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.
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).
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.
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