Biologische Konsequenzen einer nanoskaligen Energiedeposition: Fokussierung auf die Rolle niederenergetischer Elektronen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Behandlung von Krebs wird Strahlentherapie eingesetzt um Tumorzellen zu zerstören. Die durch ionisierende Strahlung verursachte Schädigung von Biomolekülen in der Zelle ist der grundlegende Wirkemechanismus. Dabei stellen die Schädigungsprozessen an DNA durch ihre zentralen Rolle in Mutation und Zelltod die den wichtigsten Faktor dar. Da der Wasseranteil in menschlichen Zellen über 60 % liegt, findet ein Großteil der inelastischen Streuprozesse an Wassermolekülen statt. Dies führt zu deren Radiolyse. Die entstehenden Radiolyseprodukte (e.g. OH-Radikale) sind für einen Großteil des Schadens an der DNA verantwortlich. Ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Interaktion ist die Voraussetzung um neue strahlenbasierte Therapien zu entwickeln. Dieses Projekt hat dazu auf folgende Arte und Weise einen Beitrag geleistet: Die entwickelte Methodik ermöglicht 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. Dazu wurde wurde eine neuartige Kombination aus Experiment und Monte-Carlo-Simulationen enwtickelt. Die Elektronenbestrahlung flüssiger Lösungen innerhalb eines Rasterelektronenmikroskops wurde durch einen neu enwtickelten Probenhalter mit einer für Elektronen durchlässigen Nanomembran ermöglicht. Mit diesem können Bestrahlungen an DNA, Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten, Salzkonzentrationen oder in Anwesenheit von Kosoluten durchgeführt werden. Für ein DNA-Modellsystem (Plasmid-DNA, pUC19) in Wasser wurde die mittlere letale Dosis aus der Kombination der experimentellen Daten mit Partikelstreusimulationen und Diffusionsberechnungen zu D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy berechnet. Durch die Zusammenführung der Egebnisse aus Plasmid-Diffusionssimulationen, Elektronenstreusimulationen, dem somit bestimmten ortsaufgelösten Energieeintrag im Targetvolumen der DNA wurde der mittlere mikroskopische letale Energieeintrag berechnet als E1/2 = 6 ± 4 eV. Es konnte gefolgert werden, dass weniger als zwei Ionisationsprozesse im sensitiven Targetvolumen der DNA im Mittel zu einem Einzelstrangbruch führen. Ebenfalls wurde das für mikrodosimetrische Modellierungen und Betrachtungen der sogenannten Linear energy transfer (LET) Effekte, wichtige Verhältnis von DNA Einzelstrangbrüchen (SSB) zu DNA Doppelstrangbrüchen (DSB) als SSB/DSB = 12/1 bestimmt. Die entwickelte allgemeine Methode zur Bestimmung mikroskopischer Schaden-Dosis Relationen wird in Zukunft auf weitere Klassen von Bestrahlungsexperimenten angewandt. Sie ist unabhängig von der verwandten Primärpartikel, den geometrischen Bedingungen und Diffusionseigenschaften der untersuchten Target-Moleküle. Sie ermöglicht die Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen. Dies ist bei ausschließlicher Betrachtung makroskopischer Dosiswerte nicht gegeben. Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des Zellschutzmoleküls Ectoine und sein Einfluss auf Wasser und Biomoleküle untersucht. Seine Schutzfunktion gegen ionisierende Strahlung wurde auf die Erhöhung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen an den akustischen Vibrationsmoden des Wasser durch Ectoine und seine Eigenschaft als OH-Radikalfänger zurückgeführt. Dies wurde mittels Ramanspektroskopie sowie Elektronenspinresonanz gezeigt. Aufbauend auf unseren Erkenntnissen finden in klinischen Arbeitsgruppen Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten im Umfeld der Strahlentherapie statt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of the Compatible Solute Ectoine on the Local Water Structure: Implications for the Binding of the Protein G5P to DNA. The Journal of Physical Chemistry B, 2015, 119 (49), 15212-15220
Marc Benjamin Hahn, Tihomir Solomun, Robert Wellhausen, Sabrina Hermann, Harald Seitz, Susann Meyer, Hans-Jörg Kunte, Johannes Zeman, Frank Uhlig, Jens Smiatek and Heinz Sturm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b09506) - Combined influence of ectoine and salt: spectroscopic and numerical evidence for compensating effects on aqueous solutions. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18, 28398-28402
Marc Benjamin Hahn, Frank Uhlig, Tihomir Solomun, Jens Smiatek and Heinz Sturm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6cp05417j) - Direct electron irradiation of DNA in a fully aqueous environment. Damage determination in combination with Monte Carlo simulations. Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19, 1798-1805
Marc Benjamin Hahn, Susann Meyer, Maria-Astrid Schröter, Harald Seitz, Hans- Jörg Kunte, Tihomir Solomun and Heinz Sturm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6cp07707b) - DNA Protection by Ectoine from Ionizing Radiation: Molecular Mechanisms. Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19, 25717-25722
Marc Benjamin Hahn, Susann Meyer, Maria-Astrid Schröter, Hans-Jörg Kunte, Tihomir Solomun and Heinz Sturm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c7cp02860a) - Ectoine can enhance structural changes in DNA in vitro. Scientific Reports, 2017, 7, 7170
Susann Meyer, Maria-Astrid Schröter, Marc Benjamin Hahn, Tihomir Solomun, Heinz Sturm und Hans-Jörg Kunte
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-07441-z) - Ectoine protects DNA from damage by ionizing radiation. Scientific Reports, 2017, 7, 15272
Maria-Astrid Schröter, Susann Meyer, Marc Benjamin Hahn, Tihomir Solomun, Heinz Sturm und Hans-Jörg Kunte
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-15512-4) - Measurements and simulations of microscopic damage to DNA in water by 30 keV electrons: A general approach applicable to other radiation sources and biological targets. Physical Review E, 2017, 95, 052419
Marc Benjamin Hahn, Susann Meyer, Hans-Jörg Kunte, Tihomir Solomun and Heinz Sturm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.052419) - Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung Dissertation, Freie Universität Berlin, Fachbereich Physik, 2018
Marc Benjamin Hahn
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.17169/refubium-13755)
