Analytische Chemie
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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.
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.
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.
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.
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