Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung

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.

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).