Neue Studie: DNA-Reparaturwege beeinflussen die Radiosensitivität gegenüber Protonen

Warum reagieren Tumorzellen unterschiedlich auf Protonen?

Die Protonentherapie ermöglicht aufgrund ihrer charakteristischen Dosisverteilung eine präzise Bestrahlung und kann dadurch gesundes Gewebe gezielt schonen. Welche biologischen Eigenschaften eines Tumors jedoch bestimmen, wie empfindlich dieser auf eine Protonenbestrahlung reagiert, ist bislang deutlich weniger gut verstanden.

Ein wesentlicher Ansatzpunkt ist die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen (DNA double-strand breaks, DSB). Diese gehören zu den wichtigsten durch ionisierende Strahlung verursachten Schäden. Werden sie nicht oder fehlerhaft repariert, können die betroffenen Zellen ihre Teilungsfähigkeit verlieren oder absterben.

Die Arbeitsgruppe untersuchte deshalb, welche DNA-Reparaturmechanismen an der Reaktion auf Protonen- und Photonenbestrahlung beteiligt sind und ob sich daraus Ansatzpunkte für eine gezielte Radiosensibilisierung ergeben.

Protonen aktivieren bestimmte DNA-Reparaturwege stärker

Für die Untersuchungen wurden verschiedene experimentelle Tumorzellmodelle eingesetzt. Mithilfe der CRISPR-Cas9-Technologie wurden unter anderem Zelllinien erzeugt, in denen zentrale Proteine der DNA-Schadensantwort und DNA-Reparatur wie ATM, PARP1 oder BRCA2 fehlten. Zusätzlich wurden diese Reparaturwege pharmakologisch mit Inhibitoren beeinflusst.

Die Reaktionen der Zellen auf Protonen- und Photonenbestrahlung wurden unter anderem anhand des klonogenen Überlebens, der Zellproliferation und der Apoptose untersucht. Ergänzend kamen spezifische Reporter-Systeme zur Analyse der DNA-Reparatur, zytogenetische Untersuchungen und Pulsfeld-Gelelektrophorese zum Einsatz.

Dabei zeigte sich, dass Protonen im Vergleich zu Photonen insbesondere resektionabhängige DNA-Reparaturwege stärker aktivieren. Dazu gehören vor allem:

• die homologe Rekombination (HR)
• das alternative End-Joining (alt-EJ)

Die verstärkte Aktivierung dieser Reparaturwege wurde durch Untersuchungen chromosomaler Veränderungen zusätzlich gestützt.

Defekte in DNA-Reparaturgenen machen Tumorzellen besonders empfindlich

Besonders relevant war die Beobachtung, dass Tumorzellen mit Defekten in BRCA2, ATM oder PARP1 eine deutlich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Protonenbestrahlung zeigten. Dabei wurde in den untersuchten Modellen eine erhöhte relative biologische Wirksamkeit (relative biological effectiveness, RBE) der Protonen beobachtet.

Damit weisen die Ergebnisse darauf hin, dass die molekularen Eigenschaften der DNA-Doppelstrangbruchreparatur die biologische Wirkung einer Protonenbestrahlung mitbestimmen können.

Die erhöhte Protonenempfindlichkeit zeigte sich nicht nur in den Zellkulturexperimenten. Die Ergebnisse wurden zusätzlich in einem Chorioallantoismembran-(CAM)-Modell untersucht, das einen stärker am In-vivo-Kontext orientierten experimentellen Ansatz ermöglicht. Auch in diesem Modell zeigten Reparatur-defiziente Tumorzellen eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Protonen.

Protonentherapie gezielt mit DNA-Reparaturhemmern kombinieren?

Ein weiterer wichtiger Befund der Studie betrifft die Kombination von Protonenbestrahlung mit Medikamenten, die DNA-Reparaturwege hemmen.

Die Kombination von Protonen mit Olaparib, einem PARP-Inhibitor, sowie mit den ATM-Inhibitoren AZD1390 oder KU55933 verstärkte die Abtötung von Tumorzellen. Dieser Effekt wurde auch in Zellmodellen beobachtet, deren DNA-Reparatur grundsätzlich intakt war.

In den untersuchten Modellen war die verstärkte Wirkung der Kombinationen bei Protonenbestrahlung ausgeprägter als bei Photonenbestrahlung. Für die untersuchten Kombinationen wurde dabei eine Synergie mit Protonen, nicht jedoch mit Photonen, beobachtet.

Was bedeuten die Ergebnisse für die personalisierte Protonentherapie?

Die Studie liefert einen experimentellen Hinweis darauf, dass die biologische Wirkung von Protonen nicht allein von der physikalisch applizierten Dosis abhängt. Vielmehr können molekulare Eigenschaften des Tumors, insbesondere Veränderungen in DNA-Reparaturwegen, beeinflussen, wie empfindlich Tumorzellen auf Protonenbestrahlung reagieren.

Perspektivisch könnte daher die molekulare Charakterisierung von Tumoren dazu beitragen, Patientengruppen zu identifizieren, die aufgrund bestimmter DNA-Reparaturdefekte besonders empfindlich auf Protonen reagieren. Ebenso könnte die gezielte Kombination von Protonenbestrahlung mit DNA-Reparaturhemmern ein Ansatz sein, um die Tumorwirkung weiter zu verstärken.

Diese Ansätze befinden sich jedoch noch im präklinischen Forschungsstadium. Die vorliegenden Ergebnisse erlauben keine Aussage darüber, ob solche Kombinationen bei Patientinnen und Patienten sicher und wirksam sind. Dafür sind weitere präklinische Untersuchungen und insbesondere klinische Studien erforderlich.

Fazit

Die Studie zeigt präklinisch, dass die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen ein wichtiger biologischer Faktor für die Protonenempfindlichkeit von Tumorzellen ist. Defekte in BRCA2, ATM oder PARP1 sowie die pharmakologische Hemmung entsprechender Reparaturwege können in den untersuchten Modellen die Wirkung von Protonen verstärken.

Damit liefert die Arbeit einen experimentellen Ansatz für eine künftig stärker molekular stratifizierte und personalisierte Protonentherapie.

Ausblick: Protonentherapie und Tumorbiologie zusammen denken

Die Ergebnisse unterstützen das Konzept einer biologiegeleiteten Protonentherapie: Neben der präzisen physikalischen Dosisverteilung könnte künftig auch die molekulare Charakteristik eines Tumors bei der Auswahl und Gestaltung einer Protonentherapie berücksichtigt werden.

Insbesondere die DNA-Reparatur könnte dabei als Bindeglied zwischen Tumorgenetik, Strahlenbiologie und Protonentherapie dienen. Die Identifikation von DNA-Reparaturdefekten und die gezielte Untersuchung von Reparaturinhibitoren könnten langfristig neue Möglichkeiten für eine stärker individualisierte Protonentherapie eröffnen.