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Application of ionizing radiation in cancer treatment
an evaluation of different methods and in vitro models
Julia Martina Raitanen
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Chemie)
Betreuer*innen
Markus Mitterhauser ,
Thomas Mindt
DOI
10.25365/thesis.75739
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12370.20078.478450-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Auf dem Gebiet der Nuklearmedizin spielt die Entwicklung neuer therapeutischer Radiopharmaka gegen Krebs eine wichtige Rolle. Nach der chemischen Synthese müssen zunächst in-vitro Studien durchgeführt werden. Erst nach erfolgreicher Evaluierung können in-vivo Tierstudien folgen. In der Phase der in-vitro Studien werden verschiedene Bindungsstudien und radiobiologische Tests durchgeführt. Trotz der eingeschränkten Vergleichbarkeit mit in-vivo Tumoren wurden diese jedoch bisher meist an zweidimensionalen (2D) Zellkulturen durchgeführt. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Reihe strahlenbiologischer Tests für die Evaluierung neuer therapeutischer Radiopharmaka für die Krebstherapie zu etablieren, sowie die Verwendbarkeit der in-vivo Tumor ähnlicheren dreidimensionalen (3D) Zellkultur in diesem Zusammenhang zu bewerten. In zwei der vorgestellten Publikationen wurden die Unterschiede in der radiobiologischen Wirkung beschrieben, die zwischen Einzellschichtkultur (2D) und multizellulären Tumorsphäroiden (3D) verschiedener Krebszelllinien nach einer Behandlung entweder mit externer Strahlenbestrahlung oder gezielter Radioligandentherapie mit [177Lu]Lu-PSMA-I&T beobachtet wurden. Bei der externen Bestrahlung wurden Unterschiede in der Strahlenempfindlichkeit zwischen den verschiedenen Zelllinien festgestellt, wobei sich die Sphäroide im Vergleich zu den Einzellschichtkultur als strahlenresistenter erwiesen. Letzteres war besonders bei der Zelllinie PC-3 (Knochenmetastase des menschlichen Prostatakrebs) zu beobachten, bei welcher die Sphäroide bis zu 8 Gy strahlenresistent waren, während der Anteil der überlebenden Zellen in der Einzellschichtkultur nach 8 Gy Bestrahlung nur etwa 10 % betrug. Die gezielte Radioligandentherapie mit [177Lu]Lu-PSMA-I&T zeigte in beiden Modellen (2D und 3D) Spezifität für die Target-exprimierende Zelllinie LNCaP (Lymphknotenmetastase des menschlichen Prostatakrebs), aber einen höheren Behandlungseffekt in Sphäroiden im Vergleich zu Einzellschichtkultur. Letzteres lässt sich jedoch anhand einer Dosimetriesimulation unter Verwendung der Monte-Carlo-Methode erklären, die eine höhere absorbierte Dosis in den Sphäroiden im Vergleich zu der Einzellschichtkultur ergab. Darüber hinaus wurde externe Bestrahlung zur Charakterisierung von Verunreinigungen bei der Hochskalierung der Produktion von [177Lu]Lu-PSMA-I&T eingesetzt. Die externe Bestrahlung, gefolgt von einer HPLC-MS-Analyse, führte zu der Schlussfolgerung, dass bei höheren Mengen an Radioaktivität die Radiolyse des Radiopharmakons zu einem deiodierten Produkt führt. Anschließend wurde die Produktionsmethode optimiert. Zusätzlich wurde die Verwendbarkeit von Sphäroiden in einem etablierten Modell des befruchteten Hühnereies untersucht. Obwohl verschiedene Größen von Sphäroiden verwendet wurden, waren die resultierenden Xenotransplantate zu klein, um sinnvoll weiterverarbeitet werden zu können. Fortschritte auf dem Gebiet der 3D-Zellkultur könnten jedoch in Zukunft zu besseren Ergebnissen führen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit Unterschiede zwischen 2D- und 3D-Zellkultursystemen für die Entwicklung von Radiopharmazeutika belegt und die Verwendbarkeit von Sphäroiden nachweist. Die daraus resultierenden Unterschiede in der Versuchsplanung und der Interpretation der Ergebnisse sind bei der Anwendung von externer Bestrahlung oder gezielter Radioligandentherapie zu berücksichtigen.
Abstract
(Englisch)
In the field of nuclear medicine, the development of new therapeutic radiopharmaceuticals against cancer plays an important role. After chemical synthesis, firstly in vitro studies need to be conducted. Only after successful evaluation, in vivo animal studies can follow. In the phase of in vitro studies, different binding studies and radiobiological assays are performed. Despite the limited comparability with in vivo tumors, they have so far mostly been performed using two-dimensional (2D) cell culture. The aim of this thesis is to establish a set of radiobiological assays for the in-house evaluation of new therapeutic radiopharmaceuticals for cancer treatment and to assess the usability of the more in vivo tumor resembling three-dimensional (3D) cell culture in this context. In two of the presented publications, we described the differences in radiobiological response observed between monolayers (2D) and multicellular tumor spheroids (3D) of different cancer cell lines, after treatment with either external beam radiation (EBR) or targeted radioligand therapy (TRT) with [177Lu]Lu-PSMA-I&T. Regarding external beam, differences in radiosensitivity between the different cell lines were observed, and spheroids showed to be more radioresistant, compared to the monolayers. The latter was particularly noticeable in the PC-3 (bone metastasis of human prostate cancer) cell line, where spheroids were radioresistant up to 8 Gy, while the surviving fraction in monolayers, after 8 Gy irradiation, was only about 10%. TRT with [177Lu]Lu-PSMA-I&T showed specificity for the target expressing cell line LNCaP (lymph node metastasis of human prostate cancer) in both models (2D & 3D), but higher treatment effect in spheroids, compared to monolayers. However, the latter can be explained by dosimetry simulation using the Monte Carlo method, showing higher absorbed dose in the spheroids compared to the monolayer. Moreover, external beam radiation was used as a tool for the characterization of impurities during the upscaling of [177Lu]Lu-PSMA-I&T production. EBR, followed by HPLC-MS analysis, lead to the conclusion that during the upscaled production, radiolysis generated the deiodinated product. Hence, the production method was optimized. Lastly, the usability of spheroids in combination with the in ovo model was investigated. Although different sizes of spheroids were applied, the resulting xenografts were too small in size to enable sufficient further processing. Nevertheless, progress in the field of 3D cell culture may lead to better results in the future. In summary, this thesis provides insights into the differences between 2D and 3D cell culture systems in radiopharmaceutical development, demonstrates the usability of spheroids and highlights the differences in experimental design and result interpretations that are necessary when using external irradiation or targeted radionuclide therapy.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nuklearmedizin Krebsbehandlung In-vitro-Modelle Sphäroide
Schlagwörter
(Englisch)
nuclear medicine cancer treatment in vitro models spheroids
Autor*innen
Julia Martina Raitanen
Haupttitel (Englisch)
Application of ionizing radiation in cancer treatment
Hauptuntertitel (Englisch)
an evaluation of different methods and in vitro models
Paralleltitel (Deutsch)
Anwendung ionisierender Strahlung in der Krebsbehandlung
Paralleluntertitel (Deutsch)
eine Bewertung verschiedener Methoden und In-vitro-Modelle
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
vi, 105 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Filipa Mendes ,
Samantha Terry
Klassifikationen
35 Chemie > 35.15 Radiochemie ,
42 Biologie > 42.14 Strahlenbiologie
AC Nummer
AC17177950
Utheses ID
70541
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |