dc.contributor.author
Hahn, Marc Benjamin
dc.date.accessioned
2018-06-07T22:42:07Z
dc.date.available
2018-03-08T12:58:15.877Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/9556
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-13755
dc.description
1\. Einleitung 5 2\. Theoretische Grundlagen 9 2.1. Historische Einführung .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2. Von elementaren
Streuprozessen zur Strahlentherapie . . . . . . . 9 2.3. Wechselwirkung
ionisierender Strahlung mit Wasser . . . . . . . 10 2.3.1. Hochenergetische
Strahlung und Wasser . . . . . . . . . . . 10 2.3.2. Die Radiolyseprodukte von
Wasser . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Schädigung von
Desoxyribonukleinsäure (DNA) durch Strahlung . 14 2.4.1. Struktur und
chemische Eigenschaften von DNA . . . . . 14 2.4.2. Direkte
Schädigungsprozesse an DNA . . . . . . . . . . . 17 2.4.3. Indirekte
Schädigungsprozesse an DNA . . . . . . . . . . 18 2.5. Dosimetrie . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.5.1. Klassische
Dosimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5.2. Mikrodosimetrie .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.3. Schadens- und
Treffermodelle . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3\. Experimentelle Methoden
und Simulationen 23 3.1. Experimentelle Methoden . . . . . . . . 23 3.1.1.
Probenhalter . . . . . . . . . . . 23 3.1.2. Elektronenbestrahlung . . . . . .
25 3.1.3. Agarosegelelektrophorese . . . . 26 3.2. Monte-Carlo Simulationen .
. . . . . . . 26 3.2.1. Elektronenstreusimulationen . . . 26 3.2.2.
Diffusionssimulationen . . . . . . 28 4\. Veröffentlichungen 29 4.1. Direct
Electron Irradiation of DNA in Fully Aqueous Environment. Damage Determination
in Combination with Monte Carlo Simulations . . . . . . . . . . . 30 4.2.
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 39 4.3. Influence of the Compatible Solute Ectoine on
the Local Water Structure: Im- plications for the Binding of the Protein G5P .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.4. Combined influence of ectoine
and salt: spectroscopic and numerical evidence for compensating effects on
aqueous solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.5. DNA
Protection by Ectoine from Ionizing Radiation: Molecular Mechanisms . . . 89
5\. Zusammenfassung 96 6\. Ausblick 99 7\. Literaturverzeichnis 101
dc.description.abstract
Bei der Behandlung von Krebs wird Strahlentherapie zur Zerstörung von
Tumorzellen einge- setzt. Der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist die durch
ionisierende Strahlung verursachte Schädigung an Biomolekülen. Dabei kommt
den Schädigungsprozessen an DNA aufgrund ih- rer zentralen Rolle in Mutation
und Zelltod eine besondere Bedeutung zu. Durch den hohen Wasseranteil in
menschlichen Zellen findet ein Großteil der inelastischen Streuprozesse an
Was- sermolekülen statt und führt zur deren Radiolyse. Die so entstehenden
Radiolyseprodukte sind für einen Großteil des Schadens an DNA verantwortlich.
Ein detailliertes Verständnis der zu- grunde 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 mi- kroskopischen
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 ei- ner
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, Partikelstreusi-
mulationen (Geant4-DNA) und Diffusionsberechnungen zu D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy
bestimmt. Aus der Konvolution der Plasmidpositionen mit dem durch
Elektronenstreusimulationen bestimm- ten 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 verallge- meinert. Dadurch ist die Methode
unabhängig von der verwandten Primärstrahlung, der Pro- bengeometrie 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-Streck- schwingungen
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 ers- ten 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 Streu- querschnitts 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.
de
dc.description.abstract
To cure cancer radiation therapy is used to kill tumor cells. It is based on
radiation induced damage to biomolecules. Especially DNA damage is of key
interest due to its central role in apoptosis and mutation. Because of the
high amount of water in biological tissue, most of the damage is caused by the
secondary particles produced by the inelastic scattering of ionizing radiation
and water. A detailed understanding of the underlying molecular processes
under physiological conditions is the prerequisite to develop more efficient
therapies. Goal of this work is to quantify the DNA damage caused by ionizing
radiation in dependence of the inelastic scattering events and the energy
deposit within the microscopic target volume of biological relevance. The
irradiations have to be performed in liquid, under consideration of the
chemical environment. Therefore, a new combination of experiment and Monte-
Carlo simulations was developed and tested. To make it possible to irradiate
liquids with electrons within scanning electron microscopes a new sample
holder was constructed incorporating an electron transparent nanomembrane. It
makes it possible to irradiate DNA, proteins or cells at different pH,
salinity and in the presence of cosolutes. The median lethal dose for a model
system of plasmid DNA and water was determined by the combination of
experimental data, particle scattering simulations (Geant4-DNA) and diffusion
calculations as D1/2 = 1.7 ± 0.3 Gy. From the convolution of plasmid positions
and the spatially resolved energy deposit, as determined by electron
scattering simulations, the histogram of the energy deposit within the target
volume of the plasmids and the microscopic median lethal energy deposit was
calculated as E1/2 = 6 ± 4 eV . It could be deduced that on average less than
two ionization events are sufficient to cause a single-strand-break. The
relation of single- strand-breaks (SSB) to double-strand-breaks (DSB), which
is of importance for microdosimetric modeling, was determined as SSB : DSB =
12 : 1. The presented method for the determination of microscopic dose-damage
relations was further extended to be applicable for general irradiation
experiments. It becomes independent of the type of primary radiation used, the
experimental geometry, and the diffusional properties of the molecules under
investigation. This way different experimental systems with varying, in-
homogeneous energy deposit characteristics become comparable with each other,
which is not possible when only macroscopic averaged values are taken into
account. In addition, the radiation protection properties of the compatible
solute ectoine, as well as its influence on the water properties and
biomolecules were investigated. Raman spectroscopy re- vealed a concentration
dependent increase of the collective water modes in the OH-stretching region,
which was found to be independent of the sodium chloride concentration.
Molecular dynamic simulations showed that the zwitterionic properties of
ectoine lead to its half-chair conformation. The hydrogen bonds in the first
hydration shell are more stable and have an in- creased lifetime compared to
the bulk water. Irradiation experiments with DNA in the presence of 1 M
ectoine revealed an increase of the survival rate by a factor of 1.41 as
compared to the absence of ectoine. The protective properties of ectoine
result from the increase of the inelastic scattering probabilities of low
energy electrons at the acoustic vibrational modes of water and its properties
as OH-radical scavenger. This was shown by Raman spectroscopy and electron
paramagnetic resonance measurements (EPR).
en
dc.format.extent
108 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
radiation damage
dc.subject
Ectoine, DNA protection, radiation protection, electron irradiation, radiation therapy, water
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter
Elektronenbestrahlung
dc.contributor.contact
hahn@physik.fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Joachim Heberle
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Heinz Sturm
dc.date.accepted
2018-02-14
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000106497-4
dc.title.translated
Quantification of DNA damage in fully aqueous environment under direct
electron irradiation
en
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000106497
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000023382
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free
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open access