Abstract: Background Differential expression analysis is usually adjusted for variation. However, most studies that examined the expression variability (EV) have used computations affected by low expression levels and did not examine healthy tissue. This study aims to calculate and characterize an unbiased EV in primary fibroblasts of childhood cancer survivors and cancer-free controls (N0) in response to ionizing radiation. Methods Human skin fibroblasts of 52 donors with a first primary neoplasm in childhood (N1), 52 donors with at least one second primary neoplasm (N2 +), as well as 52 N0 were obtained from the KiKme case-control study and exposed to a high (2 Gray) and a low dose (0.05 Gray) of X-rays and sham- irradiation (0 Gray). Genes were then classified as hypo-, non-, or hyper-variable per donor group and radiation treatment, and then examined for over-represented functional signatures. Results We found 22 genes with considerable EV differences between donor groups, of which 11 genes were associated with response to ionizing radiation, stress, and DNA repair. The largest number of genes exclusive to one donor group and variability classification combination were all detected in N0: hypo-variable genes after 0 Gray (n = 49), 0.05 Gray (n = 41), and 2 Gray (n = 38), as well as hyper-variable genes after any dose (n = 43). While after 2 Gray positive regulation of cell cycle was hypo-variable in N0, (regulation of) fibroblast proliferation was over-represented in hyper-variable genes of N1 and N2+. In N2+, 30 genes were uniquely classified as hyper-variable after the low dose and were associated with the ERK1/ERK2 cascade. For N1, no exclusive gene sets with functions related to the radiation response were detected in our data. Conclusion N2+ showed high degrees of variability in pathways for the cell fate decision after genotoxic insults that may lead to the transfer and multiplication of DNA-damage via proliferation, where apoptosis and removal of the damaged genome would have been appropriate. Such a deficiency could potentially lead to a higher vulnerability towards side effects of exposure to high doses of ionizing radiation, but following low-dose applications employed in diagnostics, as well

Neben der gezielten Hochdosisbestrahlung des Tumorvolumens kommt es bei der Radiotherapie unweigerlich zu einer Niedrigdosisbelastung des Normalgewebes, die zwischen verschiedenen Bestrahlungstechniken variiert und mit unterschiedlichen Risiken für radiogene Späteffekte diskutiert wird. Die höchsten Strahlenrisiken, einschließlich der Entwicklung therapieassoziierter Sekundärmalignome, bestehen dabei für Langzeitüberlebende pädiatrischer Tumore oder für Patienten mit Einschränkungen in der Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden im Normalgewebe. Zur Optimierung des Strahlenschutzes in der Radiotherapie wurde die Dosisbelastung durch verschiedene Bestrahlungstechniken für unterschiedliche maligne oder gutartige Erkrankungen durch die biodosimetrische Quantifizierung von DNA-Schadensmarkern in peripheren Lymphozyten verglichen. Für Teilkörperexpositionen von Mamma- und Prostatakarzinompatienten wurde ein deutlicher Einfluss physiologischer Faktoren, insbesondere der Zirkulationskinetik von Lymphozyten, auf die Quantifizierung von DNA-Schadensmarkern in peripheren Lymphozyten nachgewiesen, die nach Ganzkörperexpositionen von Patienten mit hämatologischen Malignomen keine Rolle mehr spielten. Durch den Vergleich unterschiedlicher Bestrahlungstechniken wurde beim Mammakarzinom zusätzlich ein Einfluss physikalisch-technischer Parameter gezeigt, wobei die Bestrahlungsdauer zu einem vom Zielvolumen und der Ganzkörper-Äquivalentdosis unabhängigen Anstieg der DNA-Schadensmarker führte. Diese Ergebnisse sind essentiell für zukünftige biodosimetrische Studien zur Bearbeitung dieser Fragestellung und die Anwendung dieser Methoden zur Dosisrekonstruktion nach Strahlenunfällen. Im Hinblick auf die radiogenen Risiken einer Strahlentherapie lieferte die Untersuchung der Strahlenantwort im Surrogatgewebe einer sehr vulnerablen Gruppe von langzeitüberleben Kindekrebspatienten mit therapieassoziierten Sekundärmalignomen keine Indikatoren für intrinsische oder strahlenassoziierte karzinogene Risiken und somit auch keine direkten Hinweise auf die beteiligten molekularen Mechanismen oder prädiktive Biomarker. Dahingegen wurde in Fanconi-Anämie Patienten mit einer hohen Anfälligkeit für radiogene Normalgewebstoxizitäten ein auf die langsame Reparaturkomponente der G2-Phase beschränkter Defekt in der Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden nachgewiesen. Diese Daten liefern wichtige Hinweise, dass DNA-Reparaturdefekte und die damit verbundenen Biomarker Indikatoren einer Vulnerabilität für strahlenassoziierte akute Normalgewebstoxizitäten darstellen, wahrscheinlich jedoch nicht für radiogene Tumorrisiken als stochastische Spätfolgen einer Strahlenexposition.