Biologische Konsequenzen einer nanoskaligen Energiedeposition: Fokussierung auf die Rolle niederenergetischer Elektronen

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Bier; Professor Dr. Heinz Sturm
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245767821

Es bestehen derzeit ein großes Interesse sowie ein hoher Entwicklungsbedarf hinsichtlich des Verständnisses von Reaktionen in bestrahlten wässrigen Systemen. Dies betrifft hauptsächlich die Radiotherapie, aber auch andere Gebiete wie z.B. die Entsorgung von radioaktivem Abfall oder die Nanopartikelsynthese. Nach dem klassischen Modell der Strahlenchemie werden bei der Radiolyse von Wasser OH Radikale freigesetzt, die anschließend das Genom schädigen. In jüngster Zeit wird diese Annahme durch eine Reihe neuer Erkenntnisse in Frage gestellt und ein erheblicher Teil der letalen DNA Schädigungen der Wirkung niederenergetischer Elektronen zugeschrieben, welche bei der hochenergetischen Bestrahlung in großer Menge erzeugt werden.Dabei beruht allerdings der experimentelle Nachweis auf Untersuchungen von hauptsächlich im Vakuum bestrahlten "trockenen" DNA Proben.Wir schlagen eine Bestrahlung der DNA in wässriger Lösung mit Elektronen durch eine SiO2 Membran vor. Dabei ist die DNA auf einer nur 40 nm dünnen Membranen immobilisiert. Nachfolgend wird ihre Schädigung in Wasser mittels konfokalen Fluoreszenz- und PCR-Messungen analysiert. Unsere Monte Carlo Simulationen zeigen, dass die Ionisierungsereignisse im Wasser systematisch durch Variation der Aufprallenergie derElektronen (1-5 KeV) auf die Membrane räumlich in einer gewünschten Entfernung von der immobilisierten DNA lokalisiert werden können. Bei der Radiolyse des Wassers entstehen sowohl Elektronen als auch Radikale,wobei sich allerdings ihre Dynamik und ihr Reaktionradius dramatisch unterscheiden. Dadurch ist es möglich, durch Variation der Elektronenenergie den Zerstörungsmodus gezielt anzusprechen und so fundamentale Informationen zu den primären chemischen Ereignissen zu erlangen. Zur Untermauerung der Ergebnisse soll auch die Sequenzabhängigkeit der Schädigung in Analogie zu den Ergebnissen an "trockenen" DNA Proben bei niederenergetischem Elektronenbeschuss untersucht werden. Da die Methode universal mit unterschiedlichenStrahlungstypen eingesetzt werden kann, besitzt sie das Potential für ein besseres allgemeines Verständnis der Radiosensitivität von nm-skaligen Biosystemen und der Entwicklung neuer Konzepte hinsichtlich desDosisbegriffs.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen