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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
Particle scattering simulations are an useful tool to plan experiments, design detectors, estimate doses in irradiated materials and medical treatment planning.
Geant4 is a Monte-Carlo toolkit for the simulation of of particles scattering in matter. Photons, electrons, ions etc can be simulated with energies in the eV to GeV range. Their interactions with matter in arbitrary scattering geometries be studied. Scattering models, cross sections and material parameters can be set to cover interactions in gas, liquid and solid state. The import of geometries from computer aided design files or the protein data base is possible.
It is currently being applied in high energy and nuclear physics, accelerator and detector design, space application, dosimetry and medical sciences.
In this first part of the talk a brief overview over the structure, functionality and possible applications of Geant4 will be given. In the second part an example application will be presented: The determination of the microscopic dose-damage relations in aqueous environment for electron irradiated plasmid DNA will be explained. Therefore, we combine electron scattering simulations in water with calculations concerning the movement of biomolecules to obtain the energy deposit in the biologically relevant nanoscopic volume. We present, how to combine these simulational results and experimental data via a generalized damage model to determine the microscopic dose-damage relation at a molecular level.
The determination of microscopic dose-damage relations in aqueous environment is of fundamental interest for dosimetry and its application in radiation-therapy and protection. We present a combined experimental and simulational approach to quantify the microscopic energy deposit at biomolecules in liquid environment which is applicable to a wide range of primary radiation sources, e.g. photons, electrons or ions, and targets, such as DNA, proteins or cells.Therefore, 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. We present, how to combine these simulational results and experimental data via a generalised damage model to determine the microscopic dose-damage relation at a molecular level.
To show the viability of this approach, we apply this method to an experimentally challenging system, the direct irradiation of plasmid DNA (pUC19) in water with electrons as primary particles. Here we combine electron-scattering simulations with calculations concerning the diffusion and convection induced movement of the DNA, within a coarse-grained model of the irradiated liquid. Additionally a microscopic target model for DNA molecules based on the relation of lineal energy and radiation quality is used to calculate their effective target volume.
It was found that on average fewer than two ionisations 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 E\textsubscript{1/2}=6+-4\,eV. The presented method is applicable for all types of ionising radiation and a broad variety of biological targets.
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).
The damage caused by ionizing radiation to DNA and proteins is the reason to treat cancer by radiation therapy. A better understanding of the molecular processes and quantification of the different damaging mechanisms is the prerequisite to develop more efficient therapies. Hereby the understanding of the processes involved in the damage to DNA are of key interest due to its central role in reproduction and mutation.
For radiation with low linear energy transfer (LET), most of the damage is caused by the secondary particles produced by scattering of the ionizing radiation with water. Thereby a multitude of species are produced, whereby especially kinetic low energy electrons, prehydrated electrons, OH-radicals and ions are of importance.
With higher LET the relative amount of the direct damaging effects increases. This is especially important considering the increased usage of high LET particles in radiation therapy. Therefore, the quantification of the contribution to DNA damage of direct and indirect effects and the different secondary species is of high interest due to the increase of radio biological efficiency when applying high LET radiation.
Here we present an approach to investigate the relative contributions to DNA strand break yield for radiation of different LET within a single electron microscope in combination with electron scattering simulations.
The damage caused by ionizing radiation to DNA and proteins is the reason to treat cancer by radiation therapy. A better understanding of the molecular processes and quantification of the different damaging mechanisms is the prerequisite to develop more efficient therapies. Hereby the understanding of the processes involved in the damage to DNA are of key interest due to its central role in reproduction and mutation.
For radiation with low linear energy transfer (LET), most of the damage is caused by the secondary particles produced by scattering of the ionizing radiation with water. Thereby a multitude of species are produced, whereby especially kinetic low energy electrons, prehydrated electrons, OH-radicals and ions are of importance. With higher LET the relative amount of the direct damaging effects increases. This is especially important considering the increased usage of high LET nucleons in radiation therapy. Therefore, the quantification of the contribution to DNA damage of direct and indirect effects and the different secondary species is of high interest due to the increase of radio biological efficiency when applying high LET radiation.
Here we present an approach to investigate the relative contributions to DNA strand break yield for radiation of different LET within a single electron microscope in combination with electron scattering simulations.
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.
Ectoine, a compatible solute and osmolyte, is known to be an effective protectant of biomolecules and whole cells against heating, freezing and extreme salinity. Protection of cells (human keratinocytes) by ectoine against ultraviolet radiation has also been reported by various authors, although the underlying mechanism is not yet understood. We present the first electron irradiation of DNA in a fully aqueous environment in the presence of ectoine and at high salt concentrations. The results demonstrate effective protection of DNA by ectoine against the induction of single-strand breaks by ionizing radiation. The effect is explained by an increase in low-energy electron scattering at the enhanced free-vibrational density of states of water due to ectoine, as well as the use of ectoine as an ˙OH-radical scavenger. This was demonstrated by Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance (EPR).
Electron beam therpy is used to treat tumor cells by irradiation with high energy electrons (HEE). The irradiation is performed by medical linear accelerators.
By interaction of the HEE with the irradiated tissue a broad spectra of secondary electrons and water dissoziation products is generated.
These products interact with biomolecules, especially DNA, by various processes. The disentanglement of the resulting direct- and indirect damage to DNA and other cellular components is still under debate.
To increase the efficiency of future therapies a better understanding of the microscopic damaging processes is highly important.
Especially the various contributions of the secondary species produced, such as low energy electrons (LEE) and radicals is far from understood and quantified.
To increase the understanding we present a combination of a microdosimetric simulations and experiments to quantify the damage by means of electron scattering and diffusion simulations within the Geant4-DNA framework.
In combination with in-liquid irradiation of plasmid DNA it possible to determine microdosimetric quantities for biomolecules in liquid environment.
The presented method was applied to the irradiation of plasmid DNA (pUC19) in water.
This opens up new possibilities in radiation research to quantify the dosage-damage relationship for microscopic plasmid volumes under well defined physiological condition.