^99mTc reduziert nach intrazellulärer Aufnahme in NIS-positiven Zellen in vitro das klonogene Überleben stärker als ¹³¹I

Summary

Aim: In addition to gamma radiation of 140 keV ^99mTc emits during the transition to 99Tc electrons of low energy and tiny path-lengths. These Auger electrons cannot be utilized in diagnostic procedures. However, they were discussed frequently for therapeutic application. Hitherto proof of effect of the Auger electrons from ^99mTc is missing which is supplied now in an in vitro-system in comparison to beta-emitter ¹³¹I. Methods: The thyroid cell line PC Cl3 (sodium iodide symporter (NIS)-positive) was incubated with ¹³¹I-sodium iodide (¹³¹I) or ^99mTc-pertechnetate (^99mTc) in presence or absence of perchlorate. For comparison the amount of radioactivity was adjusted to obtain the same dose from extracellular irradiation for both radionuclides. The colony forming assay detects the clonogenic cell survival as surviving fraction. In addition, intracellular radionuclide uptake was quantified. Results: Dose effect curves were established for ¹³¹I and ^99mTc for variable extra- and intracellular distribution of the radioactivity. In presence of perchlorate no cellular uptake of radioactivity was detectable. Survival curves were largely comparable confirming the dosimetric calculations. In absence of perchlorate cellular radiotracer uptake varied from 1.39% (¹³¹I) to 1.90% ^99mTc). Effects on survival were twice for the beta-emitter and ten-fold higher for ^99mTc. Conclusions: Intracellular uptake of ¹³¹I and ^99mTc increases DNA-damage compared to strict extracellular radiotracer distribution which was demonstrated by means of colony forming assay. Increasing radiotoxicity from intracellular ^99mTc is explained most likely by increased dose deposition in cellular structures due to Auger- and conversion-electrons of low range and high local energy deposition.

Zusammenfassung

Ziel: Neben der Gammastrahlung von 140 keV sendet ^99mTc beim Übergang zu 99Tc auch Elektronen geringer Energie und geringer Reichweite aus. Diese Auger-Elektronen sind diagnostisch nicht relevant, werden aber immer wieder für den therapeutischen Einsatz diskutiert. Bislang fehlte ein Wirkungsnachweis der Auger-Elektronen von ^99mTc, der jetzt in einem In-vitro-Testsystem im Vergleich zum Betastrahler ¹³¹I vorgelegt werden soll. Methoden: Die Schilddrüsenzelle PC Cl3, die Natriumiodid-Symporter(NIS)-positiv ist, wurde in Anbzw. Abwesenheit von Perchlorat mit ¹³¹I-Natriumiodid (¹³¹I) oder ^99mTc-Pertechnetat (^99mTc) inkubiert. Zum besseren Vergleich wurden die Aktivitätsmengen so adjustiert, dass bei rein extrazellulärer Bestrahlung dieselbe Dosis für beide Radionuklide resultiert. Das klonogene Zellüberleben wurde mit dem Koloniebildungs-Assay durch Bestimmung der Überlebensfraktion ermittelt. Parallel zu allen Versuchen wurde jeweils die intrazelluläre Radionuklidaufnahme bestimmt. Ergebnisse: Dosis-Wirkungskurven für die Bestrahlung mit ¹³¹I und ^99mTc unter variabler extra- und intrazellulärer Verteilung der Radioaktivität wurden erstellt. In Anwesenheit von Perchlorat war keine intrazelluläre Radiotracer-Aufnahme nachweisbar. Die Überlebenskurven waren weitgehend vergleichbar, so dass von einer korrekten Dosimetrie ausgegangen werden konnte. Ohne Perchlorat wurden zwischen 1,39% (¹³¹I) und 1,90% (^99mTc) der inkubierten Aktivität intrazellulär nachgewiesen, was die Radiotoxizität für den Betastrahler verdoppelte, für ^99mTc jedoch mehr als verzehnfachte. Schlussfolgerung: Die intrazelluläre Aufnahme des Betastrahlers ¹³¹I verursacht gegenüber der rein extrazellulären Lokalisation eine deutlich höhere DNA-Schädigung, was mittels Koloniebildungstest nachgewiesen werden kann. Die erhöhte Radiotoxizität durch intrazelluläres ^99mTc erklärt sich am ehesten durch den großen Dosisbeitrag in zellulären Strukturen durch die Augerund Konversionselektronen geringer Reichweite und hoher lokaler Energiedeposition.

Keywords

Colony forming assay - ¹³¹I - ^99mTc - Auger electrons - PC Cl3

Schlüsselwörter

Koloniebildungs-Assay - ¹³¹I - ^99mTc - Auger-Elektronen - PC Cl3

^* Both authors contributed equally.

• References

• 1 Agostinelli S, Allison J, Amako K. et al. GEANT4-a simulation toolkit. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 2003; 506: 250-303.
• 2 Allison J, Amako K, Apostolakis J. et al. Geant4 developments and applications. Ieee Transactions on Nuclear Science 2006; 53: 270-278.
• 3 Andreeff M, Sommer D, Freudenberg R. et al. BeO-OSL detectors for dose measurements in cell cultures. Nuklearmedizin 2009; 48: 227-232.
• 4 Barone MV, Sepe L, Melillo RM. et al. RET/PTC1 oncogene signaling in PC Cl 3 thyroid cells requires the small GTP-binding protein Rho. Oncogene 2001; 20: 6973-6982.
• 5 Bockisch A, Grünwald F, Kotzerke J. Radionuclides – reasons and teaching. Nuklearmedizin 2009; 48: 55-57.
• 6 Carlin S, Cunningham SH, Boyd M. et al. Experimental targeted radioiodide therapy following transfection of the sodium iodide symporter gene: effect on clonogenicity in both two-and three-dimensional models. Cancer Gene Ther 2000; 7: 1529-1536.
• 7 Feinendegen LE, Neumann RD. Dosimetry and risk from low-versus high-LET radiation of Auger events and the role of nuclide carriers. Int J Radiat Biol 2004; 80: 813-822.
• 8 Freudenberg R, Andreeff M, Oehme L, Kotzerke J. Dosimetry of cell-monolayers in multiwell plates. Nuklearmedizin 2009; 48: 120-126.
• 9 Goddu SM, Howell RW, Bouchet LG. et al. MIRD Cellular S Values. Reston: Society of Nuclear Medicine; 1997
• 10 Haberkorn U, Henze M, Altmann A. et al. Transfer of the human NaI symporter gene enhances iodide uptake in hepatoma cells. J Nucl Med 2001; 42: 317-325.
• 11 Haefliger P, Agorastos N, Renard A. et al. Cell uptake and radiotoxicity studies of an nuclear localization signal peptide-intercalator conjugate labeled with [^99mTc(CO)3]+. Bioconjug Chem 2005; 16: 582-587.
• 12 Howell RW. Radiation spectra for Auger-electron emitting radionuclides: report No. 2 of AAPM Nuclear Medicine Task Group No. 6. Med Phys 1992; 19: 1371-1383.
• 13 Howell RW. Auger processes in the 21st century. Int J Radiat Biol 2008; 84: 959-975.
• 14 Kassis AI. Therapeutic radionuclides: biophysical and radiobiologic principles. Semin Nucl Med 2008; 38: 358-366.
• 15 Kriehuber R, Kadenbach K, Schultz F, Weiss DG. Study on cell survival, induction of apoptosis and micronucleus formation in SCL-II cells after exposure to the auger electron emitter ^99mTc. Int J Radiat Biol 2004; 80: 875-880.
• 16 Leoni SG, Galante PA, Ricarte-Filho JC, Kimura ET. Differential gene expression analysis of iodidetreated rat thyroid follicular cell line PCCl3. Genomics 2008; 91: 356-366.
• 17 Meignan M, Charpentier B, Wirquin E. et al. Biological effects and irradiation dose induced in human lymphocytes in vitro by an intracellular radionuclide: ^99mTc. Radiat Res 1983; 94: 263-279.
• 18 Narra VR, Sastry KS, Goddu SM. et al. Relative biological effectiveness of ^99mTc radiopharmaceuticals. Med Phys 1994; 21: 1921-1926.
• 19 Oehme L, Dorr W, Wust P, Kotzerke J. Influence of time-dose-relationships in therapeutic nuclear medicine applications on biological effectiveness of irradiation: consequences for dosimetry. Nuklearmedizin 2008; 47: 205-209.
• 20 Pedraza-Lopez M, Ferro-Flores G, Mendiola-Cruz MT, Morales-Ramirez P. Assessment of radiation-induced DNA damage caused by the incorporation of ^99mTc-radiopharmaceuticals in murine lymphocytes using single cell gel electrophoresis. Mutat Res 2000; 465: 139-144.
• 21 Perillo-Adamer F, Kosinski M, Dupertuis YM. et al. Fluorodeoxyuridine mediated cell cycle synchronization in S-phase increases the Auger radiation cell killing with 125I-iododeoxyuridine. Nuklearmedizin 2009; 48: 233-242.
• 22 Petrich T, Knapp WH, Potter E. Functional activity of human sodium/iodide symporter in tumor cell lines. Nuklearmedizin 2003; 42: 15-18.
• 23 Pomplun E, Terrissol M, Kummerle E. Estimation of a radiation weighting factor for ^99mTc. Radiat Prot Dosimetry 2006; 122: 80-81.
• 24 Pouget JP, Santoro L, Raymond L. et al. Cell membrane is a more sensitive target than cytoplasm to dense ionization produced by auger electrons. Radiat Res 2008; 170: 192-200.
• 25 Runge R, Wendisch M, Wunderlich G. et al. DNA damage in lymphocytes after irradiation with 211At and 188Re. Nuklearmedizin 2009; 48: 221-226.
• 26 Schipper ML, Riese CG, Seitz S. et al. Efficacy of ^99mTc pertechnetate and ¹³¹I radioisotope therapy in sodium/iodide symporter (NIS)-expressing neuroendocrine tumors in vivo. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2007; 34: 638-650.
• 27 Silva CR, Valsa JO, Caldeira-de-araujo A. et al. Evaluation of the cytotoxic and mutagenic potentiality of technetium-99m in Escherichi coli. Cell Mol Biol (Noisy-le-grand) 2002; 48: 783-787.
• 28 Silva CR, Valsa JO, Canine MS. et al. Evaluation of technetium-99m decay on Escherichia coli inactivation: effects of physical or chemical agents. Yale J Biol Med 1998; 71: 7-14.
• 29 Van Sande J, Massart C, Beauwens R. et al. Anion selectivity by the sodium iodide symporter. Endocrinology 2003; 144: 247-252.
• 30 Wendisch M, Drechsel J, Freudenberg R. et al. Cellular damage in vitro. Nuklearmedizin 2009; 48: 208-214.