Thesis--Leyden. / In Periodical Room.

Hintergrund: Ein sehr häufig in der nuklearmedizinischen Diagnostik genutztes Radionuklid ist 99mTc. Es emittiert Gammastrahlung mit einer relativ niedrigen Energie (140 keV) und hat eine kurze Halbwertszeit von 6 h. Zusätzlich zur Gammastrahlung entstehen bei jedem Zerfall von 99mTc Auger-Elektronen. Diese niederenergetischen Elektronen, sehr kurzer Reichweite verfügen über einen hohen LET und erzeugen somit eine ausreichende Energiedeposition, um direkte DSB zu erzeugen. Bei Untersuchungen zu Chemotoxizität und Radiotoxizität mit Zellexperimenten gilt es eine Vielzahl an verschiedenen Schutzmechanismen, Reparaturmechanismen und Signalkaskaden in Zellen zu beachten, welche häufig noch nicht vollständig erforscht sind. Um das schädigende Potential von unterschiedlichen Substanzen und Strahlenqualitäten auf die DNA zu untersuchen, wurde ein zellfreies System gewählt. Ziel dieser Arbeit war es, neben den Strahlenqualitäten der Alpha-, Beta, Gamma- und Röntgenstrahlung die Auger-Elektronen des 99mTc auf ihr Potential zur Induktion von DNA-Strangbrüchen zu untersuchen. Hierfür stand die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI zur Verfügung, welche 99mTc an das Plasmid binden und somit in direkte DNA-Nähe bringen kann. Material und Methode: Alle Versuche wurden mit dem Plasmid pUC 19, einem künstlich hergestellten, bakteriellen Plasmid mit 2686 Basenpaaren, welches als nackte DNA ohne Proteine vorliegt, durchgeführt. Der Vergleich zwischen bestrahltem Plasmid in Ab- und Anwesenheit des Radikalfängers DMSO gibt Hinweise darauf, ob Strangbrüche direkt induziert oder nach Radikalbildung indirekt erzeugt werden. Bei radikalvermittelter Wirkung verhindert DMSO DNA-Strangbrüche und die ungeschädigte Supercoiled-Plasmid-Konformation bleibt erhalten. Nach Bestrahlung des Plasmids erfolgte der Nachweis von Strangbrüchen mittels Agarose-Gelelektrophorese. Bekommt ein Plasmid Einzel- oder Doppelstrangbrüche, so verändert sich seine Konformation zu einem ringförmigen/open circle (ESB) oder einem linearen Plasmid (DSB). Durch veränderte Laufeigenschaften im Agarosegel sind die verschiedenen Konformationen voneinander trennbar. Nach Anfärben der DNA mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid konnte das fluoreszierende Plasmid fotografiert und die Intensität der Konformationsbanden quantifiziert werden. Ergebnisse: Zuerst wurde die Reproduzierbarkeit der Methodik überprüft und festgestellt, dass eine Korrelation zwischen Plasmidmasse und Fluoreszenzintensität besteht. Anschließend wurde in Vorversuchen gezeigt, dass die Inkubationstemperaturen, pH-Werte und der Radikalfänger DMSO keinen Einfluss auf die Plasmidintegrität haben. Bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung, dem Beta-Strahler 188Re und dem nicht DNA-gebundenen Gamma-Strahler und Auger-Emitter 99mTc konnte mit steigender Dosis eine Zunahme an ESB festgestellt werden. Vergleichsproben mit DMSO zeigten keinen Anstieg von ESB, was auf eine radikalvermittelte 67 DNA-Schädigung mittels Reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) hinweist. Ab einer Energiedosis von ca. 80 Gy konnten nach Bestrahlung mit 188Re und 99mTc zusätzlich zu den ESB auch DSB nachgewiesen werden. DMSO konnte in den Vergleichsproben sowohl die ESB als auch die DSB erfolgreich verhindern. Bei einer sehr hohen Dosis ≥ 600 Gy zeigte DMSO Kapazitätsgrenzen und es konnten nicht mehr alle Strangbrüche verhindert werden. Die Bestrahlung mit dem Alpha-Strahler (hoher LET) 223Ra fügte, im Vergleich zu Strahlung mit niedrigem LET, dem Plasmid überproportional viele DSB zu. Einige dieser DSB konnten nicht durch DMSO verhindert werden, was auf einen direkten DNA-Schaden bzw. eine zu hohe Radikaldichte hinweist. Ein noch stärkerer direkter Effekt konnte beobachtet werden, wenn 99mTc über die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI an DNA gebunden wurde. Dabei konnten schon ab einer Energiedosis von 4 Gy DSB erzeugt werden, welche trotz Radikalfänger nicht verhindert werden konnten. Schlussfolgerung: Dieser bei 99mTc-HYNIC-DAPI beobachtete Effekt wird den Auger-Elektronen zugeschrieben. Aufgrund ihrer kurzen Reichweite und ihres hohen LET sind sie in der Lage direkte DSB zu erzeugen, wenn sie DNA-gebunden sind oder sich in geringem Abstand zur DNA befinden. Die Ergebnisse der Experimente weisen auf ein therapeutisches Potential von 99mTc hin. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob eine Adressierung von 99mTc an die DNA im Zellkern einer intakten Zelle zu verwirklichen ist und ob DNA-gebundenes 99mTc durch die Energie der Auger-Elektronen den Zelltod herbeiführen kann. Im nächsten Schritt sollte die Erforschung von Trägersubstanzen erfolgen, welche es ermöglichen Auger-Emitter spezifisch an die DNA von Tumorzellen zu koppeln. / Introduction and aim of the study: A radionuclide commonly used in diagnostic nuclear medicine is 99mTc. It emits gamma rays with a relatively low energy (140 keV) and has a short half-time (6h). In addition to gamma rays, 99mTc radiates so called Auger-electrons with low energy, low range and high linear energy transfer. Due to the high-LET Auger-electrons have a sufficient energy deposition to induce direct double-strand breaks to the DNA. In these experiments we used plasmid DNA to evaluate damage induced to biological systems by different chemotoxical substances and radionuclides as well as external radiation. By using plasmids instead of cell cultures we avoid lots of unexplored signal pathways in cells and it is possible to quantify chemotoxical and radiation damage to the DNA. Materials and methods: The double-stranded plasmid pUC 19 with 2686 bp is used in all experiments. It is a synthetically produced bacterial plasmid without any proteins. To distinguish between directly and indirectly (radical induced) induced damage we used the radical scavenger DMSO. Indirectly induced damage via reactive oxygen species (ROS) can be prevented by DMSO. The quantification of supercoiled forms, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) was measured by the method of agarose gel electrophoresis. After the electrophoresis, agarose gels are dyed in ethidium bromide and imaged with a ccd-camera using ultraviolet transillumination. The bands of the different plasmid forms were quantified through the FIJI computer program. Results: First of all a correlation between plasmid mass and fluorescence intensity was shown. In a pretrial no damaging effect to the plasmid from incubation temperature, pH-value and radical scavenger DMSO appeared. Afterwards we examined chemotoxical SnCl2, external x-rays, the alpha emitter 223Ra, the beta emitter 188Re, gamma- and Auger-emitter 99mTc and the DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI. The radical scavenger DMSO was used to differentiate between indirect (radical induced) and direct DNA-damage. All different radiation qualities showed an increasing DNA-damage with increasing energy dose. For the low-LET radiation qualities like chemotoxical SnCl2, external x-rays, the beta emitter 188Re and not DNA-bound 99mTc, DMSO showed the quality to prevent the damage. After the deposition of an energy dose ≥ 600 Gy DMSO showed a limitation in his scavenger capacity. During radiation with high-LET beams like 223Ra or DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI DMSO showed less or nearly no ability to prevent DNA-damage. A 4 Gy dose of 99mTc-HYNIC-DAPI was able to induce DSB into the plasmid. These DSB could not be prevented by DMSO. The lower ESB:DSB ratio for high-LET beams also displays that direct damage is more likely to create DSB than indirect damage. Conclusion: In conclusion we can say that DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI was most appropriate to induce DSB via a direct effect. It was impossible to prevent this damage due to adding the 69 radical scavenger DMSO. We attribute this to low range, low-LET Auger-electrons and suppose that it may be possible to use DNA-bound 99mTc for therapeutic purpose. Further research has to show if 99mTc can be targeted to the DNA of intact cells and if suitable tracers can be found to safely target and kill tumor cells.

Die Untersuchung von korrelationsinduzierten Effekten, wie beispielsweise der kollektiven magnetischen Ordnung, verlangt einen Einblick in die elektronische Struktur der Festkörper. Hier stehen mit den Ein-Teilchen-Spektroskopien (Photoemission und inverse Photoemission) sowie den Zwei-Teilchen-Spektroskopien (Auger-Elektronen- und Appearance-Potential-Spektroskopien) nützliche experimentelle Werkzeuge zur Verfügung. Eine adäquate Interpretation der experimentell ermittelten Spektren erfordert die Berücksichtigung (i) der elektronischen Korrelationen, (ii) der orbitalen Entartung sowie (iii) der Übergangsmatrixelemente. Der vorliegenden Arbeit liegt ein Multiband-Hubbard-Modell zugrunde, das die Hopping- und Hybridisierungsprozesse der für die 3d-Übergangsmetalle relevanten Orbitale (4s-, 4p- und 3d-Orbitale) und die lokalen Coulomb-Wechselwirkungen der stark lokalisierten 3d-Elektronen beschreibt. Die Hopping- und Hybridisierungsparameter werden Bandstrukturrechnungen (lokale Dichteapproximation der Dichtefunktionaltheorie) entnommen. Als Ein-Teilchen-Basis werden quasiatomare Orbitale verwendet, deren hohe Symmetrie es erlaubt, die vollständige lokale 3d-Coulomb-Matrix mithilfe von lediglich drei Zahlen (effektive Slater-Parameter) zu parametrisieren. Fasst man die effektiven Slater-Parameter zu einer mittleren direkten Wechselwirkungsstärke U und einer mittleren Austauschwechselwirkungsstärke J zusammen, so sind U und J die beiden einzigen Parameter des Modells, die dann an experimentelle Daten (z.B. Spinmoment bei T=0K) angepasst werden können. Für die Berechnung der Ein-Teilchen-Green-Funktion, die die Photoemissionsspektren bestimmt, wird die Störungstheorie zweiter Ordnung um die Hartree-Fock-Lösung verwendet und damit die Magnetisierung als Funktion der Temperatur für Nickel berechnet. Die Kombination der errechneten Green-Funktion mit den Übergangsmatrixelementen der Photoemission gestattet dann einen quantitiven Vergleich mit experimentellen spin- und winkelaufgelösten Daten für endliche Temperaturen und verschiedene Photonenenergien. Die Zwei-Teilchen-Spektren lassen sich als Funktionale der Ein-Teilchen-Green-Funktion auffassen. Durch die Verwendung sogenannter Leiter-Näherungen werden nicht nur die Wechselwirkungen der an den Übergangsprozessen beteiligten Teilchen mit dem Restsystem (Selbstenergieeinschübe) berücksichtigt, sonderen auch die Wechselwirkungen der direkt am Prozess beteiligten Teilchen untereinander (Endzustandskorrelationen). Die Verwendung des Zwei-Stufen-Modells impliziert jedoch, dass die Valenzbandelektronen das Potential des zuvor erzeugten Core-Lochs abschirmen werden, was sich insbesondere auf die Auger-Spektren auswirkt. Am Beispiel der Appearance-Potential-Spektren wird die vielteilchentheoretisch berechnete Green-Funktion mit entsprechenden Übergangsmatrixelementen kombiniert. Die resultierenden Spektren sind für alle betrachteten Temperaturen in sehr guter Übereinstimmung mit gemessenen Spektren. / The investigation of correlation-induced effects, as for example the collective magnetic order, requires an insight into the electronic structure of solids. In this context the one-particle spectroscopies (photoemission and inverse photoemission) as well as the two-particle spectroscopies (Auger electron and appearance potential spectroscopies) represent useful experimental tools. An adequate interpretation of the experimentally determined spectra requires the consideration of (i) electronic correlations, (ii) orbital degeneration as well as (iii) transition-matrix elements. The present work uses a multi-band Hubbard model, which describes the hopping and hybridization processes of the relevant orbitals in the 3d-transition metals (4s, 4p and 3d orbitals) and the local Coulomb interactions of the strongly localized 3d electrons. The hopping and hybridization parameters are taken from band-structure calculations (local density approximation of the density functional theory). As one-particle basis quasi-atomic orbitals are used, whose high symmetry permits it to parameterize the complete local Coulomb-matrix among 3d-electrons by only three numbers (effective Slater parameters). If one combines the effective Slater parameters into an averaged direct interaction strength U and an averaged exchange interaction strength J, then U and J are the only parameters of the model, which can be fitted to experimental data (e.g. spin moment at T=0K). For the calculation of the one-particle Green function, which determines the photoemission spectra, the second order perturbation theory around the Hartree-Fock solution is used. Within this framework the magnetization as function of the temperature is calculated for nickel. The combination of the calculated Green function and the photoemission transition-matrix elements permits a quantitative comparison with spin- and angle-resolved measurements for finite temperatures and different photon energies. The two-particle spectra can be understood as functionals of the one-particle Green function. Due to the usage of so called ladder approximations one is able to account not only for the correlations between the considered particles and the remainder system (self-energy insertations) but also for the correlations among those particles directly involved in the transition (final state correlations). The usage of the two-step model implies, however, that the valence band electrons tend to screen the additional potential of the core hole created before, which in particular affects the Auger spectra. As an example, the appearance potential spectra of nickel are calculated by combining the corresponding Green function with appropriate transition-matrix elements. The resulting spectra are in a very good agreement with measured spectra for all temperatures.

Hintergrund: Ein sehr häufig in der nuklearmedizinischen Diagnostik genutztes Radionuklid ist 99mTc. Es emittiert Gammastrahlung mit einer relativ niedrigen Energie (140 keV) und hat eine kurze Halbwertszeit von 6 h. Zusätzlich zur Gammastrahlung entstehen bei jedem Zerfall von 99mTc Auger-Elektronen. Diese niederenergetischen Elektronen, sehr kurzer Reichweite verfügen über einen hohen LET und erzeugen somit eine ausreichende Energiedeposition, um direkte DSB zu erzeugen. Bei Untersuchungen zu Chemotoxizität und Radiotoxizität mit Zellexperimenten gilt es eine Vielzahl an verschiedenen Schutzmechanismen, Reparaturmechanismen und Signalkaskaden in Zellen zu beachten, welche häufig noch nicht vollständig erforscht sind. Um das schädigende Potential von unterschiedlichen Substanzen und Strahlenqualitäten auf die DNA zu untersuchen, wurde ein zellfreies System gewählt. Ziel dieser Arbeit war es, neben den Strahlenqualitäten der Alpha-, Beta, Gamma- und Röntgenstrahlung die Auger-Elektronen des 99mTc auf ihr Potential zur Induktion von DNA-Strangbrüchen zu untersuchen. Hierfür stand die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI zur Verfügung, welche 99mTc an das Plasmid binden und somit in direkte DNA-Nähe bringen kann. Material und Methode: Alle Versuche wurden mit dem Plasmid pUC 19, einem künstlich hergestellten, bakteriellen Plasmid mit 2686 Basenpaaren, welches als nackte DNA ohne Proteine vorliegt, durchgeführt. Der Vergleich zwischen bestrahltem Plasmid in Ab- und Anwesenheit des Radikalfängers DMSO gibt Hinweise darauf, ob Strangbrüche direkt induziert oder nach Radikalbildung indirekt erzeugt werden. Bei radikalvermittelter Wirkung verhindert DMSO DNA-Strangbrüche und die ungeschädigte Supercoiled-Plasmid-Konformation bleibt erhalten. Nach Bestrahlung des Plasmids erfolgte der Nachweis von Strangbrüchen mittels Agarose-Gelelektrophorese. Bekommt ein Plasmid Einzel- oder Doppelstrangbrüche, so verändert sich seine Konformation zu einem ringförmigen/open circle (ESB) oder einem linearen Plasmid (DSB). Durch veränderte Laufeigenschaften im Agarosegel sind die verschiedenen Konformationen voneinander trennbar. Nach Anfärben der DNA mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid konnte das fluoreszierende Plasmid fotografiert und die Intensität der Konformationsbanden quantifiziert werden. Ergebnisse: Zuerst wurde die Reproduzierbarkeit der Methodik überprüft und festgestellt, dass eine Korrelation zwischen Plasmidmasse und Fluoreszenzintensität besteht. Anschließend wurde in Vorversuchen gezeigt, dass die Inkubationstemperaturen, pH-Werte und der Radikalfänger DMSO keinen Einfluss auf die Plasmidintegrität haben. Bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung, dem Beta-Strahler 188Re und dem nicht DNA-gebundenen Gamma-Strahler und Auger-Emitter 99mTc konnte mit steigender Dosis eine Zunahme an ESB festgestellt werden. Vergleichsproben mit DMSO zeigten keinen Anstieg von ESB, was auf eine radikalvermittelte 67 DNA-Schädigung mittels Reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) hinweist. Ab einer Energiedosis von ca. 80 Gy konnten nach Bestrahlung mit 188Re und 99mTc zusätzlich zu den ESB auch DSB nachgewiesen werden. DMSO konnte in den Vergleichsproben sowohl die ESB als auch die DSB erfolgreich verhindern. Bei einer sehr hohen Dosis ≥ 600 Gy zeigte DMSO Kapazitätsgrenzen und es konnten nicht mehr alle Strangbrüche verhindert werden. Die Bestrahlung mit dem Alpha-Strahler (hoher LET) 223Ra fügte, im Vergleich zu Strahlung mit niedrigem LET, dem Plasmid überproportional viele DSB zu. Einige dieser DSB konnten nicht durch DMSO verhindert werden, was auf einen direkten DNA-Schaden bzw. eine zu hohe Radikaldichte hinweist. Ein noch stärkerer direkter Effekt konnte beobachtet werden, wenn 99mTc über die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI an DNA gebunden wurde. Dabei konnten schon ab einer Energiedosis von 4 Gy DSB erzeugt werden, welche trotz Radikalfänger nicht verhindert werden konnten. Schlussfolgerung: Dieser bei 99mTc-HYNIC-DAPI beobachtete Effekt wird den Auger-Elektronen zugeschrieben. Aufgrund ihrer kurzen Reichweite und ihres hohen LET sind sie in der Lage direkte DSB zu erzeugen, wenn sie DNA-gebunden sind oder sich in geringem Abstand zur DNA befinden. Die Ergebnisse der Experimente weisen auf ein therapeutisches Potential von 99mTc hin. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob eine Adressierung von 99mTc an die DNA im Zellkern einer intakten Zelle zu verwirklichen ist und ob DNA-gebundenes 99mTc durch die Energie der Auger-Elektronen den Zelltod herbeiführen kann. Im nächsten Schritt sollte die Erforschung von Trägersubstanzen erfolgen, welche es ermöglichen Auger-Emitter spezifisch an die DNA von Tumorzellen zu koppeln. / Introduction and aim of the study: A radionuclide commonly used in diagnostic nuclear medicine is 99mTc. It emits gamma rays with a relatively low energy (140 keV) and has a short half-time (6h). In addition to gamma rays, 99mTc radiates so called Auger-electrons with low energy, low range and high linear energy transfer. Due to the high-LET Auger-electrons have a sufficient energy deposition to induce direct double-strand breaks to the DNA. In these experiments we used plasmid DNA to evaluate damage induced to biological systems by different chemotoxical substances and radionuclides as well as external radiation. By using plasmids instead of cell cultures we avoid lots of unexplored signal pathways in cells and it is possible to quantify chemotoxical and radiation damage to the DNA. Materials and methods: The double-stranded plasmid pUC 19 with 2686 bp is used in all experiments. It is a synthetically produced bacterial plasmid without any proteins. To distinguish between directly and indirectly (radical induced) induced damage we used the radical scavenger DMSO. Indirectly induced damage via reactive oxygen species (ROS) can be prevented by DMSO. The quantification of supercoiled forms, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) was measured by the method of agarose gel electrophoresis. After the electrophoresis, agarose gels are dyed in ethidium bromide and imaged with a ccd-camera using ultraviolet transillumination. The bands of the different plasmid forms were quantified through the FIJI computer program. Results: First of all a correlation between plasmid mass and fluorescence intensity was shown. In a pretrial no damaging effect to the plasmid from incubation temperature, pH-value and radical scavenger DMSO appeared. Afterwards we examined chemotoxical SnCl2, external x-rays, the alpha emitter 223Ra, the beta emitter 188Re, gamma- and Auger-emitter 99mTc and the DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI. The radical scavenger DMSO was used to differentiate between indirect (radical induced) and direct DNA-damage. All different radiation qualities showed an increasing DNA-damage with increasing energy dose. For the low-LET radiation qualities like chemotoxical SnCl2, external x-rays, the beta emitter 188Re and not DNA-bound 99mTc, DMSO showed the quality to prevent the damage. After the deposition of an energy dose ≥ 600 Gy DMSO showed a limitation in his scavenger capacity. During radiation with high-LET beams like 223Ra or DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI DMSO showed less or nearly no ability to prevent DNA-damage. A 4 Gy dose of 99mTc-HYNIC-DAPI was able to induce DSB into the plasmid. These DSB could not be prevented by DMSO. The lower ESB:DSB ratio for high-LET beams also displays that direct damage is more likely to create DSB than indirect damage. Conclusion: In conclusion we can say that DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI was most appropriate to induce DSB via a direct effect. It was impossible to prevent this damage due to adding the 69 radical scavenger DMSO. We attribute this to low range, low-LET Auger-electrons and suppose that it may be possible to use DNA-bound 99mTc for therapeutic purpose. Further research has to show if 99mTc can be targeted to the DNA of intact cells and if suitable tracers can be found to safely target and kill tumor cells.