Untersuchung der zellulären Antwort von Tumor und Endothelium auf radioaktive Bestrahlung in vitro und in vivo

Tumore des Kopf-Hals Bereiches sprechen aufgrund schneller Resistenzbildung häufig schlecht auf die derzeit praktizierten Bestrahlungstherapien an. Der Erfolg dieser Behandlung wird dabei maßgeblich durch die Strahlenresistenz des malignen Gewebes limitiert. Das Verständnis der zugrunde liegenden zellulären und molekularen Mechanismen ist diesbezüglich unvollständig. Die Resistenzzunahme während der klinischen Behandlung könnte durch die Selektion strahlenresistenter Einzelzellen verursacht werden oder durch die Aktivierung von Resistenzmechanismen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bestrahlungsvermittelte Freisetzung möglicherweise protektiv wirkender Faktoren durch Tumorzelllinien des Kopf-Hals Bereiches untersucht. Durch Bestrahlung erfolgte eine Induktion von VEGF (vascular endothelial growth factor) und FGF-2 (fibroblast growth factor 2), IL-8 (Interleukin-8) und PGE2 (Prostaglandin E2). Die Untersuchung von VEGF und FGF-2 zeigte weiterhin ein zytoprotektives Potential dieser Faktoren, d.h. die T

Einfluss einer Schwerionenbestrahlung auf das Migrationsverhalten von Tumorzellen

Die Bildung von Metastasen und Rezidiven stellt ein großes Problem für eine erfolgreiche Therapie solider maligner Tumoren dar. Dabei ist die Rolle der angewendeten Therapiever-fahren in der Induktion metastasierender Zellen vor allem für eine Schwerionentherapie noch weitestgehend unklar. Die für die Metastasierung entscheidende Tumorzellmigration wurde daher unter dem Einfluss von Röntgen- und Schwerionenstrahlung untersuchen. Dazu wurden drei humane Tumorzelllinien (Gliomzelllinie U87 und kolorektale Zelllinien HCT116 und HCT116 p21-/-) unter standardisierten Bedingungen in einer Boydenkammer direkt und 24 Stunden nach Bestrahlung in vitro auf ihr Migrationsverhalten untersucht. Um mögliche Än-derungen migrationsrelevanter Proteine zu bestimmen, wurden zu denselben Zeitpunkten Zelllysate hergestellt und die Expression der Integrine b1 und b3 sowie der Proteinkinase B Isoformen Akt1 und Akt2 und deren Phosphorylierung untersucht. Gezeigt werden konnten sowohl zelllinien- als auch strahlenspezifische Unterschiede in der Migration und der Proteinexpressionen. Dabei konnten die beobachteten Migrationsänderungen nur zum Teil (vor allem nach Röntgenbestrahlung) durch die veränderte Expressionen der untersuchten Proteine erklärt werden. Daher ist zu vermuten, dass den strahleninduzierten Veränderungen der Migration der verwendeten Zelllinien verschiedene Mechanis-men zugrunde liegen, die auf der Expression unterschiedlicher Proteine beruhen. Bestrahlungen mit 12C-Ionen scheinen prinzipiell andere Expressionsmuster zu induzieren als konventionelle Strahlung und die hier untersuchten Proteine in der Migration der Zellen daher nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Auffällig waren die deutlich zelllinienspezifischen Unterschiede in der Migration nach Röntgenbestrahlung. Dort wurde ein zum Teil erhöhtes Migrationspotential nach klinisch relevanten Bestrahlungsdosen von U87 Gliomzellen festgestellt. Die Migrationsaktivität von kolorektalen Zelllinien hingegen nahm nach Bestrahlung ab. Nach Schwerionenbestrahlung wurden für alle Zelllinien signifikante Abnahmen der Migration festgestellt. Die hier erhaltenen Ergebnisse können aufgrund einer Vielzahl pro- und antimigratorischer Signale im Tumorgewebe nicht direkt in die in vivo Situation übertragen werden, doch können sie durchaus als Hinweise für die Abschätzung eines veränderten Metastasierungsrisikos dienen. Für kolorektale Zellen, unabhängig von ihrem p21-Status scheint eine Behandlung mit Röntgenstrahlen eher nicht mit einem erhöhten Migrationsrisiko einherzugehen. Anders ist dies bei den hier untersuchten Gliomzellen U87. Hier kann ein strahleninduziertes Metastasierungsrisiko aufgrund der erzielten Ergebnisse keinesfalls ausgeschlossen werden. Aus dieser Sicht scheint eine Behandlung von Gliomen mit 12C-Ionen vorteilhafter, da eine sehr gute reproduzierbare strahlenvermittelte Migrationshemmung beobachtet wurde.

Das Phosphoproteom von Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereichs nach Bestrahlung und Applikation des Cyclooxygenase-Inhibitors Flurbiprofen

Ziel: Die Radiotherapie hat in der Behandlung von Plattenepithelkarzinomen des Kopf- und Halsbereichs nach wie vor einen hohen Stellenwert. Der Erfolg eines Therapieregimes, das die Behandlung mit ionisierenden Strahlen einschließt, ist jedoch häufig limitiert durch die Entwicklung radioresistenter Tumorzellpopulationen, die nicht selten durch die Bestrahlung selbst induziert wird. Die Mechanismen, die zu einer solchen bestrahlungsinduzierten Radioresistenz führen sind bisher nur unvollständig verstanden und Methoden, durch die die Entwicklung von Radioresistenz verhindert werden könnte, wie beispielsweise der präventive Einsatz von Pharmazeutika, sind bislang nicht systematisch untersucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu überprüfen, ob der Cyclooxygenase-Inhibitor Flurbiprofen durch Bestrahlung induzierte Veränderungen der Phosphoprotein-Expression verstärken oder abschwächen kann und ob sich aus solchen Modifikationen des Bestrahlungsergebnisses ein radioprotektiver Effekt der Flurbiprofenapplikation ableiten lässt. Methoden: Es wurde ein experimenteller Ansatz gewählt, der mittels 2D PAGE und anschließender MALDI-TOF Massenspektrometrie das Phosphoproteom einer HNSCC-Zelllinie unter verschiedenen Bedingungen untersuchte. Die Zellen wurden entweder mit einer Energiedosis von 8 Gy bestrahlt, mit einer 200 μM Flurbiprofen enthaltenden Lösung inkubiert oder sie wurden mit einer Kombination aus Flurbiprofenapplikation und Bestrahlung behandelt. Vor der 2D PAGE wurden die Phosphoproteine durch IMAC angereichert. Zur Verbesserung der Gel-Analytik wurde die Software Delta 2D angewendet, die zum Ausgleich von Laufweitenunterschieden zwischen den Gelen ein Warping vorsieht. Ergebnisse und Diskussion: Bei der Analyse, der unter den verschiedenen experimentellen Bedingungen differentiell exprimierten Phosphoproteinen mittels bioinformatischer Hilfsprogramme wie z.B. WEBGestalt und STRING, wurden sieben Proteine mit Bedeutung für das Wachstum und die Entdifferenzierung von Tumoren identifiziert und einer ausführlichen Literaturrecherche unterzogen. Auf diese Weise konnten die Ergebnisse der für die vorliegende Arbeit durchgeführten Experimente in den systembiologischen Kontext eingeordnet werden. Besonders hervorzuheben ist die Herabregulierung der möglicherweise Radioresistenz vermittelnden Proteine GRP-75, 14-3-3 sigma und CRT sowie die Herabregulierung des anti-apoptotischen und tumor-begünstigenden Hsp60 durch Flurbiprofen. Die Verminderung der Expression unterstreicht das Potential dieses Pharmakons sowie der Klasse der COX-Inhibitoren als mögliche radiosensitivierende und tumorsuppressive Substanzen.

Wechselwirkungen von Schwerionenstrahlung, Migration und EGFR-Signalwegen in Glioblastomzelllinien

Die Bildung von lokalen Rezidiven wird bei Glioblastomen vor allem durch das stark infiltrierende Wachstum gefördert. Die Rolle der angewendeten Therapieverfahren bei der Induktion der Zellmotilität ist noch weitgehend unklar. Im Rahmen dieser Dissertation wurde daher in vitro die Wirkung der Photonen- und Schwerionenstrahlung auf die Migration von humanen Glioblastomzelllinien sowie auf EGFR-gekoppelte, migrationsregulierende Signalmoleküle untersucht. Gezeigt werden konnte, dass die EGF-induzierte Stimulierung des EGFR über den PI3K und MAPK Signalweg an der Regulation der Zellmigration beteiligt ist. Hinsichtlich des Verhaltens nach Bestrahlung wurden Zelllinien- und Strahlen-spezifische Unterschiede beobachtet. Die Photonenstrahlung führte in U87 Zellen zu einer Aktivierung des EGFR sowie zur Steigerung der Migration nach klinisch relevanten Dosen. Versuche mit einem EGFR spezifischen Inhibitor bestätigten die funktionelle Verknüpfung von Strahlen-induzierter Aktivierung des EGFR und Strahlen-induzierter Migrationssteigerung. Demgegenüber wurden nach Bestrahlung mit Kohlenstoffionen eine Hemmung der Zellmigration sowie keine gesteigerte Aktivität des EGFR festgestellt. Die erhaltenen in vitro Ergebnisse geben Hinweise auf ein in Glioblastomen mögliches erhöhtes Risiko einer Rezidivbildung nach einer konventionellen Radiotherapie mit Photonen. Bei der modernen Schwerionentherapie kann dieses Risiko aufgrund der Strahlen-vermittelten Migrationshemmung weitestgehend ausgeschlossen werden. Sollte sich die Strahlen-induzierte Migrationssteigerung in vivo bestätigen, wäre es sinnvoll den Einsatz von Migrationsinhibitoren als Begleittherapie zur Bestrahlung zu testen.

Strahlungsinduzierte Mukositis als Risiko der Raumfahrt : Modelluntersuchungen an Röntgen- und Schwerionen-bestrahlten organotypischen Mundschleimhaut-Modellen

Während ausgedehnter Weltraumflüge zum Mond und Mars wäre die Besatzung eines Raumschiffs dicht ionisierender Schwerionenstrahlung, der sogenannten kosmischen Strahlung, ausgesetzt. Da bei vielen Krebspatienten die orale Mukositis als eine gravierende Nebenwirkung bei der herkömmlichen Strahlentherapie auftritt, könnte diese Erkrankung ein medizinisches Problem während ausgedehnter Weltraumflüge darstellen. Allerdings liegen bislang keine Untersuchungen über eine mögliche Mukositis-induzierte Wirkung von Schwerionenstrahlung vor. Um das Risiko strahlungsinduzierter oraler Mukositis durch kosmische Strahlung abzuschätzen, wurden dreidimensionale organotypische Mundschleimhaut-Modelle 12C Schwerionen- bzw. Röntgenstrahlung ausgesetzt und nach definierten Inkubationszeiten kryokonserviert. Aus dem Material wurden Kryoschnitte gefertigt, mit denen anschließend histologische und immunhistologische Fluoreszenzfärbungen zum Nachweis von zum Beispiel Kompaktheitsverlust, Doppelstrangbrüchen der DNA und NF-κB-Aktivierung durchgeführt wurden. Die Ausschüttung von Tumornekrosefaktor α, Interleukin 1β, Interleukin 6 und Interleukin 8 wurde in Probenüberständen mittels ELISA analysiert. Das Hauptaugenmerk dieser Studie lag dabei auf den frühen durch Strahlung verursachten Effekten. rnIm Rahmen dieser Dissertation wurde ein dreidimensionales Mundschleimhaut-Modell etabliert, das verglichen mit humaner Mundschleimhaut viele organotypische Differenzierungsmarker und in vivo-ähnliche Reaktionen auf bestimmte Reize zeigte. Nach einer Bestrahlung mit schweren Kohlenstoffionen bzw. mit Röntgenstrahlung wurden strahlungsinduzierte Effekte auf mehreren Ebenen detektiert. Bereits 1 h nach Bestrahlung konnten dosisabhängig vermehrte Doppelstrangbrüche in der DNA detektiert werden, wobei bei gleicher Dosis Schwerionenstrahlung im Durchschnitt doppelt so viele DSB verursachte wie Röntgenstrahlung. Das Mundschleimhaut-Modell reagierte auf beide Strahlungsarten mit einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB p50, wobei Röntgenstrahlung diese Aktivierung früher induzierte als Schwerionen. Eine strahlungsinduzierte Aktivierung von NF-κB p65 wurde in den organotypischen Kulturen zu den untersuchten Zeitpunkten nicht beobachtet. Im Vergleich zu nicht bestrahlten Kulturen waren die Konzentrationen von Interleukin 6 und Interleukin 8 unabhängig von der Strahlungsqualität nach Bestrahlung signifikant erhöht. Interleukin-1β dagegen wurde nur nach Röntgenbestrahlung signifikant vermehrt ausgeschüttet. In Schwerionen-bestrahlten Proben wurden zwar tendenziell höhere Konzentrationen beobachtet, statistische Signifikanzen ergaben sich aber nicht. Die Analysen zur TNF-α- und IFN-γ-Ausschüttung in bestrahlten organotypischen Kulturen ergaben innerhalb des gewählten Beobachtungszeitraums von 48 h keine strahlungsinduzierten Effekte. Bei den Untersuchungen der Proliferation in den Zellen der bestrahlten organotypischen Kulturen wurde bereits 24 h nach Röntgenstrahlung und 3 Tage nach Schwerionenstrahlung eine deutliche verminderte Proliferation beobachtet. Des Weiteren zeigte das Mundschleimhaut-Modell unabhängig von Strahlungsqualitäten einen eindeutigen Verlust in der Zellintegrität und daraus resultierenden Kompaktheitsverlust des Gewebes, was in der in vivo-Situation wahrscheinlich einer Gewebedegeneration entspricht. rnNach Bestrahlung mit sowohl Röntgenstrahlung als auch schweren Ionen wurden im gewählten Mukosa-Modell innerhalb von 48 h nach Behandlung strahlungsinduzierte proinflammatorische Marker eindeutig und reproduzierbar detektiert. Dies deutet darauf hin, dass während langer extraterrestrischer Expeditionen das Risiko der oralen Mukositis einkalkuliert und mit den daraus folgenden Konsequenzen gerechnet werden muss.rn

Coupling of mutated Met variants to DNA repair via Abl and Rad51

Abnormal activation of DNA repair pathways by deregulated signaling of receptor tyrosine kinase systems is a compelling likelihood with significant implications in both cancer biology and treatment. Here, we show that due to a potential substrate switch, mutated variants of the receptor for hepatocyte growth factor Met, but not the wild-type form of the receptor, directly couple to the Abl tyrosine kinase and the Rad51 recombinase, two key signaling elements of homologous recombination-based DNA repair. Treatment of cells that express the mutated receptor variants with the Met inhibitor SU11274 leads, in a mutant-dependent manner, to a reduction of tyrosine phosphorylated levels of Abl and Rad51, impairs radiation-induced nuclear translocation of Rad51, and acts as a radiosensitizer together with the p53 inhibitor pifithrin-alpha by increasing cellular double-strand DNA break levels following exposure to ionizing radiation. Finally, we propose that in order to overcome a mutation-dependent resistance to SU11274, this aberrant molecular axis may alternatively be targeted with the Abl inhibitor, nilotinib.

Tumor Regression Grading of Gastrointestinal Carcinomas after Neoadjuvant Treatment

Multimodal therapy concepts have been successfully implemented in the treatment of locally advanced gastrointestinal malignancies. The effects of neoadjuvant chemo- or radiochemotherapy such as scarry fibrosis or resorptive changes and inflammation can be determined by histopathological investigation of the subsequent resection specimen. Tumor regression grading (TRG) systems which aim to categorize the amount of regressive changes after cytotoxic treatment mostly refer onto the amount of therapy induced fibrosis in relation to residual tumor or the estimated percentage of residual tumor in relation to the previous tumor site. Commonly used TRGs for upper gastrointestinal carcinomas are the Mandard grading and the Becker grading system, e.g., and for rectal cancer the Dworak or the Rödel grading system, or other systems which follow similar definitions. Namely for gastro-esophageal carcinomas these TRGs provide important prognostic information since complete or subtotal tumor regression has shown to be associated with better patient's outcome. The prognostic value of TRG may even exceed those of currently used staging systems (e.g., TNM staging) for tumors treated by neoadjuvant therapy. There have been some limitations described regarding interobserver variability especially in borderline cases, which may be improved by standardization of work up of resection specimen and better training of histopathologic determination of regressive changes. It is highly recommended that TRG should be implemented in every histopathological report of neoadjuvant treated gastrointestinal carcinomas. The aim of this review is to disclose the relevance of histomorphological TRG to accomplish an optimal therapy for patients with gastrointestinal carcinomas.

Immune response to regressor and progressor tumor variants

Most skin cancers induced in mice by Ultraviolet (UV) radiation express highly immunogenic Tumor specific transplantation antigens (TSTAs) and thus exhibit a regressor phenotype. In this study, I have used cloned genes encoding tumor antigens and oncogenes in conjunction with DNA transfection technique to isolate and characterize regressor variants from progressor tumors and vice versa. The purpose of this study was (1) to determine whether the product of a cloned gene (216) from UV-1591 tumor, which encodes a novel MHC class I antigen can function as a tumor rejection antigen when expressed on unrelated, nonantigenic, murine tumor cells or whether its function is restricted to UV-induced tumors, and (2) to determine the processes by which progressor variants derived from a regressor UV-2240 cell line by transfection with an activated Ha-ras oncogene escape the immune defenses of the normal immunocompetent host.^ To answer the first question, a spontaneously transformed, nonimmunogenic cell line (10T-1) was cotransfected with DNA from p216 and pSV2-neo plasmids. Results demonstrate that the product of a cloned TSTA gene from a UV-induced murine tumor is capable of functioning as a tumor rejection antigen when expressed on unrelated, nonantigenic tumor cells. In addition, these results indicate that this approach could be used to augment the immune response against poorly antigenic tumors.^ To answer the second question, progressor variants were isolated from a highly antigenic UV radiation-induced C3H mouse regressor fibrosarcoma cell line, UV-2240, by transfection with an activated Ha-ras oncogene. Subcutaneous injection of Ha-ras-transfected UV-2240 cells into immunocompetent C3H mice produced tumors in 4 of 36 animals. In addition, the Ha-ras-induced progressor variants produced experimental lung metastasis in both normal C3H and nude mice, although they induced more lung nodules in nude mice than in normal C3H mice. Results indicate that the progressor phenotype of the Ha-ras-induced tumor variants is not due to loss of TSTAs or MHC class I antigens. This implies that some tumors can escape the immune defenses of the normal immunocompetent host by mechanisms other than the loss of TSTAs and MHC class I antigens. (Abstract shortened with permission of author.) ^

Assessment of tumor regression of esophageal adenocarcinomas after neoadjuvant chemotherapy: comparison of 2 commonly used scoring approaches.

Histopathologic determination of tumor regression provides important prognostic information for locally advanced gastroesophageal carcinomas after neoadjuvant treatment. Regression grading systems mostly refer to the amount of therapy-induced fibrosis in relation to residual tumor or the estimated percentage of residual tumor in relation to the former tumor site. Although these methods are generally accepted, currently there is no common standard for reporting tumor regression in gastroesophageal cancers. We compared the application of these 2 major principles for assessment of tumor regression: hematoxylin and eosin-stained slides from 89 resection specimens of esophageal adenocarcinomas following neoadjuvant chemotherapy were independently reviewed by 3 pathologists from different institutions. Tumor regression was determined by the 5-tiered Mandard system (fibrosis/tumor relation) and the 4-tiered Becker system (residual tumor in %). Interobserver agreement for the Becker system showed better weighted κ values compared with the Mandard system (0.78 vs. 0.62). Evaluation of the whole embedded tumor site showed improved results (Becker: 0.83; Mandard: 0.73) as compared with only 1 representative slide (Becker: 0.68; Mandard: 0.71). Modification into simplified 3-tiered systems showed comparable interobserver agreement but better prognostic stratification for both systems (log rank Becker: P=0.015; Mandard P=0.03), with independent prognostic impact for overall survival (modified Becker: P=0.011, hazard ratio=3.07; modified Mandard: P=0.023, hazard ratio=2.72). In conclusion, both systems provide substantial to excellent interobserver agreement for estimation of tumor regression after neoadjuvant chemotherapy in esophageal adenocarcinomas. A simple 3-tiered system with the estimation of residual tumor in % (complete regression/1% to 50% residual tumor/>50% residual tumor) maintains the highest reproducibility and prognostic value.

Long-term outcomes and prognostic factors of skull-base chondrosarcoma patients treated with pencil-beam scanning proton therapy at the Paul Scherrer Institute

BACKGROUND Skull-base chondrosarcoma (ChSa) is a rare disease, and the prognostication of this disease entity is ill defined. METHODS We assessed the long-term local control (LC) results, overall survival (OS), and prognostic factors of skull-base ChSa patients treated with pencil beam scanning proton therapy (PBS PT). Seventy-seven (male, 35; 46%) patients with histologically confirmed ChSa were treated at the Paul Scherrer Institute. Median age was 38.9 years (range, 10.2-70.0y). Median delivered dose was 70.0 GyRBE (range, 64.0-76.0 GyRBE). LC, OS, and toxicity-free survival (TFS) rates were calculated using the Kaplan Meier method. RESULTS After a mean follow-up of 69.2 months (range, 4.6-190.8 mo), 6 local (7.8%) failures were observed, 2 of which were late failures. Five (6.5%) patients died. The actuarial 8-year LC and OS were 89.7% and 93.5%, respectively. Tumor volume > 25 cm(3) (P = .02), brainstem/optic apparatus compression at the time of PT (P = .04) and age >30 years (P = .08) were associated with lower rates of LC. High-grade (≥3) radiation-induced toxicity was observed in 6 (7.8%) patients. The 8-year high-grade TFS was 90.8%. A higher rate of high-grade toxicity was observed for older patients (P = .073), those with larger tumor volume (P = .069), and those treated with 5 weekly fractions (P = .069). CONCLUSIONS This is the largest PT series reporting the outcome of patients with low-grade ChSa of the skull base treated with PBS only. Our data indicate that protons are both safe and effective. Tumor volume, brainstem/optic apparatus compression, and age were prognosticators of local failures.

Pencil Beam Scanning Proton Therapy for Pediatric Parameningeal Rhabdomyosarcomas: Clinical Outcome of Patients Treated at the Paul Scherrer Institute

BACKGROUND Parameningeal rhabdomyosarcomas (PM-RMSs) represent approximately 25% of all rhabdomyosarcoma (RMS) cases. These tumors are associated with early recurrence and poor prognosis. This study assessed the clinical outcome and late toxicity of pencil beam scanning (PBS) proton therapy (PT) in the treatment of children with PM-RMS. PROCEDURES Thirty-nine children with PM-RMS received neoadjuvant chemotherapy followed by PBS-PT at the Paul Scherrer Institute, with concomitant chemotherapy. The median age was 5.8 years (range, 1.2-16.1). Due to young age, 25 patients (64%) required general anesthesia during PT. The median time from the start of chemotherapy to PT was 13 weeks (range, 3-23 weeks). Median prescription dose was 54 Gy (relative biologic effectiveness, RBE). RESULTS With a mean follow-up of 41 months (range, 9-106 months), 10 patients failed. The actuarial 5-year progression-free survival (PFS) was 72% (95% CI, 67-94%) and the 5-year overall survival was 73% (95% CI, 69-96%). On univariate analysis, a delay in the initiation of PT (>13 weeks) was a significant detrimental factor for PFS. Three (8%) patients presented with grade 3 radiation-induced toxicity. The estimated actuarial 5-year toxicity ≥grade 3 free survival was 95% (95% CI, 94-96%). CONCLUSIONS Our data contribute to the growing body of evidence demonstrating the safety and effectiveness of PT for pediatric patients with PM-RMS. These preliminary results are encouraging and in line with other combined proton-photon and photons series; observed toxicity was acceptable.

Dose-painting intensity-modulated proton therapy for intermediate- and high-risk meningioma.

BACKGROUND Newly diagnosed WHO grade II-III or any WHO grade recurrent meningioma exhibit an aggressive behavior and thus are considered as high- or intermediate risk tumors. Given the unsatisfactory rates of disease control and survival after primary or adjuvant radiation therapy, optimization of treatment strategies is needed. We investigated the potential of dose-painting intensity-modulated proton beam-therapy (IMPT) for intermediate- and high-risk meningioma. MATERIAL AND METHODS Imaging data from five patients undergoing proton beam-therapy were used. The dose-painting target was defined using [68]Ga-[1,4,7,10-tetraazacyclododecane tetraacetic acid]- d-Phe(1),Tyr(3)-octreotate ([68]Ga-DOTATATE)-positron emission tomography (PET) in target delineation. IMPT and photon intensity-modulated radiation therapy (IMRT) treatment plans were generated for each patient using an in-house developed treatment planning system (TPS) supporting spot-scanning technology and a commercial TPS, respectively. Doses of 66 Gy (2.2 Gy/fraction) and 54 Gy (1.8 Gy/fraction) were prescribed to the PET-based planning target volume (PTVPET) and the union of PET- and anatomical imaging-based PTV, respectively, in 30 fractions, using simultaneous integrated boost. RESULTS Dose coverage of the PTVsPET was equally good or slightly better in IMPT plans: dose inhomogeneity was 10 ± 3% in the IMPT plans vs. 13 ± 1% in the IMRT plans (p = 0.33). The brain Dmean and brainstem D50 were small in the IMPT plans: 26.5 ± 1.5 Gy(RBE) and 0.002 ± 0.0 Gy(RBE), respectively, vs. 29.5 ± 1.5 Gy (p = 0.001) and 7.5 ± 11.1 Gy (p = 0.02) for the IMRT plans, respectively. The doses delivered to the optic structures were also decreased with IMPT. CONCLUSIONS Dose-painting IMPT is technically feasible using currently available planning tools and resulted in dose conformity of the dose-painted target comparable to IMRT with a significant reduction of radiation dose delivered to the brain, brainstem and optic apparatus. Dose escalation with IMPT may improve tumor control and decrease radiation-induced toxicity.

Impact of COP9 signalosome subunit 6 (CSN6) on MDM2-p53 axis in DNA damage-mediated apoptosis and tumorigenesis

Mammalian COP9 signalosome, which connects signaling with the ubiquitin-mediated proteasome degradation pathway, is implicated in cell cycle regulation and DNA damage response. However, whether COP9 is dysregulated in cancers has not been well established. Here, we showed that COP9 subunit 6 (CSN6) was upregulated in malignant breast and thyroid tumors and positively correlated with MDM2 expression. Investigation of the underlying mechanism suggested that CSN6 stabilized MDM2, thereby accelerating the degradation of p53. We generated mice carrying a targeted disruption of the Csn6 gene, and found that the mice with both alleles disrupted (Csn6-/- ) died in early embryogenesis (E7.5). Csn6+/- mice were sensitized to undergo γ-radiation-induced p53-dependent apoptosis in both thymus and developing central nervous system. Consequently. Csn6 +/- mice were more susceptible to the lethal effects of high-dose γ-radiation than wild-type mice. Notably, Csn6+/- mice were less susceptible to γ-radiation-induced tumorigenesis and had better long-term survival after low-dose γ-radiation exposure compared with wild-type animals, indicating that loss of CSN6 enhanced p53-mediated tumor suppression in vivo. In summary, the regulation of MDM2-p53 signaling by CSN6 plays a significant role in DNA damage-mediated apoptosis and tumorigenesis, which suggests that CSN6 may potentially be a valuable diagnostic marker for cancers with a dysregulated MDM2-p53 axis. ^

Acceleration of the PanIN Development in Mice Expressing Oncogenic K-Ras Due to a High Fat Diet

Obesity is postulated to be one of the major risk factors for pancreatic cancer, and recently it was indicated that an elevated body mass index (BMI correlates strongly with a decrease in patient survival. Despite the evident relationship, the molecular mechanisms involved are unclear. Oncogenic mutation of K-Ras is found early and is universal in pancreatic cancer. Extensive evidence indicates oncogenic K-Ras is not entirely active and it requires a triggering event to surpass the activity of Ras beyond the threshold necessary for a Ras-inflammation feed-forward loop. We hypothesize that high fat intake induces a persistent low level inflammatory response triggering increased K-Ras activity and that Cox-2 is essential for this inflammatory reaction. To determine this, LSL-K-Ras mice were crossed with Ela-CreER (Acinar-specific) or Pdx-1-Cre (Pancreas-specific) to “knock-in” oncogenic K-Ras. Additionally, these animals were crossed with Cox-2 conditional knockout mice to access the importance of Cox-2 in the inflammatory loop present. The mice were fed isocaloric diets containing 60% energy or 10% energy from fat. We found that a high fat diet increased K-Ras activity, PanIN formation, and fibrotic stroma significantly compared to a control diet. Genetic deletion of Cox-2 prevented high fat diet induced fibrosis and PanIN formation in oncogenic K-Ras expressing mice. Additionally, long term consumption of high fat diet, increased the progression of PanIN lesions leading to invasive cancer and decreased overall survival rate. These findings indicate that a high fat diet can stimulate the activation of oncogenic K-Ras and initiate an inflammatory feed forward loop requiring Cox-2 leading to inflammation, fibrosis, and PanINs. This mechanism could explain the relationship between a high fat diet and elevated risk for pancreatic cancer.

Scanned Ion Beam Therapy for Thoracic Tumors

Although frequently cured of Hodgkin lymphoma, adolescents and young adults can develop radiation induced second cancers. These patients could potentially benefit from scanned ion radiotherapy yet likely would require motion mitigation strategies. In theory, four-dimensional (4D) optimization of ion beam fields for individual motion states of respiration can enable superior sparing of healthy tissue near moving targets, compared to other motion mitigation strategies. Furthermore, carbon-ion therapy can sometimes provide greater relative biological effectiveness (RBE) for cell sterilization in a target but nearly equivalent RBE in tissue upstream of the target, compared to proton therapy. Thus, we expected that for some patients with Hodgkin lymphoma, carbon-ion therapy would reduce the predicted risk of second cancer incidence in the breast compared with proton therapy. The purpose of this work was to determine whether 4D-optimized carbon-ion therapy would significantly reduce the predicted risk of radiation induced second cancers in the breast for female Hodgkin lymphoma patients while preserving tumor control compared with proton therapy. To achieve our goals, we first investigated whether 4D-optimized carbon beam tracking could reduce dose to volumes outside a moving target compared with 3D-optimized carbon beam tracking while preserving target dose coverage. To understand the reliability of scanned carbon beam tracking, we studied the robustness of dose distributions in thoracic targets to uncertainties in patient motion. Finally, we investigated whether using carbon-ion therapy instead of proton therapy would significantly reduce the predicted risk of second cancer in the breast for a sample of Hodgkin lymphoma patients. We found that 4D-optimized ion beam tracking therapy can reduce the maximum dose to critical structures near a moving target by as much as 53%, compared to 3D-optimized ion beam tracking therapy. We validated these findings experimentally using a scanned carbon ion synchrotron and a motion phantom. We found scanned carbon beam tracking to be sensitive to a number of motion uncertainties, most notably phase delays in tracking, systematic spatial errors, and interfractional motion changes. Our findings indicate that a lower risk of second cancer in the breast might be expected for some Hodgkin lymphoma patients using carbon-ion therapy instead of proton therapy. For our reference scenario, we found the ratio of risk to be 0.77 ± 0.35 for radiogenic breast cancer after carbon-ion therapy versus proton therapy. Our findings were dependent on the RBE values for tumor induction and the radiosensitivity of breast tissue, as well as the physical dose distribution.