Biologische Konsequenzen einer nanoskaligen Energiedeposition: Fokussierung auf die Rolle niederenergetischer Elektronen

Biological Consequence of Nanoscale Energy Deposition: Focusing on the Role of Low-Energy Electrons

  • 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 ortsabhängigeBei 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 245767821zeige mehrzeige weniger
  • 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 byTo 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 245767821zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autoren/innen:Marc Benjamin Hahn, Heinz Sturm, F Bier, Tihomir Solomun
Dokumenttyp:Forschungsbericht
Veröffentlichungsform:Graue Literatur
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2021
Organisationseinheit der BAM:6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere
Erste Seite:1
Letzte Seite:14
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
Freie Schlagwörter:DNS; Ectoin; OH radicals
Cancer therapy; DFG; DNA; DNA damage; DNA radiation damage; Dosimetry; Ectoine; Ectoine DNA interaction; Ectoine radiation protection; Electron irradiation; Geant4; Geant4-DNA; Hydroxyl radicals; LEE; LET; Low energy electrons; Microdosimetry; Radiation; Radiation therapy
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Umwelt
Umwelt / Umweltverhalten von Materialien und Produkten
Analytical Sciences
Analytical Sciences / Zerstörungsfreie Prüfung und Spektroskopie
URL:https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/245767821/ergebnisse?context=projekt&task=showDetail&id=245767821&selectedSubTab=2&
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:07.04.2021
Referierte Publikation:Nein