Analytische Chemie
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Organisationseinheit der BAM
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.
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.[1] 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. [2] 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 ongoing 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
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.
Ectoine is a small zwitterionic osmolyte and compatible solute, which does not interfere with cell metabolism even at molar concentrations. Plasmid DNA (pUC19) was irradiated with ultraviolet radiation (UV-C at 266 nm) under quasi physiological conditions (PBS) and in pure water in the presence and absence of ectoine (THP(B)) and hydroxyectoine (THP(A)). Different types of UV induced DNA damage were analysed: DNA single-strand breaks (SSBs), abasic sites and cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs). A complex interplay between these factors was observed with respect to the nature and occurrence of DNA damage with 266 nm photons. In PBS, the cosolutes showed efficient protection against base damage, whilst in pure water, a dramatic shift from SSB damage to base damage was observed when cosolutes were added. To test whether these effects are caused by ectoine binding to DNA, further experiments were conducted: small-angle X-ray scattering (SAXS), surface-plasmon resonance (SPR) measurements and Raman spectroscopy. The results show, for the first time, a close interaction between ectoine and DNA. This is in stark contrast to the assumption made by preferential exclusion models, which are often used to interpret the behaviour of compatible solutes within cells and with biomolecules. It is tentatively proposed that the alterations of UV damage to DNA are attributed to ectoine influence on nucleobases through the direct interaction between ectoine and DNA.
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.
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.
Halogenated nucleobases are used as radiosensitizers in cancer radiation therapy, enhancing the reactivity of DNA to secondary low-energy electrons (LEEs). LEEs induce DNA strand breaks at specific energies (resonances) by dissociative electron attachment (DEA). Although halogenated nucleobases show intense DEA resonances at various electron energies in the gas phase, it is inherently difficult to investigate the influence of halogenated nucleobases on the actual DNA strand breakage over the broad range of electron energies at which DEA can take place (<12 eV). By using DNA origami nanostructures, we determined the energy dependence of the strand break cross-section for oligonucleotides modified with 8-bromoadenine ((8Br)A). These results were evaluated against DEA measurements with isolated (8Br)A in the gas phase. Contrary to expectations, the major contribution to strand breaks is from resonances at around 7 eV while resonances at very low energy (<2 eV) have little influence on strand breaks.
8-Bromoadenine (8BrA) is a potential DNA radiosensitizer for cancer radiation therapy due to its efficient interaction with low-energy electrons (LEEs). LEEs are a short-living species generated during the radiation damage of DNA by high-energy radiation as it is applied in cancer radiation therapy. Electron attachment to 8BrA in the gas phase results in a stable parent anion below 3 eV electron energy in addition to fragmentation products formed by resonant exocyclic bond cleavages. Density functional theory (DFT) calculations of the 8BrA– anion reveal an exotic bond between the bromine and the C8 atom with a bond length of 2.6 Å, where the majority of the charge is located on bromine and the spin is mainly located on the C8 atom. The detailed understanding of such long-lived anionic states of nucleobase analogues supports the rational development of new therapeutic agents, in which the enhancement of dissociative electron transfer to the DNA backbone is critical to induce DNA strand breaks in cancerous tissue.
Photothermal therapy is a novel approach to destroy cancer cells by an increase of temperature due to laser illumination of gold nanoparticles (GNPs) that are incorporated into the cells. Here, we study the decomposition of DNA nucleobases via irradiation of gold nanoparticles with ns-laser pulses. The kinetics of the adsorption and decomposition process is described by a theoretical model based on the Langmuir assumptions and correlated with experimentally determined reaction rates revealing a strong influence of the nucleobase specific adsorption. Beside the four nucleobases, their brominated analogs, which are potential radiosensitizers in cancer therapy, are also investigated and show a significant modification of the decomposition rates. The fastest decomposition rates are observed for adenine, 8-bromoadenine, 8-bromoguanine and 5-bromocytosine. These results are in good agreement with the relative adsorption rates that are determined from the aggregation kinetics of the GNPs taking the effect of an inhomogeneous surface into account. For adenine and its brominated analog, the decomposition products are further analyzed by surface enhanced Raman scattering (SERS) indicating a strong fragmentation of the molecules into their smallest subunits.