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X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. Our results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
The change of DNA radiation damage upon hydration: In-situ observations by near-ambient-pressure XPS
(2023)
Ionizing radiation damage to DNA plays a fundamental role in cancer therapy. X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. The results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
We report on a study in which plasmid DNA in water was irradiated with 30 keV electrons generated by a scanning electron microscope and passed through a 100 nm thick Si3N4 membrane. The corresponding Monte Carlo simulations suggest that the kinetic energy spectrum of the electrons throughout the water is dominated by low energy electrons (<100 eV). The DNA radiation damage, single-strand breaks (SSB) and double-strand breaks (DSB), was determined by electrophoresis. The median lethal dose of D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy was found to be much smaller compared to partially or fully hydrated DNA irradiated under vacuum conditions. The ratio of DSB to SSB was found to be (1:12) as compared to 1:88) found for hydrated DNA. Our method enables quantitative measurements of radiation damage to biomolecules (DNA, proteins) in solutions under varying conditions (pH, salinity, cosolutes) for an electron energy range which is difficult to probe by standard methods.
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.
The quantification of radiation induced damage to DNA in aqueous en-
vironment is of fundamental interest for dosimetry and its application
in radiation-therapy and protection. We present a combined experi-
mental and simulational approach to quantify and compare radiation
induced damage to biomolecules in liquid environment for a wide range
of primary radiation sources e. g. photons, electrons or ions and tar-
gets, such as DNA, proteins or cells.[1] To show its viability, we will
apply this method to an experimentally challenging systems, the di-
rect irradiation of plasmid DNA (pUC19) in water with electrons as
primary particles. Here we combine Geant4 electron-scattering simula-
tions with calculations concerning the diffusion and convection induced
movement of the biomolecules, within a coarse-grained model of the
irradiated liquid. Additionally a microscopic target model for the plas-
mid DNA based on the relation of lineal energy and radiation quality
is used to calculate the effective target volume.
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
Ionizing radiation damage to DNA plays a fundamental role in cancer therapy. X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS xperiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. The results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
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. We juxtaposition these results to the experimentally determined damage to obtain the 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. 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. 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.
Ionizing radiation damage to DNA plays a fundamental role in cancer therapy. X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. The results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.