Quantifizierung der Schädigung von DNA in wässriger Lösung unter direkter Elektronenbestrahlung

Bei der Behandlung von Krebs wird Strahlentherapie zur Zerstorung von Tumorzellen eingesetzt. Der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist die durch ionisierende Strahlung verursachte Schadigung an Biomolekulen. Dabei kommt den Schadigungsprozessen an DNA aufgrund ihrer zentralen Rolle in Mutation und Zelltod eine besondere Bedeutung zu. Durch den hohen Wasseranteil in menschlichen Zellen findet ein Grosteil der inelastischen Streuprozesse an Wassermolekulen statt und fuhrt zur deren Radiolyse. Die so entstehenden Radiolyseprodukte sind fur einen Grosteil des Schadens an DNA verantwortlich. Ein detailliertes Verstandnis der zugrunde liegenden molekularen Interaktion ist die Voraussetzung um effizientere Therapien zu entwickeln. Ziel dieser Arbeit ist es, die Schadigung von DNA durch ionisierende Strahlung in Abhangigkeit der inelastischen Streuevents und des Energieeintrags innerhalb des biologisch relevanten mikroskopischen Treffervolumens zu quantifizieren. Die Bestrahlungen mussen dazu in Flussigkeit, unter Berucksichtigung der chemischen Umgebung durchgefuhrt werden, welche die indirekten Schaden vermittelt. Deshalb wurde eine neuartige Kombination aus Experiment und Monte- Carlo-Simulationen entworfen und angewandt. Um Elektronenbestrahlung flussiger Losungen innerhalb eines Rasterelektronenmikroskops zu ermoglichen, wurde ein Probenhalter mit einer fur Elektronen durchlassigen Nanomembran entwickelt. So konnen Bestrahlungen an DNA, Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten, Salzkonzentrationen oder in Anwesenheit von Kosoluten durchgefuhrt werden. Fur 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 ortsaufgelosten Energieeintrag wurde dessen Haufigkeitsverteilung 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 fuhren. Das fur mikrodosimetrische Modellierungen wichtige Verhaltnis von Einzelstrangbruchen (SSB) zu Doppelstrangbruchen (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 unabhangig von der verwandten Primarstrahlung, der Probengeometrie und den Diffusionseigenschaften der untersuchten Molekule anwendbar. So wird eine Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen erreicht, die bei ausschlieslicher Betrachtung makroskopischer, gemittelter Grosen nicht gegeben ist. Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des kompatiblen Soluts Ectoine und sein Einfluss auf Wasser und Biomolekule untersucht. Mittels Ramanspektroskopie wurde ein kon-zentrationsabhangiger Anstieg des Anteils der Kollektivmoden des Wassers der OH-Streckschwingungen und dessen Unabhangigkeit von der Natriumchloridkonzentration beobachtet. Molekulardynamik-Simulationen zeigten, dass die zwitterionischen Eigenschaften zur Bildung einer half-chair Konformation Ectoines fuhren. Die Wasserstoffbruckenbindungen in der ersten Hydrationshulle sind signifikant stabiler und besitzen hohere Lebensdauern als das Bulk-Wasser. Bestrahlung von DNA in Anwesenheit von 1 M Ectoine fuhrt zu einer Erhohung der Uberlebensrate um den Faktor 1,41. Die Schutzfunktion wurde auf die Erhohung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen an den akustischen Vibrationsmoden des Wasser durch Ectoine und seine Wirkung als OH-Radikalfanger zuruckgefuhrt. Dies wurde mittels Ramanspektroskopie und Elektronenspinresonanzmessungen (ESR) nachgewiesen.