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

Bei der Behandlung von Krebs mittels Strahlentherapie sollen Tumorzellen abgetotet werden ohne das umliegende gesunde Gewebe zu zerstoren. Um Strahlentherapien fur Patienten vertraglicher zu machen, ist ein besseres Verstandnis der zugrundeliegenden Prozesse auf der molekularen Ebene notig. Dabei sind der Energieeintrag und die Streuprozesse der Strahlung in der Umgebung der DNA von besonderem Interesse. Durch Streuung von hochenergetischer Strahlung in Wasser werden besonders viele Sekundarelektronen mit niedriger Energie erzeugt. Zur Untersuchung der Schadigungseffizienz dieser Elektronen wurde ein Verfahren zur direkten Bestrahlung von Losungen mittels Elektronen variabler Energien enwtickelt. Dies wurde durch einen neu entwickelten Probenhalter mit einer fur Elektronen durchlassigen Nanomembran ermoglicht. Mit diesem konnen Bestrahlungen an DNA, Proteinen, und Zellen bei verschiedenen pH-Werten oder Salzkonzentrationen durchgefuhrt werden. Parallel dazu wurde der ortsabhangige Energieeintrag innerhalb des Wassers durch Elektronenstreusimulationen bestimmt. Diese neuartige Kombination von Experiment und Simulation ermoglicht die Bestimmung der Schaden-Dosis-Relation fur Elektronenbestrahlung von biologischen Systemen unter realistischen physiologischen Bedingungen. So konnten fur die genutzten Primarelektronen wie die mittlere letale Dosis, bei der 50 Prozent der DNA geschadigt sind, mit 1,7 Gy bestimmt. Ebenfalls wurde das fur mikrodosimetrische Modellierungen und Betrachtungen der sogenannten Linear energy transfer (LET) Effekte, wichtige Verhaltnis von DNA Einzelstrangbruchen (SSB) zu Doppelstrangbruchen (DSB) als SSB/DSB = 12/1 bestimmt. Mit Hilfe eines Modells fur das Targetvolumen der DNA wurde 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. Diese Methode ist unabhangig von den Primarpartikel und geometrischen Bedingungen. Deshalb ermoglicht sie die Vergleichbarkeit experimenteller Systeme mit inhomogenen Energieverteilungen, welches sonst nicht gegeben ist. Des weiteren wurden die Strahlenschutzfunktionen des Zellschutzmolekuls Ectoines und sein Einfluss auf Wasser und Biomolekule untersucht. Seine Schutzfunktion gegen ionisierende Strahlung wurde auf die Erhohung des Streuquerschnitts niederenergetischer Elektronen und seine Eigenschaft als OH-Radikalfanger zuruckgefuhrt. Aufbauend auf unseren Erkenntnissen finden in klinischen Arbeitsgruppen Untersuchungen zu Einsatzmoglichkeiten im Umfeld der Strahlentherapie statt. Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245767821