Die Schadensursachen während der Protonenbestrahlung wurden durch Untersuchungen zur Elektronenanregungsantwort der DNA auf Protonenbestrahlung geklärt. Gemäß strahlenbiologischen Studien zu den Auswirkungen ionisierender Strahlung auf die menschliche Gesundheit ist Desoxyribonukleinsäure (DNA) das Hauptziel der schädlichen Wirkungen von Strahlung. Ionisierende Strahlung kann eine signifikante lokalisierte Energieakkumulation in der DNA verursachen, um Doppelhelixbrüche zu verursachen, die Mutationen, Chromosomenanomalien und Veränderungen in der Genexpression verursachen können. Um Strahlenbehandlungen zu entwickeln und Strahlenschutzmaßnahmen zu verbessern, ist es entscheidend, die diesen Wechselwirkungen zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen.
Christopher Shepard von der University of North Carolina in Chapel Hill und seine Kollegen verwenden leistungsstarke Computersimulationen, um genau zu zeigen, welcher Teil des DNA-Moleküls schädliche Energien absorbiert, wenn er der Strahlung geladener Teilchen ausgesetzt wird. Seine Forschung könnte eines Tages dazu beitragen, die langfristigen Strahlenfolgen von Krebsbehandlungen und der bemannten Raumfahrt zu reduzieren.
Die Wechselwirkung von Strahlung mit der elektrischen Struktur der DNA erfordert einen komplexen Prozess. Die genaue Dynamik dieser Wechselwirkungen auf atomarer Ebene wird von den derzeit in der Strahlenbiologie und therapeutischen Strahlentherapie verwendeten Computermodellen nicht erfasst. Stattdessen bestimmen diese Modelle anhand geometrischer Schnitte, ob ein Strahlungsteilchen wie ein Photon oder Ion, das das Zellvolumen durchquert, genug Energie überträgt, um einen oder beide DNA-Stränge zu brechen. Die Modelle geben nur die Wahrscheinlichkeit an, dass eine Zellpopulation nach Erhalt einer bestimmten Strahlendosis aufhört, sich zu reproduzieren, ohne Wechselwirkungen auf atomarer Ebene zu beschreiben.
Ionisierende Strahlung, die das Potenzial hat, Zellen zu inaktivieren, kann verwendet werden, um das Tumorwachstum zu stoppen. Tatsächlich gehört Bestrahlung immer noch zu den am häufigsten verwendeten Krebsbehandlungen. Bei der Behandlung von Krebs kann die Behandlung jedoch nachteilige Auswirkungen auf gesundes Gewebe haben. Bei der Gamma- und Röntgentherapie verlieren hochenergetische Photonen schnell Energie, nachdem sie in den Körper eingedrungen sind. Andererseits verlieren die geladenen Teilchen, die in der Schwerionen-Strahlentherapie verwendet werden, den größten Teil ihrer Energie gegen Ende ihrer Reisestrecke. Besonders bei sich schnell bewegenden Teilchen bewirkt dieser hohe Energieverlust auf sehr kurze Distanz eine deutliche Erhöhung der in einem begrenzten Volumen akkumulierten Energie.
Die Fähigkeit, mit einem geladenen Teilchenstrahl präzise auf eine Tumorform und -tiefe abzuzielen, ermöglicht es Strahlentherapeuten, Schäden an gesundem Gewebe jenseits des Tumors zu reduzieren und gleichzeitig gesundes Gewebe vor dem Tumor zu schonen. Aufgrund ihrer Selektivität ist die Schwerionenbestrahlung ein hochmoderner Therapieansatz, der bösartige Erkrankungen heilen kann, die mit herkömmlichen Behandlungen nicht mehr als unheilbar gelten.
Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Elektronenorbitalen sind für den größten Teil der Energie verantwortlich, die ein geladenes Teilchen auf ein Medium überträgt. Der Begriff "Strahlungsschutzvermögen" bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, geladene Teilchen wie Elektronen oder Ionen zu verzögern oder zu stoppen, wenn sie es passieren. Die durchschnittliche Energie, die erforderlich ist, um ein Atom oder Molekül in einem Medium zu ionisieren, wird häufig verwendet, um diese Kapazität zu messen.
Die Wirksamkeit der Strahlentherapie sollte durch Messung der Stoppkraft einer Substanz bewertet werden. Die Bremskraft wird typischerweise als Energie ausgedrückt, die pro Millimeter Bewegung für biologisches Gewebe aufgewendet wird. Da ein DNA-Molekül eine durchschnittliche Breite von 2 nm hat, ist es derzeit nicht möglich, die Stoppkraft auf der DNA-Skala zu messen.
Shepard und Kollegen maßen die Energieübertragung von hochenergetischen Protonen auf gelöste DNA oder eine DNA-Lösung, die in Zucker-Phosphat-Seitenketten und Nukleobasen-Rückgratkomponenten gespalten ist, indem sie groß angelegte Computersimulationen auf Supercomputern verwendeten. Sie bewerteten die molekulare Komplexität des DNA-Systems mithilfe der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (DFT). DFT ist eine Computertechnik zur Untersuchung der elektronischen Zusammensetzung von Festkörpern, Molekülen und Atomen. Es basiert auf der Idee, dass eine einzelne Funktion, die die Elektronendichte des Systems charakterisiert, die Eigenschaften eines Mehrelektronensystems vorhersagen kann.
Anstatt die Schrödinger-Gleichung für jedes Elektron im System zu lösen, verwendet die DFT eine Reihe von Annahmen, um Wechselwirkungen zwischen Elektronen zu berücksichtigen, was sie zu einer effektiven Methode zur Bestimmung der elektronischen Struktur großer Systeme macht. Die Berechnung der elektrischen Struktur komplexer Systeme, die mit herkömmlichen Techniken nicht untersucht werden konnten, ist jetzt dank Näherungen möglich.
Die Forscher verwendeten Simulationen, um die Gesamtenergie des gelösten DNA-Systems als mathematische Funktion in Abhängigkeit von der Elektronendichte zu beschreiben. Aus der Wellenfunktion des Systems, die die Wahrscheinlichkeit beschreibt, an einem bestimmten Ort ein Elektron mit einem bestimmten Spin zu finden, lässt sich die Elektronendichte berechnen. Mit dieser Methode entdeckten sie, dass die Elektronenverschiebung während der gesamten Reise des Protons stark lokalisiert ist und in Orbitalen, die näher an den Phosphatketten liegen, viel höher ist. Mehr Verdrängung bedeutet, dass das Zucker-Phosphat-Rückgrat der DNA mehr Energie absorbiert als Nukleobasen.
Die Simulationen lassen die weit verbreitete Annahme in Zweifel ziehen, dass die Bremskraft umgekehrt proportional zur numerischen Dichte der im Medium erzeugten Löcher ist. Angesichts ihrer Ergebnisse argumentieren Shepard und Kollegen, dass die Stoppkapazität des gelösten DNA-Mediums auch von der Energie der erzeugten Löcher abhängt. Ihren Erkenntnissen zufolge weist das Zucker-Phosphat-Rückgrat eine höhere Elektron-Loch-Generationsfrequenz auf, was zur Bildung ernsthaft schädlicher freier Radikale führen kann. Wässrige Atome oder Moleküle, die ein ungepaartes Valenzelektron haben und daher mit der lokalen Umgebung hochreaktiv sind, werden als freie Radikale bezeichnet. Als Folge der Reaktion der Radikale mit dem Zucker-Phosphat-Rückgrat können schließlich einer oder mehrere der DNA-Stränge brechen.
Diese Arbeit demonstriert den Wert und die Leistungsfähigkeit von Hochleistungscomputern mit mehreren Kernen zur Untersuchung komplexer Interaktionsdynamiken, die ansonsten in einer Laborumgebung nur schwer zu reproduzieren sind. Die Ergebnisse helfen dabei, die Wissenslücke zwischen Strahlenbiologie und Physik des Transports geladener Teilchen zu schließen, indem identifiziert wird, wo geladene Teilchen den größten Teil ihrer Energie innerhalb eines DNA-Moleküls konzentrieren. Die Ergebnisse der Studie sollten jedoch mit einiger Vorsicht akzeptiert werden, bis umfangreiche empirische Beweise vorliegen, die die Hypothesen der Forscher stützen. Die Wirksamkeit therapeutischer ionisierender Strahlung kann durch ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der DNA-Schädigung verbessert werden. Sie können auch Abwehrmechanismen wie neue Medikamente gegen die schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung auf gesunde Zellen schaffen.
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/41
Günceleme: 14/03/2023 13:13