that the deposited energy per mass, the absorbed dose, does not exceed certain values in organs at risk. One of these organs at risk is the hematopoietic system. As the absorbed dose to the bone marrow is often estimated by determining the absorbed dose to the blood as a surrogate, knowledge of the latter is of particular interest. Therefore, in this thesis, calculations of the absorbed dose to the blood after internal irradiation were performed and the results were correlated with the number of radiation-induced DNA double-strand breaks in PBMCs. To quantify DNA damage, the biomarkers \(\gamma\)-H2AX and 53BP1 were used, which accumulate around a double-strand break after its formation and which can be visualized and quantified as microscopic foci by immunofluorescence staining. Consequently, the \(\gamma\)-H2AX+53BP1 assay allows a quantitative detection of radiation-induced double-strand breaks. Thus, by combining absorbed dose calculations with a quantitative analysis of DNA damage in PBMCs during internal irradiation with various radionuclides both ex vivo and in vivo, new knowledge was gained in the context of this work. Ex-vivo examinations have the advantage that they can be carried out under constant, well-defined conditions and thus allow an analysis of the induction of double-strand breaks at preset absorbed doses and a constant irradiation duration. In this work, blood samples from healthy test persons were internally irradiated for one hour by adding radionuclides at defined activity concentrations. For the irradiation, the \(\alpha\)-emitters \(^{223}\)Ra and \(^{224}\)Ra, the \(\beta\)\(^{-}\)-emitters \(^{177}\)Lu and \(^{90}\)Y, the \(\beta\)\(^{+}\)-emitter \(^{68}\)Ga and the \(\gamma\)-emitter \(^{99m}\)Tc were used. The absorbed dose ranged from 5 mGy to 136 mGy. After irradiating blood samples with \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitters, it was observed that the number of radiation-induced \(\gamma\)-H2AX+53BP1 foci (RIF) in the PBMCs increases linearly with the absorbed dose to the blood. Furthermore, it was shown that the induction of RIF is independent of the radionuclide applied and the test person. After irradiating blood samples with \(\alpha\)-emitters, in addition to the small round foci observed after exposure to \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitters, \(\gamma\)-H2AX+53BP1 containing tracks (\(\alpha\)-tracks) were visible in the nuclei, which represented the trajectories of the emitted \(\alpha\)-particles. It was shown that the number of these \(\alpha\)-tracks increases linearly with the absorbed dose to the blood and is, therefore, a suitable parameter for biodosimetry after exposure to \(\alpha\)-emitting radionuclides. The absorbed dose dependence of DNA double-strand breaks during internal irradiation with radionuclides with different emission properties was also investigated in vivo. Due to the promising new developments of radiopharmaceuticals for therapy and diagnostics of prostate cancer in recent years, blood samples from prostate cancer patients were examined during therapy with [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T, during PET/CT diagnostics with [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T and during therapy with [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\). During therapy with [\(^{177}\)Lu]Lu-PSMA I&T, it was shown that the number of RIF in the first hours after therapy start can be approximated by a linear fitting curve, which increases with the absorbed dose to the blood, followed by a decrease in RIF at later time points, which can be explained by DNA repair. The total absorbed dose to the blood was (109 \(\pm\) 28) mGy on average. The linear absorbed dose-dependent increase in RIF at the beginning of therapy is similar to the absorbed dose-dependent induction of RIF ex vivo after irradiation with \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitting radionuclides and can be well described with the corresponding ex-vivo calibration curve. At later time points (48 h and 96 h after administration), a linear correlation between the number of remaining RIF and the dose rate was demonstrated in this work. A significant correlation of the number of RIF 96 h after administration with PSA levels also suggests a link to clinical parameters. A significant increase in \(\gamma\)-H2AX+53BP1 foci was also observed after administration of [\(^{68}\)Ga]Ga-PSMA I&T for diagnostic PET/CT examinations, despite the fact that absorbed doses to the blood were only < 3 mGy by the time of the PET/CT scan. Compared to the ex-vivo calibration curve, the slope of the linear in-vivo fitting curve in the range < 3 mGy in this study was approximately ten times higher, which may indicate a possible hypersensitivity in the low dose range. The contribution of the CT to the absorbed dose to the blood was estimated at approximately 12 mGy by ex-vivo experiments. During therapy with [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\), the calculated absorbed doses to the blood were also in the low dose range < 17 mGy. Nevertheless, this study was the first to quantify \(\alpha\)-tracks in vivo after the administration of an \(\alpha\)-emitting radionuclide, with a significantly increased number of \(\alpha\)-tracks 3 h and 4 h after administration of the radiopharmaceutical. Even at late time points, up to four weeks after therapy start, \(\alpha\)-tracks were still detectable, which could indicate incomplete repair of the complex DNA damage induced by \(\alpha\)-particles. Unfortunately, the small number of patients and data points did not allow reliable correlations with the absorbed dose or clinical parameters. In this thesis, it was shown that DNA damage after internal irradiation with \(\alpha\)-, \(\beta\)- and \(\gamma\)-emitting radionuclides can be reliably detected by applying the \(\gamma\)-H2AX+53BP1 assay and distinguished by damage geometry. For future work, it would be of interest to additionally investigate DNA damage after irradiation with mixtures of radionuclides. This could be helpful for the detection of incorporations after radiation accidents, and could also contribute to a better understanding of the effects of therapeutic applications of radionuclide mixtures, which offer promising opportunities for nuclear medicine therapies. Furthermore, the results of this work show that there is need for further research, especially in the very low dose range < 10 mGy, which is relevant for diagnostics. By investigating the absorbed dose-dependent repair of DNA damage induced by internal irradiation, for example, it could be analyzed whether the repair capability is limited in the low dose range. Particularly in the range of low doses, it would also be of interest to investigate to what extent observations ex vivo adequately represent the behavior in vivo. In order to reduce the increased statistical uncertainties in the low dose range, future improvements in the field of automated evaluation of \(\gamma\)-H2AX+53BP1 containing foci and tracks could be helpful. Further objectives of future research projects could be investigations focussing on correlations between the absorbed dose-dependent induction and repair of DNA damage and clinical parameters as well as an analysis of DNA damage over several therapy cycles. In the context of the analysis of clinical parameters, it is conceivable that biodosimetric assessments could enhance personalized treatment planning or the prediction of therapy success, thus contributing, in the long-term, to an optimization of nuclear medicine therapies.…