Physik

Strahlenbiologische Studien zu den Auswirkungen ionisierender Strahlung auf die menschliche Gesundheit konzentrieren sich auf das Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Molekül als Hauptziel für schädliche Folgen. Die Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Gewebe und Organen kann zu einer lokalen Energiedeposition führen, die groß genug ist, um Doppelstrangbrüche in der DNA auszulösen, die zu Mutationen, Chromosomenaberrationen und Veränderungen in der Genexpression führen können. Das Verständnis der Mechanismen hinter diesen Wechselwirkungen ist für die Entwicklung von Strahlentherapien und die Verbesserung von Strahlenschutzstrategien von entscheidender Bedeutung. Christopher Shepard von der University of North Carolina in Chapel Hill und seine Kollegen nutzen nun leistungsstarke Computersimulationen, um genau zu zeigen, welcher Teil des DNA-Moleküls schädliche Energiemengen erhält, wenn er der Strahlung geladener Teilchen ausgesetzt wird (Abb. 1) [1]. Ihre Erkenntnisse könnten letztendlich dazu beitragen, die langfristigen Strahlenauswirkungen von Krebsbehandlungen und bemannter Raumfahrt zu minimieren.

Die Wechselwirkung von Strahlung mit der elektronischen Struktur der DNA ist ein komplexer Prozess [2, 3]. Die derzeit in der Strahlenbiologie und klinischen Strahlentherapie verwendeten numerischen Modelle erfassen die detaillierte Dynamik dieser Wechselwirkungen auf atomarer Ebene nicht. Vielmehr verwenden diese Modelle geometrische Querschnitte, um vorherzusagen, ob ein Strahlungsteilchen, beispielsweise ein Photon oder ein Ion, das Zellvolumen durchquert, ausreichend Energie überträgt, um einen Bruch in einem oder beiden DNA-Strängen zu verursachen [4–6]. . Die Modelle beschreiben nicht die Wechselwirkungen auf atomarer Ebene, sondern geben lediglich die Wahrscheinlichkeit an, dass eine bestimmte Strahlungsdosis dazu führt, dass eine Zellpopulation ihre Reproduktionsfähigkeit verliert.

Aufgrund ihrer zellneutralisierenden Wirkung kann ionisierende Strahlung dem Wachstum von Tumoren entgegenwirken. Tatsächlich ist die Strahlentherapie nach wie vor eine der am häufigsten eingesetzten Krebstherapien [7, 8]. Bei der Behandlung bösartiger Erkrankungen kann die Therapie jedoch auch zu schwerwiegenden Folgen für gesundes Gewebe führen. Bei Gamma- und Röntgentherapien beginnen hochenergetische Photonen kurz nach dem Eintritt in den Körper Energie zu verlieren. Im Gegensatz dazu werden bei der Schwerionenstrahlentherapie geladene Teilchen eingesetzt, die am Ende ihrer Reichweite den größten Teil ihrer Energie verlieren. Insbesondere bei sich schnell bewegenden Teilchen führt dieser schnelle Energieverlust über eine sehr kleine Distanz zu einem starken Anstieg der in einem lokalen Volumen deponierten Energie. Aufgrund dieser lokalisierten Energiedeposition können Strahlentherapeuten einen geladenen Teilchenstrahl verwenden, um die Form und Tiefe des Tumors präzise anzuvisieren und so gesundes Gewebe vor dem Tumor zu schonen und gleichzeitig die Schädigung von gesundem Gewebe außerhalb des Tumors zu minimieren. Diese Selektivität macht die Schwerionenstrahlentherapie zu einer revolutionären Therapiemethode, mit der Tumore behandelt werden können, die traditionell mit aktuellen Standardbehandlungen als unheilbar gelten.

Der größte Teil der von einem geladenen Teilchen auf ein Medium übertragenen Energie ist das Ergebnis von Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Elektronenorbitalen. Die durchschnittliche Energie, die erforderlich ist, um ein Atom oder Molekül in einem Medium zu ionisieren, wird oft verwendet, um die sogenannte Strahlungsstoppwirkung eines Materials zu beschreiben: die Fähigkeit des Materials, geladene Teilchen wie Elektronen oder Ionen beim Durchgang durch das Material zu verlangsamen oder zu stoppen [9]. Die Messung der Bremskraft eines Materials ist der Schlüssel zur Bestimmung des Nutzens einer Strahlentherapie. Bei biologischen Geweben wird die Bremskraft normalerweise anhand des Energieverlusts pro zurückgelegtem Mikrometer gemessen. Allerdings hat ein DNA-Molekül eine durchschnittliche Breite von 2 nm, sodass eine Messung der Bremskraft im DNA-Maßstab derzeit nicht möglich ist.

Shepard und seine Kollegen nutzten groß angelegte Computersimulationen auf Supercomputern, um den Energietransfer von hochenergetischen Protonen auf solvatisierte DNA zu quantifizieren, d. Sie nutzten die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (DFT), um die Komplexität des DNA-Systems auf molekularer Ebene zu bewerten. DFT ist eine rechnerische Methode zur Untersuchung der elektronischen Struktur von Atomen, Molekülen und Festkörpern. Es basiert auf dem Konzept, dass die Eigenschaften eines Vielelektronensystems durch eine einzige Funktion bestimmt werden können, die die Elektronendichte des Systems beschreibt. DFT ist eine effiziente Methode zur Berechnung der elektronischen Struktur großer Systeme, da sie eine Reihe von Näherungen verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen zu berücksichtigen, anstatt die Schrödinger-Gleichung für jedes Elektron im System zu lösen. Diese Näherungen ermöglichen die Berechnung der elektronischen Struktur komplexer Systeme, die mit herkömmlichen Methoden nicht untersucht werden könnten.

In ihren Simulationen drückten die Forscher die Gesamtenergie des solvatisierten DNA-Systems als mathematische Funktion der Elektronendichte aus. Aus der Wellenfunktion des Systems lässt sich die Elektronendichte berechnen, die wiederum die Wahrscheinlichkeit beschreibt, ein Elektron an einer bestimmten Position und mit einem bestimmten Spin zu finden. Mit diesem Ansatz stellten sie fest, dass die Elektronenverschiebung stark entlang der Protonenbahn lokalisiert war und in Flugbahnen näher an den Phosphatketten deutlich stärker ausgeprägt war. Die höhere Verschiebung deutet darauf hin, dass das Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA mehr Energie absorbierte als die Nukleobasen.

Die Simulationen stellen die herkömmliche Annahme in Frage, dass die Bremskraft proportional zur Anzahldichte der im Medium erzeugten Löcher ist. Basierend auf ihren Ergebnissen argumentieren Shepard und Kollegen, dass die Bremskraft des solvatisierten DNA-Mediums auch von der Energie der erzeugten Löcher abhängt. Ihre Ergebnisse deuten auf eine häufigere Bildung von Elektronenlöchern im Zucker-Phosphat-Rückgrat hin, was zur Bildung äußerst schädlicher freier Radikale führen kann. Freie Radikale sind wässrige Atome oder Moleküle, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen, wodurch sie gegenüber dem lokalen Medium hochreaktiv sind. Radikale, die mit dem Zucker-Phosphat-Rückgrat interagieren, können Brüche im Rückgrat und schließlich den Bruch eines oder mehrerer DNA-Stränge verursachen.

Diese Arbeit demonstriert den Nutzen und die Leistungsfähigkeit von Hochleistungs-Multicore-Computern für die Untersuchung komplexer Interaktionsdynamiken, die ansonsten in einer Laborumgebung nur schwer zu reproduzieren wären. Die Ergebnisse zeigen, wo geladene Teilchen den größten Teil ihrer Energie in einem DNA-Molekül ablagern, und tragen so dazu bei, die Lücke in unserem Wissen darüber zu schließen, wie sich die Radiobiologie mit der Physik des Transports geladener Teilchen überschneidet. Es ist jedoch Vorsicht geboten, die Schlussfolgerungen der Studie zu akzeptieren, bis detaillierte experimentelle Ergebnisse die Modelle der Forscher bestätigen. Durch die weitere Aufklärung der zugrunde liegenden Mechanismen der DNA-Schädigung könnten Wissenschaftler möglicherweise die Wirksamkeit therapeutischer ionisierender Strahlung steigern. Möglicherweise können sie auch Gegenmaßnahmen wie neue Medikamente entwickeln, die die schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung auf gesunde Zellen minimieren.

Jeffery C. Chancellor ist Assistenzprofessor für Physik an der Louisiana State University und hat außerdem außerordentliche Positionen in der Abteilung für Präventivmedizin und Bevölkerungsgesundheit der medizinischen Abteilung der University of Texas und am Outer Space Institute der University of British Columbia, Kanada, inne. Seine Forschungsinteressen konzentrieren sich auf Anwendungen der Wechselwirkung von Schwerionenstrahlung mit weicher und kondensierter Materie für die Struktur bemannter Raumfahrzeuge, die Abschirmung und die klinische Gesundheitsfürsorge. Er ist Gründer und CTO von Atlantis Industries, das Technologien zum Schutz von Menschen, Raumfahrtsystemen und Mikroelektronik vor den mit der Raumfahrt verbundenen Gefahren durch ionisierende Strahlung entwickelt.

Christopher Shepard, Dillon C. Yost und Yosuke Kanai

Physik. Rev. Lett. 130, 118401 (2023)

Veröffentlicht am 13. März 2023

Forscher haben Details darüber aufgedeckt, wie die Federn eines Wüstensandhuhns Wasser absorbieren, eine Erkenntnis, die bei der Entwicklung wasserspeichernder künstlicher Materialien hilfreich sein könnte. Mehr lesen "

Modellverbesserungen liefern mehr Informationen über den Zusammenhang zwischen Weidetieren und der Bildung spiralförmiger Vegetationsmuster in trockenen Klimazonen. Mehr lesen "

Forscher bewegen ein einzelnes Mg+-Ion mehr als 100.000 Mal zwischen verschiedenen Standorten in einem Einfangarray, ohne es fallen zu lassen oder seine Quantenkohärenz zu zerstören. Mehr lesen "