Die beiden zuverlässigsten Methoden zur Identifizierung strahleninduzierter interchromosomaler stabiler Aberrationen sind die multiple Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (mFISH), die die gleichzeitige Bemalung von zwei oder mehr Chromosomen ermöglicht, und die spektrale Karyotypisierung (SKY), die jedem homologen Chromosomenpaar im Genom eine eindeutige Farbe verleiht. Im Gegensatz zu instabilen Aberrationen sind stabile Aberrationen von Natur aus persistent und können sich über mehrere Generationen in bestrahlten Populationen vermehren1 und gelten als kritische molekulare "Signaturen" für strahleninduzierte zytogenetische Läsionen2. Studien verschiedener Gruppen haben gezeigt, dass stabile Aberrationen mit der Pathogenese und Entwicklung einer Reihe von Krankheiten, einschließlich Krebs, verbunden sind3. Vor der Ära der Chromosomenmalerei (auch als molekulare Zytogenetik bezeichnet) war die konventionelle G-Banding-Technik die einzige Methode, um stabile Chromosomenaberrationen nachzuweisen. Die Chromosomenbandierung ist jedoch eine Herausforderung für Zytogenetiker, da die Auflösung begrenzt ist, die Reproduzierbarkeit unsicher ist, es sich um ein arbeitsintensives Verfahren handelt und für eine zuverlässige Dateninterpretation hochqualifizierte und erfahrene Zytogenetiker erforderlich sind4. Darüber hinaus ermöglicht die klassische Banding-Technik nicht den Nachweis komplexer chromosomaler Umlagerungen, bei denen drei oder mehr Brüche aufeinander verteilt sind, was eine häufige Folge von Strahlenschäden ist. Komplexe Aberrationen können bei Individuen viele Jahre nach der Strahlenexposition bestehen bleiben, was sie für die retrospektive Biodosimetrie nützlich macht5. Daher war ein alternativer Ansatz erforderlich, um die Einschränkungen herkömmlicher Banding-Techniken zum Nachweis stabiler chromosomaler Umlagerungen zu überwinden.
In den späten 1960er Jahren leitete die Pionierarbeit von Gall und Pardue (1969) zur molekularen Hybridisierung mit Nukleinsäuresonden, die mit radioaktivem Material markiert wurden, eine neue Ära auf dem Gebiet der Zytogenetik ein, die den Nachweis einer spezifischen DNA-Sequenz auf den Chromosomen6 ermöglichte. Die Verwendung von radioaktiven Sonden für die molekulare Hybridisierung hatte jedoch mehrere Nachteile: Radioaktive Sonden sind relativ instabil, die Sondenaktivität hängt vom radioaktiven Zerfall des verwendeten Isotops ab, die Hybridisierung dauert länger, die Auflösung ist begrenzt, die Sonden sind relativ kostspielig und die radioaktiven Materialien sind gesundheitsgefährdend. Daher wurde es notwendig, nicht-radioaktive Sonden zu entwickeln und zu konstruieren. Die Einführung von fluoreszenzmarkierten Nukleinsäuresonden in den 1980er und 1990er Jahren überwand die Einschränkungen radioaktiver Sonden und verbesserte die Sicherheit, Empfindlichkeit und Spezifität der Hybridisierungstechnik7-10 erheblich. Fluoreszierende Sonden erzeugen extrem helle Signale, wenn sie unter Fluoreszenzmikroskopen betrachtet werden, die mit den entsprechenden Anregungs- und Emissionsfiltern ausgestattet sind. Jeder Verlust, Gewinn oder jede Neuanordnung von fluoreszierend markierten Chromosomen oder einem Teil des Chromosoms ist mit dieser FISH-Technik leicht identifizierbar.
Die Analyse von Chromosomenaberrationen durch FISH-Malerei hat im Laufe der Jahre zu deutlichen Fortschritten in der zytogenetischen Forschung geführt. Die Entwicklung von fluoreszenzmarkierten Sonden für spezifische Anwendungen, die von locusspezifischen Sonden bis hin zu Ganzchromosomen-Malsonden reichen, hat das Feld erheblich vorangebracht. Dies hat auch den Nachweis von submikroskopischen ("kryptischen") Umlagerungen erleichtert, die mit herkömmlicher Chromosomenbandierung nicht möglich waren. Die Chromosomenmalerei mit mFISH und SKY hat sich als wertvolles Werkzeug für die Identifizierung einfacher und komplexer interchromosomaler Umlagerungen erwiesen. Die Grundprinzipien für beide Techniken sind ähnlich, aber die Methode zur Detektion und Unterscheidung des Fluoreszenzsignals nach in situ-Hybridisierung und der Prozess der Bildaufnahme sind unterschiedlich. In mFISH werden separate Bilder von jedem der vier Fluorochrome mit Hilfe von Schmalbandpassmikroskopfiltern aufgenommen; Anschließend wird eine spezielle Software verwendet, um die Bilder zu kombinieren. Bei SKY basiert die Bildaufnahme auf einer Kombination aus Epifluoreszenzmikroskopie, ladungsgekoppelter Bildgebung und Fourierspektroskopie, die die Messung des gesamten Emissionsspektrums mit einer einzigen Belichtung an allen Bildpunkten ermöglicht. Sowohl in mFISH als auch in SKY werden monochrome Bilder unabhängig voneinander aufgenommen, dann zusammengeführt und schließlich den Chromosomen in monochromatischen Bildern einzigartige Pseudofarben zugewiesen, die auf dem spezifischen Farbstoff basieren, der an jede Fluorochromsonde gebunden ist.
Der Beitrag der mFISH- und SKY-Analyse auf dem Gebiet der Strahlenbiologie ist bemerkenswert, insbesondere für die retrospektive Dosisabschätzung der Exposition des Menschen gegenüber IR (Strahlenbiodosimetrie)11-14, die Risikobewertung von Strahlenkarzinogenese15 sowie die Erkennung und Risikoabschätzung von strahlentherapiebedingten Sekundärkrebserkrankungen16. Eine kürzlich durchgeführte Studie an Mäusen hat gezeigt, dass eine FISH-basierte Chromosomenmaltechnik auch ein wichtiges Instrument zur Bewertung der Wirksamkeit von Strahlungsgegenmaßnahmen ist17. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss der Strahlenexposition des gesamten Körpers auf die Induktion stabiler Chromosomenaberrationen in den Knochenmarkzellen von Mäusen mit Hilfe von mFISH- und SKY-Techniken nachgewiesen.