TY - RPRT A1 - Hahn, Marc Benjamin A1 - Sturm, Heinz A1 - Bier, F A1 - Solomun, Tihomir T1 - Biologische Konsequenzen einer nanoskaligen Energiedeposition: Fokussierung auf die Rolle niederenergetischer Elektronen T1 - Biological Consequence of Nanoscale Energy Deposition: Focusing on the Role of Low-Energy Electrons N2 - Bei der Behandlung von Krebs mittels Strahlentherapie sollen Tumorzellen abgetötet werden ohne das umliegende gesunde Gewebe zu zerstören. Um Strahlentherapien für Patienten verträglicher zu machen, ist ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse auf der molekularen Ebene nötig. Dabei sind der Energieeintrag und die Streuprozesse der Strahlung in der Umgebung der DNA von besonderem Interesse. Durch Streuung von hochenergetischer Strahlung in Wasser werden besonders viele Sekundärelektronen mit niedriger Energie erzeugt. Zur Untersuchung der Schädigungseffizienz dieser Elektronen wurde ein Verfahren zur direkten Bestrahlung von Lösungen mittels Elektronen variabler Energien enwtickelt. Dies wurde durch einen neu entwickelten Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran ermöglicht. Mit diesem können Bestrahlungen an DNA, Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten oder Salzkonzentrationen durchgeführt werden. Parallel dazu wurde der ortsabhängige Energieeintrag innerhalb des Wassers durch Elektronenstreusimulationen bestimmt. Diese neuartige Kombination von Experiment und Simulation ermöglicht die Bestimmung der Schaden-Dosis-Relation für Elektronenbestrahlung von biologischen Systemen unter realistischen physiologischen Bedingungen. So konnten für die genutzten Primärelektronen wie die mittlere letale Dosis, bei der 50 Prozent der DNA geschädigt sind, mit 1,7 Gy bestimmt. Ebenfalls wurde das für mikrodosimetrische Modellierungen und Betrachtungen der sogenannten Linear energy transfer (LET) Effekte, wichtige Verhältnis von DNA Einzelstrangbrüchen (SSB) zu Doppelstrangbrüchen (DSB) als SSB/DSB = 12/1 bestimmt. Mit Hilfe eines Modells für das Targetvolumen der DNA wurde der mittlere mikroskopische letale Energieeintrag berechnet als E1/2 = 6 ± 4 eV . Es wurde gefolgert, dass weniger als zwei Ionisationsprozesse im sensitiven Targetvolumen der DNA im Mittel zu einem Einzelstrangbruch führen. Diese Methode ist unabhängig von den Primärpartikel und geometrischen Bedingungen. Deshalb ermöglicht sie die Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen, welches sonst nicht gegeben ist. Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des Zellschutzmoleküls Ectoines und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Seine Schutzfunktion gegen ionisierende Strahlung wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen und seine Eigenschaft als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Aufbauend auf unseren Erkenntnissen finden in klinischen Arbeitsgruppen Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten im Umfeld der Strahlentherapie statt. Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245767821 N2 - To cure cancer radiation therapy is used to kill tumor cells. It is based on radiation induced damage to biomolecules. Here DNA damage is of key interest due to its central role in apoptosis and mutation. Because of the high amount of water in biological tissue, most of the damage is caused by the secondary particles produced by the inelastic scattering of ionizing radiation and water. A detailed understanding of the underlying molecular processes under physiological conditions is the prerequisite to develop more efficient the-rapies. Therefore irradiations have to be performed in liquid, under consideration of the chemical environment. To make it possible to irradiate liquids with electrons within scanning electron microscopes a new sample holder was constructed incorporating an electron transparent nanomembrane. It makes it possible to irradiate DNA, proteins or cells at different pH and salinity. The median lethal dose for a model system of plasmid DNA and water was determined by the combination of experimental data, particle scattering simulations (Geant4-DNA) and diffusion calculations as D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy. From the convolution of plasmid positions and the spatially resolved energy deposit, as determined by electron scattering simulations, the histogram of the energy deposit within the target volume of the plasmids and the microscopic median lethal energy deposit was calculated as E1/2 = 6 ± 4 eV . It could be deduced, that on average less than two ionization Events are sufficient to cause a single-strand-break. The relation of single-strand-breaks (SSB) to double-strand-breaks (DSB), which is of importance for microdosimetric modeling, was determined as SSB : DSB = 12 : 1. The presented method for the Determination of microscopic dose-damage relations was further extended to be applicable for General irradiation experiments. It is independent of the type of primary radiation used, the experimental geometry, and the diffusional properties of the molecules under investigation. This way different experimental systems with varying, inhomogeneous energy deposit characteristics become comparable with each other, which is not possible when only macroscopic averaged values are taken into account. In addition, the radiation protection properties of the compatible solute Ectoine was investigated. The protective properties of ectoine result from the increase of the inelastic scattering probabilities of low Energy electrons at the acoustic vibrational modes of water and its properties as OH-radical scavenger. Based on our results, further investigations are conducted to evaluate the application of Ectoine in the context of radiation therapy. Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245767821 KW - Ectoin KW - Ectoine KW - DNS KW - DNA KW - Cancer therapy KW - DNA damage KW - DNA radiation damage KW - Dosimetry KW - DFG KW - Electron irradiation KW - Ectoine DNA interaction KW - Ectoine radiation protection KW - Hydroxyl radicals KW - OH radicals KW - LEE KW - Low energy electrons KW - Microdosimetry KW - Radiation KW - Geant4 KW - Geant4-DNA KW - Radiation therapy KW - LET PY - 2021 UR - https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/245767821/ergebnisse?context=projekt&task=showDetail&id=245767821&selectedSubTab=2& SP - 1 EP - 14 AN - OPUS4-52389 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hahn, Marc Benjamin T1 - DNA basierte Dosimetrie N2 - We propose the development of a standardized DNA based dosimeter. This dosimeter will improve the comparability between the results of different laboratories in radiation research. Compared to conventional methods in dosimetry, this Approach provides direct access to the relation between radiation interaction and biological damage. Moreover, it enables the systematic investigation of the relation between the microscopic characteristics of radiation and DNA damage over a wide dose range. T2 - Zertkom CY - Online meeting DA - 13.05.2020 KW - DNA KW - Dosimetrie KW - Dosimetry KW - Effective dose KW - Energy dose KW - Energiedosis KW - Equivalent dose KW - Absorbed dose PY - 2020 AN - OPUS4-50779 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hahn, Marc Benjamin A1 - Solomun, Tihomir A1 - Sturm, Heinz T1 - Determination of the Microscopic Dose-Damage Relation for Radiation of different Linear Energy Transfer N2 - The determination of the microscopic dose-damage relationship for DNA in an aqueous environment is of a fundamental interest for dosimetry and applications in radiation therapy and protection. We combine geant4 particle-scattering simulations in water with calculations concerning the movement of biomolecules to obtain the energy deposit in the biologically relevant nanoscopic volume.[1] We juxtaposition these results to the experimentally determined damage to obtain the microscopic dose-damage relationship at a molecular level. This approach is tested for an experimentally challenging system concerning the direct irradiation of plasmid DNA (pUC19) in water with electrons as primary particles.[2] Here a microscopic target model for the plasmid DNA based on the relation of lineal energy and radiation quality is used to calculate the effective target volume. It was found that on average fewer than two ionizations within a 7.5-nm radius around the sugar-phosphate backbone are sufficient to cause a single strand break, with a corresponding median lethal energy deposit being E1/2=6±4 eV.[1] The presented method is applicable for ionizing radiation (e.g., γ rays, x rays, and electrons) and a variety of targets, such as DNA, proteins, or cells. [1] Hahn, M. B., Meyer, S., Kunte, H.-J., Solomun, T. & Sturm, H. Measurements and simulations of microscopic damage to DNA in water by 30 keV electrons: A general approach applicable to other radiation sources and biological targets. Phys. Rev. E 95, 052419 (2017). [2] Hahn, M. B. et al. Direct electron irradiation of DNA in a fully aqueous environment. Damage determination in combination with Monte Carlo simulations. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 1798–1805 (2017). T2 - DYSON 2018 CY - Potsdam, Germany DA - 08.10.2018 KW - DNA KW - Dosimetry KW - Electron irradiation KW - Geant4 KW - Hydroxyl radical KW - LET KW - Linear energy transfer KW - Low energy electrons KW - MCS KW - Microdosimetry KW - Monte-Carlo simulations KW - Radiation damage KW - Radiation therapy KW - SEM KW - Electron Microscope KW - LEE KW - Protein PY - 2018 AN - OPUS4-46383 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hahn, Marc Benjamin A1 - Sturm, Heinz A1 - Solomun, Tihomir T1 - Bestimmung des mikroskopischen Energiedeposits an DNA in komplexen Geometrien N2 - Mikrodosimetrie zum Einsatz in der Charakterisierung von per 3D Druck erstellen medizinischen Röntgenphantomen. T2 - Charite PhantomX CY - Charite Campus Berlin, Germany DA - 21.03.2018 KW - Dosimetrie KW - Phantome KW - Strahlentherapie KW - Computertomographie KW - Medizintechnik KW - Geant4 KW - Monte-Carlo Simulationen PY - 2018 AN - OPUS4-44564 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Hahn, Marc Benjamin T1 - Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung N2 - Bei der Behandlung von Krebs wird Strahlentherapie zur Zerstörung von Tumorzellen eingesetzt. Der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist die durch ionisierende Strahlung verursachte Schädigung an Biomolekülen. Dabei kommt den Schädigungsprozessen an DNA aufgrund ihrer zentralen Rolle in Mutation und Zelltod eine besondere Bedeutung zu. Durch den hohen Wasseranteil in menschlichen Zellen findet ein Großteil der inelastischen Streuprozesse an Wassermolekülen statt und führt zur deren Radiolyse. Die so entstehenden Radiolyseprodukte sind für einen Großteil des Schadens an DNA verantwortlich. Ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Interaktion ist die Voraussetzung um effizientere Therapien zu entwickeln. Ziel dieser Arbeit ist es, die Schädigung von DNA durch ionisierende Strahlung in Abhängigkeit der inelastischen Streuevents und des Energieeintrags innerhalb des biologisch relevanten mikroskopischen Treffervolumens zu quantifizieren. Die Bestrahlungen müssen dazu in Flüssigkeit, unter Berücksichtigung der chemischen Umgebung durchgeführt werden, welche die indirekten Schäden vermittelt. Deshalb wurde eine neuartige Kombination aus Experiment und Monte- Carlo-Simulationen entworfen und angewandt. Um Elektronenbestrahlung flüssiger Lösungen innerhalb eines Rasterelektronenmikroskops zu ermöglichen, wurde ein Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran entwickelt. So können Bestrahlungen an DNA, Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten, Salzkonzentrationen oder in Anwesenheit von Kosoluten durchgeführt werden. Für ein Modellsystem aus Plasmid-DNA in Wasser wurde damit die mittlere letale Dosis aus der Kombination der experimentellen Daten, Partikelstreusimulationen (Geant4-DNA) und Diffusionsberechnungen zu D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy bestimmt. Aus der Konvolution der Plasmidpositionen mit dem durch Elektronenstreusimulationen bestimmten ortsaufgelösten Energieeintrag wurde dessen Häufigkeitsverteilung im Targetvolumen der Plasmide sowie der mittlere mikroskopische letale Energieeintrag berechnet als E1/2 = 6 ± 4 eV . Es wurde gefolgert, dass weniger als zwei Ionisationsprozesse im sensitiven Targetvolumen der DNA im Mittel zu einem Einzelstrangbruch führen. Das für mikrodosimetrische Modellierungen wichtige Verhältnis von Einzelstrangbrüchen (SSB) zu Doppelstrangbrüchen (DSB) wurde als SSB : DSB = 12 : 1 bestimmt. Die vorgestellte Methode zur Bestimmung mikroskopischer Schaden-Dosis Relationen wurde auf weitere Klassen von Bestrahlungsexperimenten verallgemeinert. Dadurch ist die Methode unabhängig von der verwandten Primärstrahlung, der Probengeometrie und den Diffusionseigenschaften der untersuchten Moleküle anwendbar. So wird eine Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen erreicht, die bei ausschließlicher Betrachtung makroskopischer, gemittelter Größen nicht gegeben ist. Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des kompatiblen Soluts Ectoine und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Mittels Ramanspektroskopie wurde ein kon-zentrationsabhängiger Anstieg des Anteils der Kollektivmoden des Wassers der OH-Streckschwingungen und dessen Unabhängigkeit von der Natriumchloridkonzentration beobachtet. Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass die zwitterionischen Eigenschaften zur Bildung einer half-chair Konformation Ectoines führen. Die Wasserstoffbrückenbindungen in der ersten Hydrationshülle sind signifikant stabiler und besitzen höhere Lebensdauern als das Bulk-Wasser. Bestrahlung von DNA in Anwesenheit von 1 M Ectoine führt zu einer Erhöhung der Überlebensrate um den Faktor 1,41. Die Schutzfunktion wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen an den akustischen Vibrationsmoden des Wasser durch Ectoine und seine Wirkung als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Dies wurde mittels Ramanspektroskopie und Elektronenspinresonanzmessungen (ESR) nachgewiesen. N2 - To cure cancer radiation therapy is used to kill tumor cells. It is based on radiation induced damage to biomolecules. Especially DNA damage is of key interest due to its central role in apoptosis and mutation. Because of the high amount of water in biological tissue, most of the damage is caused by the secondary particles produced by the inelastic scattering of ionizing radiation and water. A detailed understanding of the underlying molecular processes under physiological conditions is the prerequisite to develop more efficient therapies. Goal of this work is to quantify the DNA damage caused by ionizing radiation in dependence of the inelastic scattering events and the energy deposit within the microscopic target volume of biological relevance. The irradiations have to be performed in liquid, under consideration of the chemical environment. Therefore, a new combination of experiment and Monte-Carlo simulations was developed and tested. To make it possible to irradiate liquids with electrons within scanning electron microscopes a new sample holder was constructed incorporating an electron transparent nanomembrane. It makes it possible to irradiate DNA, proteins or cells at different pH, salinity and in the presence of cosolutes. The median lethal dose for a model system of plasmid DNA and water was determined by the combination of experimental data, particle scattering simulations (Geant4-DNA) and Diffusion calculations as D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy. From the convolution of plasmid positions and the spatially resolved energy deposit, as determined by electron scattering simulations, the histogram of the energy deposit within the target volume of the plasmids and the microscopic median lethal energy deposit was calculated as E1/2 = 6 ± 4 eV . It could be deduced that on average less than two ionization events are sufficient to cause a single-strand-break. The relation of single- strand-breaks (SSB) to double-strand-breaks (DSB), which is of importance for microdosimetric modeling, was determined as SSB : DSB = 12 : 1. The presented method for the determination of microscopic dose-damage relations was further extended to be applicable for general irradiation experiments. It becomes independent of the type of primary radiation used, the experimental geometry, and the diffusional properties of the molecules under investigation. This way different experimental systems with varying, inhomogeneous energy deposit characteristics become comparable with each other, which is not possible when only macroscopic averaged values are taken into account. In addition, the radiation protection properties of the compatible solute ectoine, as well as ist influence on the water properties and biomolecules were investigated. Raman spectroscopy revealed a concentration dependent increase of the collective water modes in the OH-stretching region, which was found to be independent of the sodium chloride concentration. Molecular dynamic simulations showed that the zwitterionic properties of ectoine lead to its half-chair conformation. The hydrogen bonds in the first hydration shell are more stable and have an increased lifetime compared to the bulk water. Irradiation experiments with DNA in the presence of 1 M ectoine revealed an increase of the survival rate by a factor of 1.41 as compared to the absence of ectoine. The protective properties of ectoine result from the increase of the inelastic scattering probabilities of low energy electrons at the acoustic vibrational modes of water and its properties as OH-radical scavenger. This was shown by Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance measurements (EPR). KW - DNA KW - Radiation KW - Radiation damage KW - Dosimetry KW - Microdosimetry KW - DNA damage KW - DNA radiation damage KW - Low energy electrons KW - Electron irradiation KW - Hydroxyl radicals KW - Ectoine KW - Ectoine protein interaction KW - Ectoine DNA interaction KW - Ectoine radiation protection KW - Ectoine salt KW - Cancer therapy KW - Radiation therapy KW - Ectoin PY - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000106497-4 UR - http://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000106497 SP - 1 EP - 108 CY - Berlin AN - OPUS4-44510 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hahn, Marc Benjamin T1 - Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung N2 - To cure cancer radiation therapy is used to kill tumor cells. It is based on radiation induced damage to biomolecules. Especially DNA damage is of key interest due to its central role in apoptosis and mutation. Because of the high amount of water in biological tissue, most of the damage is caused by the secondary particles produced by the inelastic scattering of ionizing radiation and water. A detailed understanding of the underlying molecular processes under physiological conditions is the prerequisite to develop more efficient therapies. Goal of this work is to quantify the DNA damage caused by ionizing radiation in dependence of the inelastic scattering events and the energy deposit within the microscopic target volume of biological relevance. The irradiations have to be performed in liquid, under consideration of the chemical environment. Therefore, a new combination of experiment and Monte-Carlo simulations was developed and tested. To make it possible to irradiate liquids with electrons within scanning electron microscopes a new sample holder was constructed incorporating an electron transparent nanomembrane. It makes it possible to irradiate DNA, proteins or cells at different pH, salinity and in the presence of cosolutes. %The most important results of this work are as follows: The median lethal dose for a model system of plasmid DNA and water was determined by the combination of experimental data, particle scattering simulations (Geant4-DNA) and diffusion calculations as D0.5=(1.7+-0.3) Gy. From the convolution of plasmid positions and the spatially resolved energy deposit, as determined by electron scattering simulations, the histogram of the energy deposit within the target volume of the plasmids and the microscopic median lethal energy deposit was calculated as E0.5=6+-4eV. It could be deduced that on average less than two ionization events are sufficient to cause a single-strand-break. The relation of single-strand-breaks (SSB) to double-strand-breaks (DSB), which is of importance for microdosimetric modeling, was determined as SSB:DSB = 12:1. The presented method for the determination of microscopic dose-damage relations was further extended to be applicable for general irradiation experiments. It becomes independent of the type of primary radiation used, the experimental geometry, and the diffusional properties of the molecules under investigation. This way different experimental systems with varying, inhomogeneous energy deposit characteristics become comparable with each other, which is not possible when only macroscopic averaged values are taken into account. In addition, the radiation protection properties of the compatible solute ectoine, as well as its influence on the water properties and biomolecules were investigated. %In addition, the influence of the compatible solute ectoine on water, biomolecules and its radiation protection properties were investigated. Raman spectroscopy revealed a concentration dependent increase of the collective water modes in the OH-stretching region, which was found to be independent of the sodium chloride concentration. Molecular dynamic simulations showed that the zwitterionic properties of ectoine lead to its half-chair conformation. The hydrogen bonds in the first hydration shell are more stable and have an increased lifetime compared to the bulk water. Irradiation experiments with DNA in the presence of 1M ectoine revealed an increase of the survival rate by a factor of 1.41 as compared to the absence of ectoine. The protective properties of ectoine result from the increase of the inelastic scattering probabilities of low energy electrons at the acoustic vibrational modes of water and its properties as OH-radical scavenger. This was shown by Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance measurements (EPR). T2 - Vortrag CY - Freie Universität Berlin, Germany DA - 14.02.2018 KW - DNA KW - Radiation damage KW - Ionizing radiation KW - DNA strand break KW - Dosimetry KW - Microdosimetry KW - Ectoine KW - Ectoine radiation protection KW - Salt KW - Water PY - 2018 AN - OPUS4-44280 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -