<p>During bio-technical processing it is important to monitorbiological parameters such as cell growth, viability andproduct formation. Many of the analyses traditionally used areslow to perform and provide only average data for thepopulation. Flow cytometry is a laser-based technique, whichmeasures physical properties of a cell in a flowing stream, ata rate of several thousand cells per second. It offers theprospect of an at-line, multi-parameter analysis of individualmicroorganisms in a population.</p><p>In this project several methods for at-line measurements ofbioprocesses were developed such as protocol's for measuringcell concentration, viability and product formation. Theprimary focus was on prokaryotic organisms (<i>E. coli</i>) but eukaryotic organisms (<i>P. pastoris</i>) were included.</p><p>The possibility to use volumetric cell counting to measurecell concentration (cell number) was evaluated. It was shownthat the method was applicable for high cell density processesof both<i>E. coli</i>and<i>P. pastoris</i>.</p><p>The combination of Bis- (1,3-dibutylbarbituric acid)trimethine oxonol (depolarised membranes) and propidium iodide(loss of membrane integrity) as fluorescent markers was usefulto measure viability at-line of cells in high cell densityprocesses. The protocol was shown to be reproducible for<i>E. coli</i>and<i>P. pastoris</i>.</p><p>The viability staining was used to study the kinetics ofweak organic acids (food preservatives). The protocol provideddata about cell functions such as membrane depolarisation andloss of membrane integrity caused by introducing weak organicacids to shake flask cultures of<i>E. coli.</i></p><p>Labeling inclusion bodies with fluorescent antibodiesprovided a method, which could specifically monitor theincreased accumulation of recombinant promegapoetin proteinwith process time. This technique was further developed forintracellular staining by application of a permeabilising stepbefore labeling with antibodies. Staining of inclusion bodiesdirectly inside permeabilised cells gave information about thedistribution of protein expression in the cell population.</p><p>In conclusion, flow cytometry provides an at-line, singlecell technique for measurement of several biological parametersin bioprocesses.</p><p><b>Key words</b>: flow cytometry, Partec PAS, propidium iodide(PI), bis- (1,3-dibutylbarbituric acid) trimethine oxonol(BOX), Alexa fluor 488, bioprocess,<i>E. coli</i>,<i>P. pastoris</i>, inclusion body, food preservatives,viability, membrane potential</p>

During bio-technical processing it is important to monitorbiological parameters such as cell growth, viability andproduct formation. Many of the analyses traditionally used areslow to perform and provide only average data for thepopulation. Flow cytometry is a laser-based technique, whichmeasures physical properties of a cell in a flowing stream, ata rate of several thousand cells per second. It offers theprospect of an at-line, multi-parameter analysis of individualmicroorganisms in a population. In this project several methods for at-line measurements ofbioprocesses were developed such as protocol's for measuringcell concentration, viability and product formation. Theprimary focus was on prokaryotic organisms (E. coli) but eukaryotic organisms (P. pastoris) were included. The possibility to use volumetric cell counting to measurecell concentration (cell number) was evaluated. It was shownthat the method was applicable for high cell density processesof bothE. coliandP. pastoris. The combination of Bis- (1,3-dibutylbarbituric acid)trimethine oxonol (depolarised membranes) and propidium iodide(loss of membrane integrity) as fluorescent markers was usefulto measure viability at-line of cells in high cell densityprocesses. The protocol was shown to be reproducible forE. coliandP. pastoris. The viability staining was used to study the kinetics ofweak organic acids (food preservatives). The protocol provideddata about cell functions such as membrane depolarisation andloss of membrane integrity caused by introducing weak organicacids to shake flask cultures ofE. coli. Labeling inclusion bodies with fluorescent antibodiesprovided a method, which could specifically monitor theincreased accumulation of recombinant promegapoetin proteinwith process time. This technique was further developed forintracellular staining by application of a permeabilising stepbefore labeling with antibodies. Staining of inclusion bodiesdirectly inside permeabilised cells gave information about thedistribution of protein expression in the cell population. In conclusion, flow cytometry provides an at-line, singlecell technique for measurement of several biological parametersin bioprocesses. Key words: flow cytometry, Partec PAS, propidium iodide(PI), bis- (1,3-dibutylbarbituric acid) trimethine oxonol(BOX), Alexa fluor 488, bioprocess,E. coli,P. pastoris, inclusion body, food preservatives,viability, membrane potential

Recent studies suggest that lymphocyte apoptosis serves to regulate pulmonary inflammation. Equine COPD, an allergic disease of the lower airway, is likely due to dysregulation of the pulmonary immune response. In this study, the hypothesis tested was COPD affected horses would have less apoptotic airway lymphocytes than control horses during clinical disease. To achieve this, 3 methods of measuring apoptosis, Vindelov's propidium iodide with Triton-X (PI/Triton-X), 7-aminoactinomycin D (7-AAD), and Annexin V with propidium iodide (Annexin/PI) were evaluated in equine airway lymphocytes. A significant linear relationship was found for equine bronchoalveolar lavage (BAL) lymphocytes stained with 7-AAD and Annexin/PI . No relationship was identified with cells stained with PI/Triton-X and Annexin/PI, and 7-AAD and PI/Triton-X indicating that methods which preserve cell membrane characteristics are more comparable when measuring BAL lymphocytes apoptosis in a heterogeneous population of cells. Additionally, all stains appear to perform the same in COPD and normal horses in remission and disease. Comparison of predominately BAL lymphocyte apoptosis using the above methods were performed at baseline, after natural challenge, and after dexamethasone administration in nine horses, five of which were affected with COPD. No differences in bronchoalveolar lavage lymphocyte apoptosis between COPD and control horses were detected either before or after dexamethasone administration, although numerical trends in COPD horses identified less apoptosis after natural challenge indicating that defective apoptosis may play a role in equine COPD pathogenesis. Dexamethasone administration was associated with trends of improvement in the pulmonary gas exchange and increased apoptosis toward baseline in the COPD horses. / Master of Science

This research focused on the cytotoxic properties of RRR-alpha-tocopheryl polyethylene glycol 1000 succinate (TPGS) in transformed and cancerous cell lines. We used RAW264.7 macrophage and prostate cancer (LNCaP) cell lines in this study. TPGS caused cell death and decreased cell viability in a dose and time dependent manner. Cell death was evaluated fluorimetrically by employing the nucleic acid-binding fluorophore; propidium iodide. A colorimetric 3-(4, 5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyl tetrazolium bromide (MTT) assay was used to evaluate cell viability. Cell death can occur through necrosis or apoptosis. Our results suggested that TPGS triggered apoptotic cell death. Induction of apoptosis, as measured by caspase 3 enzymatic activity, was dependent upon the TPGS dose and incubation time. Caspase 8 was activated before caspase 9, suggesting the importance of the death receptor pathway in apoptosis. Our results indicated that TPGS cytotoxicity could also be due to one of its products of hydrolysis, alpha-tocopheryl succinate.

The antimicrobial properties of dextrose encapsulated gold nanoparticles (dGNPs) with average diameters of 25 nm, 60 nm, and 120 nm (± 5 nm) synthesized by green chemistry principles were investigated against both Gram-negative and Gram-positive bacteria. Studies were performed involving the effect of the dGNPs on the growth, morphology and the ultrastructural properties of bacteria. dGNPs were found to have significant dose dependent antibacterial activity which was directly proportional to their size and also their concentration. The microbial assays revealed the dGNPs to be bacteriostatic as well as bactericidal. The dGNPs exhibited their bactericidal action through the disruption of the bacterial cell membrane causing leakage of cytoplasmic content. The overall outcomes of this study suggest that dGNPs hold promise as a potent antimicrobial agent against a wide range of disease causing bacteria and can control and prevent possible infections or diseases.

This diploma thesis deals with the possibilities of stress resistance analysis of the Cupriavidus necator H16 and PHB-4 bacterial cells by spectroscopic methods and by testing the suitability of acridine orange as a viable dye. Based on research in literature, suitable analytical methods have been proposed, namely flow cytometer and fluorescence microscope. The first part of the experimental work was focused on the fluorescence microscope, which confirmed the basic character of acridine orange. Three stress factors, 50% and 70% ethanol, and acidic pH (pH = 1) were selected for viability monitoring. The bacteria fluoresced with green color after exposure to ethanol and red spots were found next to the cells, indicating their loss of integrity. In an acidic environment, the bacteria fluoresced red because of a partial DNA breakdown. The results were verified by the combination of propidium iodide with SYTO9 and the acridine orange suitability proved to be useful in this method. Image records were processed using image analysis. In the second part, acridine orange was used to monitor fluorescence using a flow cytometer. The result of the measurement was fluorescence expressed as histograms for individual channels, where fluorescence was characterized by median and mean intensity. By comparing the methods used, the acridine orange appears to be a more suitable fluorescent dye for the microscope than for a flow cytometer in which it was more difficult to obtain cell viability information. In the last part of the experimental work interesting photophysical properties of acridine orange were investigated.

The ability to deliver sequences of DNA and other molecular loads across the membrane of a cell and into its nucleus is an area of interest in the medical community. One of its many applications is that of gene therapy. In contrast to other forms of treatment, gene therapy seeks to treat diseases at the cellular level. The success of these treatments depends on the technologies for cell transfection that are available. Physical methods are sometimes able to overcome poor efficiencies of chemical methods and the safety concerns of viral methods, but are usually impractical due to the limited number of cells that are able to be transfected at a time, isolation, and immobilization of the cells. Nanoinjection is capable of using millions of small lances in an array to inject hundreds of thousands of cells simultaneously with relatively high efficiencies and viabilities. The solid nature of the lances also allows them to be smaller than their hollow-needle counterparts, which results in higher cell viability. Propidium Iodide (PI), a dye whose fluorescence increases greatly when bound to nucleic acids, was used as an injection molecule for testing the efficacy of the nanoinjection process on HeLa 229 cancer cells in a portion of the experiments, with a GFP plasmid of DNA being used in the rest. After injection, flow cytometry was used to detect the concentration of PI or the expression of the GFP in the injected cells. Since PI cannot normally penetrate the membrane of living cells, those found with high concentrations of PI were either successfully injected or dead, which can be determined by the flow cytometry. Investigation of the parameters that affect the efficiency of the nanoinjection process will help improve it for further research. Some of these parameters that were investigated include the force of injection, the material used for the lances (silicon versus carbon nanotubes), and the injection speed of the lance arrays. An injection device capable of small changes in deflection was designed to ensure accurate increments in force for testing, as well as a pulsed current control injection system. Results for injections of varying forces indicate a slow rise in PI uptake from 0 to 1.8 Newtons where it reaches a maximum uptake of 4.11 when normalized to the PI uptake of the positive controls. The PI uptake then remains relatively level as the force continues to increase, averaging an uptake of approximately 3.1. The slow rise is likely due to more of the cells being punctured as the force increases until most have been punctured and the PI uptake levels off. The viability of the injected cells was close to that of the controls with no clear trend. A comparison of lance arrays made from silicon and carbon nanotubes using DNA as the molecular load shows little difference between materials. Different injection speeds tested show that only 1-5% of the cells in the injection process are lost for speeds in the range of 0.08-0.16 mm/sec, whereas 49-69% of the cells are lost using speeds between 0.6-3 mm/sec.

Delivering foreign molecules into living cells is a broad and ongoing area of research. Gene therapy, or delivering nucleic acids into cells via non-viral or viral pathways, is an especially promising area for pharmaceutics. All gene therapy methods have their respective advantages and disadvantages, including limited delivery efficiency and low viability. Nanoinjection, or delivering molecules into cells using a solid lance, has proven to be highly efficient while maintaining high viability levels. In this thesis, an array of solid silicon lances was tested by nanoinjecting tens of thousands of HeLa cancer cells simultaneously. Several molecule types were injected in different tests to understand cell uptake efficiency and cell viability. Voltage was used to determine the impact of an electric field on molecule delivery. Propidium iodide, a dye that fluoresces when bound to nucleic acids and does not fluoresce when unbound, was delivered into cells using the lance array. Results show that the lance array delivers propidium iodide into up to 78% of a nanoinjected HeLa cell culture, while maintaining 78%-91% viability. Using similar protocol as in propidium iodide experiments, plasmid DNA containing the code for a fluorescent protein was nanoinjected into HeLa cells, resulting in an average expression rate of up to 0.21%. Since gene expression only occurs in cells which have integrated DNA into the genome in the nucleus, a different DNA detection method was developed to determine total DNA count in cells following nanoinjection. DNA strands tagged with a radioactive isotope were nanoinjected into HeLa cells. Liquid scintillation was employed to quantify and discriminate between DNA delivered to cells and DNA that remained in solution around cells following nanoinjection. The largest average amount of DNA delivered to cells was 20.0 x 10^3 DNA molecules per cell. Further development of the radioactive nanoinjection process is needed to more fully understand the parameters that affect DNA delivery efficiency. In all experiments with propidium iodide and DNA molecules, low accumulation voltage, coupled with a short pulsed release voltage, resulted in the greatest molecule delivery efficiencies when compared to tests without voltage or with a constant voltage only. Lastly, an automated nanoinjection system was developed to eliminate variability in user applied nanoinjection force. The automated system was found to reduce variability in average propidium iodide uptake values by 56%. In conclusion, experimental testing of the multi-cell nanoinjection process has shown promising molecule delivery results into human cells, suggesting that further optimization of the process would have positive implications in the field of academic and clinical gene therapy.

Genomic analysis provides a substantial amount of information on evolutionary history, novel genes, transcriptomic expression and regulation in response to environmental stimuli, how efficiently organisms utilize their genome, and directional genome evolution. Genome size analysis serves as the first step in the sequencing process, because sequencing and annotation costs are directly correlated with genome size. Invertebrates represent the vast majority of faunal diversity on the planet, and, to a greater extent, the marine environment, although they are vastly understudied when compared to vertebrate genomes. Flow cytometry is a widely used, reliable, and accurate means of estimating genome sizes and has yielded valid measurements in this comparatively broad taxonomic study. This methodology quantifies genome sizes by measuring the fluorescent re-emission from nuclei that have been saturated with DNA- intercalating dyes, such as propidium iodide. Genome sizes of 19 species across five phyla were estimated by comparison with the known genome size of chicken (Gallus domesticus). Several estimates reported here are the first for their species or class. In addition to estimating new marine invertebrate genome sizes, analyses of some common preservation methods of tissue viability for flow cytometric estimations were performed. Generally, in comparison to RNAlater or ethanol, DMSO-based storage buffer was most successful at preserving nuclear membrane integrity, a requirement for flow cytometric genome size estimations. Recommendations of cost-effective species eligible for current next-generation sequencing technology (<3.5 Gb) are given for invertebrate genomicists seeking potential novel species to sequence.

Hintergrund: Die Entwicklung von Therapieprinzipien zur Behandlung von Krebserkrankungen hat eine anhaltende, sehr hohe wissenschaftliche Relevanz. Ziel dabei ist es, möglichst selektiv nur das erkrankte Gewebe zu schädigen. Besonders relevant ist dabei die Adressierung von für das Zellüberleben wichtigen Strukturen, wie etwa der DNA. Erreicht werden kann dies zum Beispiel durch eine Sensitivierung der DNA gegenüber energiereicher Strahlung. Ein vielversprechender Ansatz ist dabei die Generierung von Auger-Elektronen, welche auf subzellulärer Reichweite eine hohe Energie abgeben (hoher Linearer Energietransfer) und zu DNA-Strangbrüchen führen können. Dass durch unmittelbar an die DNA gekoppelte Auger-Emitter eine besonders effektive DNA-Schädigung zu erreichen ist, wurde zum Beispiel für 111Indium, 123Iod, 125Iod als auch für 99mTechnetium gezeigt. Es konnte sowohl in Untersuchungen an Zellen, als auch an Plasmid-DNA eine erfolgreiche Anregung nicht-radioaktiver Substanzen zur Auger-Emission durch ionisierende Strahlung, wie auch durch UV-Bestrahlung erreicht werden. Bekannt ist diese Sensitivierung gegenüber energiereicher Strahlung für in die DNA integrierte halogenierte DNA-Basen, wie zum Beispiel Iododeoxyuridin, mit Iod markierte DNA-Farbstoffen, wie etwa Iodo-Hoechst, als auch für DNA-gebundenes Platin. Ein bereits Iod enthaltender DNA-Farbstoff ist der Fluoreszenzfarbstoff Propidiumiodid (PI), welcher in die DNA interkaliert. Ob über die Markierung von DNA mit PI eine Sensitivierung gegenüber energiereicher Strahlung durch die Anregung des Iods zur Auger-Emission erreicht werden kann, wird in dieser Arbeit untersucht. Material und Methode: In den Versuchen wurde das Plasmid pUC 19 (2686 Basenpaare) mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten (Röntgenstrahlung, niederenergetische Elektronenbestrahlung durch 99mTechnetium, hochenergetische Elektronenbestrahlung durch 188Rhenium, Partikelbestrahlung durch 223Radium, UV-Bestrahlung (254 nm und 366 nm) und Bestrahlung mit visuellem Licht (530-575 nm)) und Modulatoren (Wasserstoffperoxid H2O2, Zinndichlorid SnCl2, Dimethylsulfoxid DMSO) mit und ohne PI behandelt. Die Entstehung von DNA-Einzel-und Doppelstrangbrüchen führt zu einer Veränderung der Plasmidkonformation von einer superspiralisierten (supercoiled SC) zu entspannteren Formen (Einzelstrangbruch ESB-> open circle OC, Doppelstrangbruch DSB-> linearisiert L). Diese verschiedenen Plasmidkonformationen haben unterschiedliche Laufeigenschaften in der Gelelektrophorese und wurden so aufgetrennt. Nach einer Gelfärbung mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid (EtBr) erfolgte die quantitative Auswertung der Fluoreszenzintensität der unterschiedlichen Plasmidkonformations-Banden. Ergebnisse: Als grundsätzliche Voraussetzung für die nachfolgenden Versuche wurde zunächst die konzentrationsabhängige Markierung der DNA mit PI nachgewiesen, welche zu einer proportionalen Zunahme der Fluoreszenzintensität führt. Die Markierung ist stabil über die Zeit und verursacht keine DNA-Strangbrüche, jedoch eine Konformationsänderung der DNA. Eine Interaktion zwischen PI und der nachfolgenden Gelfärbung mit EtBr besteht nicht. Untersuchungen zur Chemotoxizität der Modulatoren ergaben für H2O2 keine relevante DNA-Strangbruchinduktion und für SnCl2 einen starken DNA-schädigenden Effekt mit einer konzentrationsabhängigen Induktion von ESB und DSB, welche durch den Radikalfänger DMSO verhinderbar waren, also über Radikale vermittelt wurden. Die Kombination aus H2O2 und SnCl2 führt zu einer Verstärkung der DNA-Schädigung. Für die ionisierende Strahlung konnte für alle Strahlenqualitäten eine dosisabhängige DNA-Schädigung mit Entstehung von ESB und bei höheren Dosen von DSB gezeigt werden, welche weitestgehend durch DMSO verhinderbar, also radikalvermittelt, waren. Die PI-Markierung der DNA führte in Kombination mit ionisierender Strahlung zu keiner Verstärkung der DNA-Schädigung. Es ließ sich sogar eher ein diskret protektiver Effekt durch PI bei hohen Dosen nachweisen. Da bekannt ist, dass für die Anregung eine Energie grade größer als die Energie der K-Schalen-Elektronen des Iods besonders effektiv ist, wurde vergleichend die Röntgenbestrahlung mit unterschiedlichen Beschleunigungspannungen (32 kV und 200 kV) untersucht. Jedoch führte auch hier die PI-Markierung nicht zu der erwarteten stärkeren DNA-Schädigung bei 200 kV. Die Untersuchung zur UV-Bestrahlung ergab für die Wellenlänge 254 nm einen DNA-toxischen Effekt. Durch die PI-Markierung ließ sich eine geringe Zunahme der ESB, jedoch keine DSB verzeichnen, so dass eine Auger-Emission unwahrscheinlich erscheint. Es scheint aber zu einer direkten Wechselwirkung mit der DNA zu kommen, da die Schädigung durch DMSO nicht vollständig verhinderbar ist. Für die Wellenlänge 366 nm wurde eine DNA-Toxizität, sowohl ohne, als auch mit PI-Markierung ausgeschlossen. Eine Kombination mit H2O2 führte zu einer massiven DNA-Destruktion mit Entstehung von ESB und DSB, welche durch Zugabe von DMSO suffizient verhindert werden konnten. Eine Bestrahlung mit visuellem Licht (530 - 575 nm) verursachte keine DNA-Schädigung. Durch die Markierung mit PI ließ sich eine konzentrationsabhängige DNA-Schädigung mit Entstehung von ESB erreichen. Es konnten jedoch keine DSB detektiert werden, so dass eine Auger-Emission unwahrscheinlich ist. DMSO kann die Schädigung nur partiell verhindern, so dass ein anderer direkter Effekt anzunehmen ist, am wahrscheinlichsten durch die optimale Anregung zur Fluoreszenz im Bereich des Absorptionsmaximums des PI. Schlussfolgerung: Es ließ sich für alle untersuchten Strahlenqualitäten, sowohl ionisierende Strahlung als auch Lichtbestrahlung, kein Effekt im Sinne einer Anregung zur Auger-Emission und der damit einhergehenden zu erwartenden Entstehung von DSB durch die Markierung mit PI unter den gegebenen Versuchsbedingungen nachweisen. Jedoch ließen sich Wechselwirkung bei der Bestrahlung mit Licht verzeichnen, so dass das grundlegende Prinzip einer Sensitivierung gegenüber energiereicher Strahlung für die Entwicklung von Therapiekonzepten weiterhin im Fokus steht.:1 Einleitung 1 2 Material und Methoden 3 2.1 Material 3 2.1.1 DNA 3 2.1.2 Chemikalien 4 2.1.3 Radionuklide und Bestrahlungssysteme 6 2.2 Methoden 10 2.2.1 Experimentelles Design 10 2.2.2 Charakterisierung der Plasmidkonformationen 12 2.2.3 Dosimetrie 13 2.2.4 Statistische Auswertung 14 3 Ergebnisse 15 3.1 Standardisierung der Messergebnisse und Quantifizierung 15 3.2 Einfluss physikalischer und chemischer Parameter auf die Plasmid-DNA 15 3.2.1 Festlegung Inkubationstemperatur und pH-Wert 15 3.2.2 Einfluss von DMSO auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3 Einfluss von PI auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3.1 Einfluss von DMSO auf Konformationsänderung durch PI 21 3.2.4 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 23 3.2.5 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 24 3.2.6 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 26 3.2.6.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 27 3.2.6.2 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 29 3.2.6.3 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 und H2O2 30 3.3 Dosiswirkungsbeziehungen nach Exposition mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten 31 3.3.1 Bestrahlung mit externer Röntgenstrahlung 31 3.3.1.1 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 31 3.3.1.2 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 33 3.3.2 Bestrahlung mit 99mTc 36 3.3.2.1 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 36 3.3.3 Bestrahlung mit 188Re 40 3.3.3.1 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 40 3.3.4 Bestrahlung mit 223Ra 42 3.3.4.1 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 43 3.3.5 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 46 3.3.5.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 47 3.3.6 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 48 3.3.6.1 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 49 3.3.6.2 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV-Bestrahlung (366 nm) 51 3.3.7 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 52 3.3.7.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 54 4 Diskussion 56 4.1 Experimentelles Designe 58 4.1.1 DNA-Markierung mit PI 58 4.1.2 DNA-Markierung mit EtBr 59 4.2 Untersuchungen zur Chemotoxizität 60 4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und Plasmid-DNA 60 4.2.2 Wechselwirkung zwischen SnCl2 und Plasmid DNA 60 4.2.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und SnCl2 61 4.3 Untersuchungen zu ionisierender Strahlung 62 4.3.1 DNA-Schädigung durch ionisierende Strahlung 62 4.3.2 Wechselwirkung zwischen ionisierender Strahlung und PI 63 4.4 Untersuchungen zur Bestrahlung mit Licht 66 4.4.1 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) 66 4.4.2 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 67 4.4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und UV-Licht (366 nm) 67 4.4.3 Bestrahlung mit visuellem Licht (VIS 530 - 575 nm) 68 4.4.4 Grenzen der Methode und Fehlerbetrachtung 69 4.5 Ausblick 70 5 Zusammenfassung 72 6 Summary 75 7 Literaturverzeichnis 77 8 Anhang 84 8.1 Abbildungsverzeichnis 84 8.2 Tabellenverzeichnis 92 8.3 Tabellen mit Daten zu den Abbildungen 96 8.3.1 Einfluss von PI auf die Plasmidkonformation 96 8.3.2 Einfluss von DMSO auf die Konformationsänderung durch PI 99 8.3.3 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 100 8.3.4 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 101 8.3.5 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 102 8.3.6 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 102 8.3.7 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 103 8.3.8 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und SnCl2 104 8.3.9 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 104 8.3.10 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 105 8.3.11 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 106 8.3.12 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 107 8.3.13 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 108 8.3.14 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 109 8.3.15 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 110 8.3.16 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 110 8.3.17 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 110 8.3.18 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV- Bestrahlung (366 nm) 111 8.3.19 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 112 8.3.20 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 113 8.3.21 Vergleich Strahlenqualitäten 114 9 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 116 10 Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Vorgaben 117 11 Danksagung 118 / Introduction and aim of the study: The development of therapeutic principles for the treatment of cancer has a lasting, very high scientific relevance. The aim is to damage the diseased tissue only. The addressing of structures that are important for cell survival, such as the DNA, is particularly relevant. This can for example be achieved, by sensitizing the DNA to energized radiation. A promising approach is the generation of Auger electrons, which release high energy (high linear energy transfer) at sub-cellular range and can lead to DNA strand breaks. It has been shown that the direct coupling of Auger emitters to the DNA like indium-111, iodine-123, iodine-125 and technetium-99m cause particularly effective DNA damage. In investigations on cells as well as on plasmid DNA a successful excitation of non-radioactive substances for the emission of Auger electrons by ionizing radiation as well as UV-radiation was achieved. This sensitivity to energized radiation is known for halogenated DNA bases integrated into the DNA, such as iododeoxyuridine, iodine-labelled DNA dyes such as iodo-Hoechst and DNA-linked platinum. A DNA dye that already contains iodine is the fluorescent dye propidium iodide (PI) which intercalates into the DNA. This paper examines whether the labeling of DNA with PI can be used to achieve a sensitivity to energized radiation by excitation the iodine to Auger-emission. Materials and methods: In the experiments, the plasmid pUC 19 (2686 base pairs) was treated with different radiation qualities (X-ray radiation, low-energy electron irradiation by technetium-99m, high-energy electron irradiation by rhenium-188, particle-irradiation by radium-223, UV-irradiation (254 nm and 366 nm) and irradiation with visual light (530-575 nm)) and modulators (hydrogen peroxide H2O2, tin dichloride SnCl2, dimethyl sulfoxide DMSO) both with and without PI. The formation of DNA single- and double-strand breaks leads to alteration in plasmid conformation from superspiralized (supercoiled SC) to more relaxed forms (single strand break SSB-> open circle OC, double strand break DSB-> linear L). These different plasmid conformations have different running properties in gel electrophoresis and were separated this way. After gel staining with the fluorescent dye ethidium bromide (EtBr) the fluorescence intensity of the different plasmid conformational bands was evaluated quantitatively. Results: As a basic prerequisite for the subsequent experiments, the concentration-dependent labelling of the DNA with PI was demonstrated first, which leads to a proportional increase in fluorescence intensity. The labelling is stable over time and does not cause DNA strand breaks, but a conformational alteration of the DNA. There is no interaction between PI and the subsequent gel staining with EtBr. Investigations on the chemotoxicity of the modulators showed no relevant DNA strand breakage induction for H2O2 and a strong DNA-damaging effect for SnCl2 with a concentration-dependent induction of SSB and DSB, which was prevented by the radical scavanger DMSO, i. e. radical induced. The combination of H2O2 and SnCl2 leads to an increase of the DNA damage. For ionizing radiation, dose-dependent DNA damage with the formation of SSB and at higher doses of DSB, which was largely prevented by DMSO, i. e. radical induced, could be shown for all radiation qualities. The PI labeling of the DNA in combination with ionizing radiation did not lead to any amplification of the DNA damage. In fact, a discrete protective effect of PI at high doses could be demonstrated. Because it is known that the excitation with energy just greater than the energy of the K-shell electrons of iodine is particularly effective, the X-ray irradiation with different accelerating voltages (32 kV and 200 kV) was compared. However, the PI-labelling did not lead to the expected stronger DNA damage at 200 kV. The investigation of UV irradiation showed a DNA-toxic effect for the wavelength 254 nm. Due to the PI-labelling, a slight increase in SSB but no DSB were recorded, so that an Auger emission appears unlikely. However, it seems that there is a direct interaction with the DNA, because the damage is not completely preventable by DMSO. For the wavelength 366 nm a DNA toxicity was excluded, both without and with PI-marking. A combination with H2O2 led to a massive DNA destruction with the formation of SSB and DSB, which could be prevented sufficiently by the addition of DMSO. Irradiation with visual light (530-575 nm) did not cause DNA damage. By labelling with PI, concentration-dependent DNA damage with the formation of SSB could be achieved. However, no DSB could be detected, so that an Auger emission is unlikely. DMSO can only partially prevent the damage, so that another direct effect can be assumed, most likely through optimal excitation of the fluorescence around the absorption maximum of PI. Conclusion: For all investigated radiation qualities, i. e. ionizing radiation as well as light irradiation, no effect could be proven in the sense of an excitation to Auger emission and the associated expected development of DSB by labelling with PI under the given test conditions. However, interactions could be observed for the irradiation with light, so that the basic principle of sensitization to energized radiation for the development of therapy concepts remain of interest.:1 Einleitung 1 2 Material und Methoden 3 2.1 Material 3 2.1.1 DNA 3 2.1.2 Chemikalien 4 2.1.3 Radionuklide und Bestrahlungssysteme 6 2.2 Methoden 10 2.2.1 Experimentelles Design 10 2.2.2 Charakterisierung der Plasmidkonformationen 12 2.2.3 Dosimetrie 13 2.2.4 Statistische Auswertung 14 3 Ergebnisse 15 3.1 Standardisierung der Messergebnisse und Quantifizierung 15 3.2 Einfluss physikalischer und chemischer Parameter auf die Plasmid-DNA 15 3.2.1 Festlegung Inkubationstemperatur und pH-Wert 15 3.2.2 Einfluss von DMSO auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3 Einfluss von PI auf die Plasmid-DNA 16 3.2.3.1 Einfluss von DMSO auf Konformationsänderung durch PI 21 3.2.4 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 23 3.2.5 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 24 3.2.6 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 26 3.2.6.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 27 3.2.6.2 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 29 3.2.6.3 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 und H2O2 30 3.3 Dosiswirkungsbeziehungen nach Exposition mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten 31 3.3.1 Bestrahlung mit externer Röntgenstrahlung 31 3.3.1.1 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 31 3.3.1.2 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 33 3.3.2 Bestrahlung mit 99mTc 36 3.3.2.1 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 36 3.3.3 Bestrahlung mit 188Re 40 3.3.3.1 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 40 3.3.4 Bestrahlung mit 223Ra 42 3.3.4.1 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 43 3.3.5 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 46 3.3.5.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 47 3.3.6 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 48 3.3.6.1 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 49 3.3.6.2 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV-Bestrahlung (366 nm) 51 3.3.7 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 52 3.3.7.1 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 54 4 Diskussion 56 4.1 Experimentelles Designe 58 4.1.1 DNA-Markierung mit PI 58 4.1.2 DNA-Markierung mit EtBr 59 4.2 Untersuchungen zur Chemotoxizität 60 4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und Plasmid-DNA 60 4.2.2 Wechselwirkung zwischen SnCl2 und Plasmid DNA 60 4.2.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und SnCl2 61 4.3 Untersuchungen zu ionisierender Strahlung 62 4.3.1 DNA-Schädigung durch ionisierende Strahlung 62 4.3.2 Wechselwirkung zwischen ionisierender Strahlung und PI 63 4.4 Untersuchungen zur Bestrahlung mit Licht 66 4.4.1 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) 66 4.4.2 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 67 4.4.2.1 Wechselwirkung zwischen H2O2 und UV-Licht (366 nm) 67 4.4.3 Bestrahlung mit visuellem Licht (VIS 530 - 575 nm) 68 4.4.4 Grenzen der Methode und Fehlerbetrachtung 69 4.5 Ausblick 70 5 Zusammenfassung 72 6 Summary 75 7 Literaturverzeichnis 77 8 Anhang 84 8.1 Abbildungsverzeichnis 84 8.2 Tabellenverzeichnis 92 8.3 Tabellen mit Daten zu den Abbildungen 96 8.3.1 Einfluss von PI auf die Plasmidkonformation 96 8.3.2 Einfluss von DMSO auf die Konformationsänderung durch PI 99 8.3.3 Einfluss von H2O2 auf die Plasmid-DNA und Wirkung von DMSO 100 8.3.4 Einfluss von H2O2 und PI auf die Plasmid-DNA 101 8.3.5 Einfluss von SnCl2 im TechneScan PYP-Kit auf die Plasmid-DNA 102 8.3.6 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch SnCl2 102 8.3.7 Einfluss von H2O2 auf die Schädigung durch SnCl2 103 8.3.8 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und SnCl2 104 8.3.9 Schädigung durch Röntgenbestrahlung und Einfluss von DMSO 104 8.3.10 Einfluss von PI auf Schädigung durch Röntgenbestrahlung mit Röhrenspannung von 200 kV und 32 kV 105 8.3.11 Bestrahlung mit 99mTc und Einfluss von PI 106 8.3.12 Bestrahlung mit 188Re und Einfluss von PI 107 8.3.13 Bestrahlung mit 223Ra und Einfluss von PI 108 8.3.14 Bestrahlung mit UV-Licht (254 nm) und Einfluss von PI 109 8.3.15 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch UV-Bestrahlung mit 254 nm 110 8.3.16 Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) und Einfluss von PI 110 8.3.17 Einfluss von H2O2 auf die Bestrahlung mit UV-Licht (366 nm) 110 8.3.18 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch H2O2 und UV- Bestrahlung (366 nm) 111 8.3.19 Bestrahlung mit VIS (530-575 nm) und Einfluss von PI 112 8.3.20 Einfluss von DMSO auf die Schädigung durch PI und VIS-Bestrahlung 113 8.3.21 Vergleich Strahlenqualitäten 114 9 Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens 116 10 Erklärung zur Einhaltung gesetzlicher Vorgaben 117 11 Danksagung 118