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Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) increases the biological effectiveness of Radiation damage in biomolecules and tissue. To apply them effectively during cancer therapy their influence on the locally delivered dose has to be determined. Hereby, the AuNP locations strongly influence the energy deposit in the nucleus, mitochondria, membrane and the cytosol of the targeted cells. To estimate these effects, particle scattering simulations are applied. In general, different approaches for modeling the AuNP and their distribution within the cell are possible. In this work, two newly developed continuous and discrete-geometric models for simulations of AuNP in cells are presented.
These models are applicable to simulations of internal emitters and external radiation sources. Most of the current studies on AuNP focus on external beam therapy. In contrast, we apply the presented models in Monte-Carlo particle scattering simulations to characterize the energy deposit in cell organelles by radioactive 198AuNP. They emit beta and gamma rays and are therefore considered for applications with solid tumors. Differences in local dose enhancement between randomly distributed and nucleus targeted nanoparticles are compared. Hereby nucleus targeted nanoparticels showed a strong local dose enhancement in the radio sensitive nucleus. These results are the foundation for future experimental work which aims to obtain a mechanistic understanding of cell death induced by radioactive 198Au.
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
Accessing radiation damage to biomolecules on the nanoscale by particle-scattering simulations
(2023)
Radiation damage to DNA plays a central role in radiation therapy to cure cancer. The physico-chemical and biological processes involved encompass huge time and spatial scales. To obtain a comprehensive understanding on the nano and the macro scale is a very challenging tasks for experimental techniques alone. Therefore particle-scattering simulations are often applied to complement measurements and aide their interpretation, to help in the planning of experiments, to predict their outcome and to test damage models. In the last years, powerful multipurpose particle-scattering framework based on the Monte-Carlo simulation (MCS) method, such as Geant4 and Geant4-DNA, were extended by user friendly interfaces such as TOPAS and TOPAS-nBio. This shifts their applicability from the realm of dedicated specialists to a broader range of scientists. In the present review we aim to give an overview over MCS based approaches to understand radiation interaction on a broad scale, ranging from cancerous tissue, cells and their organelles including the nucleus, mitochondria and membranes, over radiosensitizer such as metallic nanoparticles, and water with additional radical scavenger, down to isolated biomolecules in the form of DNA, RNA, proteins and DNA-protein complexes. Hereby the degradation of biomolecules by direct damage from inelastic scattering processes during the physical stage, and the indirect damage caused by radicals during the chemical stage as well as some parts of the early biological response is covered. Due to their high abundance the action of hydroxyl radicals (•OH) and secondary low energy electrons (LEE) as well as prehydrated electrons are covered in additional detail. Applications in the prediction of DNA damage, DNA repair processes, cell survival and apoptosis, influence of radiosensitizer on the dose distribution within cells and their organelles, the study of linear energy transfer (LET), the relative biological effectiveness (RBE), ion beam cancer therapy, microbeam radiation therapy (MRT), the FLASH effect, and the radiation induced bystander effect are reviewed.
Lack of long-time stability of dsDNA-based supramolecular assemblies is an important issue that hinders their applications. In this work, 20 base pairs long dsDNA fragments [(dCdG)20
65%] composed of 65% dCdG and 35% dAdT nucleotides were tethered via a thiol to the surface of a gold electrode. The selfassembled (dCdG)20
-65% monolayer was immersed in solutions
containing ectoine, a compatible solute. Electrochemical results showed that these monolayers were stable for one month. In situ IR spectroscopy indicated that ectoine interacts weakly with the phosphate-ribose backbone, dehydrating the phosphate groups and stabilizing the A-DNA conformation. This structural reorganization led to a reorientation of nucleic acid base pairs and a local disruption of the double-helix structure. However, the conformation and orientation of the dsDNA fragment was stable in the
Strand breaks and conformational changes of DNA have consequences for the physiological role of DNA. The natural protecting molecule ectoine is beneficial to entire bacterial cells and biomolecules such as proteins by mitigating detrimental effects of environmental stresses. It was postulated that ectoine-like molecules bind to negatively charged spheres that mimic DNA surfaces. We investigated the effect of ectoine on DNA and whether ectoine is able to protect DNA from damages caused by ultraviolet radiation (UV-A). In order to determine different isoforms of DNA, agarose gel electrophoresis and atomic force microscopy experiments were carried out with plasmid pUC19 DNA. Our quantitative results revealed that a prolonged incubation of DNA with ectoine leads to an increase in transitions from supercoiled (undamaged) to open circular (single-strand break) conformation at pH 6.6. The effect is pH dependent and no significant changes were observed at physiological pH of 7.5. After UV-A irradiation in ectoine solution, changes in DNA conformation were even more pronounced and this effect was pH dependent. We hypothesize that ectoine is attracted to the negatively charge surface of DNA at lower pH and therefore fails to act as a stabilizing agent for DNA in our in vitro experiments.
Small-angle X-ray scattering (SAXS) can be used for structural determination of biological macromolecules and polymers in their native states (e.g. liquid phase). This means that the structural changes of (bio-)polymers, such as proteins and DNA, can be monitored in situ to understand their sensitivity to changes in chemical environments. In an attempt to improve the reliability of such experiments, the reduction of radiation damage occurring from exposure to X-rays is required. One such method, is to use scavenger molecules to protect macromolecules against radicals produced during radiation exposure, such as reactive oxygen species (ROS). In this study we investigate the feasibility of applying the compatible solute, osmolyte and radiation protector Ectoine (THP(B)), as a scavenger molecule during SAXS measurements of the single-stranded DNA-binding protein Gene-V Protein (G5P/GVP). In this case, we monitor the radiation induced changes of G5P during bio-SAXS measurments and the resulting microscopic energy-damage relation was determined from microdosimetric calculations by Monte-Carlo based particle scattering simulations with TOPAS/Geant4 and a custom target-model. This resulted in a median-lethal energy deposit of pure G5P at 4 mg mL−1 of E1/2 = 7 ± 5 eV, whereas a threefold increase of energy-deposit was needed under the presence of Ectoine to reach the same level of damage. This indicates that Ectoine increases the possible exposure time before radiation-damage to G5P is observed. Furthermore, the dominant type of damage shifted from aggregation in pure solutions towards a fragmentation for solutions containing Ectoine as a cosolute. These results are interpreted in terms of indirect radiation damage by reactive secondary species, as well as post-irradiation effects, related to preferential-exclusion of the cosolute from the protein surface. Hence, Ectoine is shown to provide a non-disturbing way to improve structure-determination of proteins via bio-SAXS in future studies.
The compatible solute ectoine: protection mechanisms, strain development, and industrial production
(2020)
Bacteria, Archaea, and Eukarya can adapt to saline environments by accumulating compatible solutes in order to maintain an osmotic equilibrium. Compatible solutes are of diverse chemical structure (sugars, polyols, amino acid derivatives) and are beneficial for bacterial cells not only as osmoregulatory solutes but also as
protectants of proteins by mitigating detrimental effects of freezing, drying, and high temperatures. The aspartate derivative ectoine is a widespread compatible solute in Bacteria and possesses additional protective properties compared with other compatible solutes and stabilizes even whole cells against stresses such as ultraviolet radiation or cytotoxins. Here, it is our intention to go beyond a simple description of effects, but to depict the molecular interaction of ectoine with biomolecules, such as proteins, membranes, and DNA and explain the underlying principles. The stabilizing properties of ectoine attracted industry, which saw the potential to market ectoine
as a novel active component in health care products and cosmetics. In joint efforts of industry and research, a large-scale fermentation procedure has been developed with the halophilic bacterium Halomonas elongata used as a producer strain. The development and application of ectoine-excreting mutants from H. elongata (“leaky” mutants) allow for the annual production of ectoine on a scale of tons. The details of
the strain development and fermentation processes will be introduced.
Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung
(2018)
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.