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Wetlands such as bogs, swamps, or freshwater marshes are hotspots of biodiversity. For 5.1 million km2 of inland wetlands, the dynamics of area and water storage, which strongly impact biodiversity and ecosystem services, were simulated using the global hydrological model WaterGAP. For the first time, the impacts of both human water use and man‐made reservoirs (WUR) and future climate change (CC) on wetlands around the globe were quantified. WUR impacts are concentrated in arid/semiarid regions, where WUR decreased mean wetland water storage by more than 5% on 8.2% of the mean wetland area during 1986–2005 (Am), with highest decreases in groundwater depletion area. Using output of three climate models, CC impacts on wetlands were quantified, distinguishing unavoidable impacts [i.e., at 2 °C global warming (GW)] from avoidable impacts (difference between 3 °C and 2 °C impacts). Even unavoidable CC impacts are projected to be much larger than WUR impacts, also in arid/semiarid regions. On most wetland area with reliable estimates, avoidable CC impacts are more than twice as large as unavoidable impacts. In case of 2 °C GW, half of Am is estimated to be unaffected by mean storage changes of more than 5%, but only one third in case of 3 °C GW. Temporal variability of water storage will increase for most wetlands. Wetlands in dry regions will be affected the most, particularly by water storage decreases in the dry season. Different from wealthier countries, low‐income countries will dominantly suffer from a decrease in wetland water storage due to CC.
Background: In this interdisciplinary project, the biological effects of heavy ions are compared to those of X-rays using tissue slice culture preparations from rodents and humans. Advantages of this biological model are the conservation of an organotypic environment and the independency from genetic immortalization strategies used to generate cell lines. Its open access allows easy treatment and observation via live-imaging microscopy. Materials and methods: Rat brains and human brain tumor tissue are cut into 300 micro m thick tissue slices. These slices are cultivated using a membrane-based culture system and kept in an incubator at 37°C until treatment. The slices are treated with X-rays at the radiation facility of the University Hospital in Frankfurt at doses of up to 40 Gy. The heavy ion irradiations were performed at the UNILAC facility at GSI with different ions of 11.4 A MeV and fluences ranging from 0.5–10 x 106 particles/cm². Using 3D-confocal microscopy, cell-death and immune cell activation of the irradiated slices are analyzed. Planning of the irradiation experiments is done with simulation programs developed at GSI and FIAS. Results: After receiving a single application of either X-rays or heavy ions, slices were kept in culture for up to 9d post irradiation. DNA damage was visualized using gamma H2AXstaining. Here, a dose-dependent increase and time-dependent decrease could clearly be observed for the X-ray irradiation. Slices irradiated with heavy ions showed less gamma H2AX-positive cells distributed evenly throughout the slice, even though particles were calculated to penetrate only 90–100 micro m into the slice. Conclusions: Single irradiations of brain tissue, even at high doses of 40 Gy, will result neither in tissue damage visible on a macroscopic level nor necrosis. This is in line with the view that the brain is highly radio-resistant. However, DNA damage can be detected very well in tissue slices using gamma H2AX-immuno staining. Thus, slice cultures are an excellent tool to study radiation-induced damage and repair mechanisms in living tissues.
Ziel dieser Arbeit war, die Reaktion von biologischen Gewebeproben auf dünn- und dicht-ionisierende Strahlung zu evaluieren. Dafür wurden die Gewebeproben konventioneller Röntgenstrahlung sowie einem ausgedehnten 12C-Ionen Bragg-Peak ausgesetzt. Zur Bestrahlung der biologischen Proben mit 12C wurde mit dem GSI-eigenen Simulationsprogramm TRiP98 ein Tiefendosisprofil eines ausgedehnten Bragg-peaks erstellt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, dieses Tiefendosisprofil mit drei anderen Simulationsprogrammen (ATIMA, MCHIT, TRIM) zu reproduzieren und zu vergleichen.
ATIMA und TRIM sind allgemeine Programme für den Energieverlust von Ionen in Materie. Sie können das von TRiP98 berechnetet Tiefendosisprofil nur ungenügend reproduzieren, da sie aufgrund fehlender Fragmentierung ein linear ansteigendes Tiefendosisprofil berechnen. Das Monte Carlo-Programm MCHIT, welches speziell für die Wechselwirkung von Ionen mit Materie in medizinischer Anwendung entwickelt wurde, zeigt die beste Übereinstimmung mit der TRiP98-Referenzkurve. Bis auf eine leicht höhere Durchschnittsdosis um 0.1 Gy konnte das Tiefendosisprofil nahezu exakt reproduziert werden.
Die biologischen Proben bestanden aus Schnittkulturen gesunder Maus-Lebern und Explantatkulturen gesunder Maus-Pankreata, um Nebenwirkungen ionisierender Strahlen abzuschätzen. Zusätzlich wurde die Reaktion auf 12C-Bestrahlung in neoplastischem Lebergewebe transgener c-myc/TGF-α Mäuse mit induzierbarem Lebertumor bestimmt. Um eine mögliche Tageszeitabhängigkeit der Gewebereaktion auf die Bestrahlung zu untersuchen, wurden die Schnitt- und Explantatkulturen zu zwei unterschiedlichen Tageszeiten präpariert: zur Mitte des subjektiven Tages und zur Mitte der subjektiven Nacht.
Die Präparate wurden für mehrere Tage auf einer Membran an einer Grenzschicht von Flüssigkeit und Luft kultiviert. Leber- und Pankreaskulturen gesunder C3H wildtyp Mäuse wurden mit einer Dosis von 2 Gy, 5 Gy oder 10 Gy Röntgenstrahlen bestrahlt. Leber- und Pankreaskulturen transgener Mäuse wurden mit ausgedehnten C-Ionen Bragg Peaks gleicher Dosen bestrahlt. Als Kontrolle dienten unbestrahlte Proben. Alle Proben wurden 1 h bzw. 24 h nach der Bestrahlung fixiert und immunhistochemisch auf Marker für Proliferation (Ki67), Apoptose (Caspase3) und DNA- Doppelstrangbrüche (γH2AX) untersucht.
Während die Pankreas-Präparate im Hinblick auf die untersuchten Parameter leider keine auswertbaren Ergebnisse ergaben, zeigten die untersuchten Parameter im gesunden Lebergewebe deutliche Tag-Nacht Unterschiede: die Proliferationsrate war zur Mitte des subjektiven Tages signifikant höher als zur Mitte der subjektiven Nacht. Umgekehrt waren die Raten für DNA-Doppelstrangbrüche zur Mitte der subjektiven Nacht signifikant erhöht. Diese Tag-Nacht Unterschiede ließen sich in neoplastischem Lebergewebe nicht nachweisen. Unabhängig von der Art und Dosis, hatte die Bestrahlung im gesunden Lebergewebe keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter. In neoplastischem Lebergewebe hingegen wird die Rate an DNA-Doppelstrangbrüchen durch eine Bestrahlung dosisabhängig erhöht.
Die Auswirkungen ionisierender Strahlen auf das circadiane Uhrwerk wurden in Gewebeproben transgener Per2luc-Mäuse überprüft. Per2luc-Mäuse exprimieren das Enzym Luziferase unter der Kontrolle des Promoters von Per2, einem wichtigen Bestandteil des circadianen Uhrwerks. Daher erlaubt die Analyse dieser Tiere, den circadianen Rhythmus des molekularen Uhrwerks in Leber und anderen Geweben durch Messung der Luziferase-Aktivität in Echtzeit aufzuzeichnen. Wie in Leber- und Nebennierenkulturen dieser Tiere gezeigt werden konnte, führten ioniserende Strahlen dosisabhängig zu einem Phasenvorsprung des circadianen Uhrwerks.
Die Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ionisierende Strahlen das circadiane Uhrwerk verstellen, Proliferation und Apoptose in gesundem Lebergewebe jedoch kaum beeinflussen.