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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 compatible solute and osmolyte ectoine is an effective protectant of biomolecules and whole cells against heating, freezing and high salinity. The protection of cells (human Keratinocytes) by ectoine against ultraviolet radiation was also reported by various authors, although the underlying mechanism is not yet understood. We present results on the irradiation of biomolecules (DNA) with ionizing radiation (high energy electrons) in fully aqueous environment in the presence of ectoine and high salt concentrations. The results demonstrate an effective radiation protection of DNA by ectoine against the induction of single strand breaks by ionizing radiation. The effect is explained by an increased in low-energy electron scattering at the enhanced free-vibrational density of states of water due to ectoine, as well as the action of ectoine as an OH-radical scavenger. This was demonstrated by Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and Monte-Carlo simulations (Geant4).
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.
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
In dosimetry the determination of the effectiveness of the damaging processes is standardized and accounted for by the radiation and tissue weighting factor. For the underlying constituents of the tissue, that is the various biomolecules, such a systematic approach doesn't exist. This makes it difficult to compare results obtained under different experimental conditions. In the following work, we will describe a method to obtain comparable values for the radiation-biomolecule interaction, measured under different conditions. This approach can lead to standardization of dosedamage relationship at the molecular level. Such approach is necessary for a better understanding of the relations between the damage of the single constituents of biological tissue and the whole – finally gaining a more complete picture of irradiation damage.
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.
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 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.
Small-angle X-ray scattering (SAXS) can be used for structural de- termination of biological macromolecules and polymers in their na- tive states. To improve the reliability of such experiments, the re- duction of radiation damage occurring from exposure to X-rays is needed.One method, is the use of scavenger molecules that protect macromolecules against radicals produced by radiation exposure.In this study we investigate the feasibility to apply the compatible solute, osmolyte and radiation protector Ectoine (THP(B)) as a scavenger throughout SAXS measurements of single-stranded DNA-binding protein Gene-V Protein (G5P/GVP). Therefore we monitor the radiation induced changes of G5P during bio-SAXS. The resulting microscopic energy-damage relation was determined by particle scattering simu- lations with TOPAS/Geant4. The results are interpreted in terms of radical scavenging as well as post-irradiation effects, related to preferential-exclusion from the protein surface. Thus, Ectoine provides an non-disturbing way to improve structure-determination of proteins via bio-SAXS in future studies.
Showcasing research from the Federal Institute for Material Research and Testing Berlin and Fraunhofer Institute for Celltherapy and Immunology Branch Bioanalytics and Bioprocesses Potsdam.
Bio-SAXS of single-stranded DNA-binding proteins: Radiation protection by the compatible solute ectoine.
We aimed to increase the possible undisturbed exposure time during bio-SAXS measurements of single-stranded DNA-binding proteins. Therefore small angle X-ray scattering was performed on Gene-V Protein (G5P/GVP), which is involved in DNA repair processes. To achieve this, irradiations were performed in presence and absence of the hydroxyl-radical scavenger and osmolyte Ectoine, which showed efficient radiation protection and prevented protein aggregation, thus allows for a non-disturbing way to improve structure-determination of biomolecules.