The Digital Cherenkov Viewing Device (DCVD) is an instrument used by authority inspectors to assess irradiated nuclear fuel assemblies in wet storage for the purpose of nuclear safeguards. Originally developed to verify the presence of fuel assemblies with long cooling times and low burnup, the DCVD accuracy is sufficient for partial defect verification, where one verifies that part of an assembly has not been diverted. Much of the recent research regarding the DCVD has been focused on improving its partial defect detection capabilities. The partial-defect analysis procedure currently used relies on comparisons between a predicted Cherenkov light intensity and the intensity measured with the DCVD. Enhanced prediction capabilities may thus lead to enhanced verification capabilities. Since the currently used prediction model is based on rudimentary correlations between the Cherenkov light intensity and the burnup and cooling time of the fuel assembly, there are reasons to develop alternative models taking more details into account to more accurately predict the Cherenkov light intensity. This work aims at increasing our understanding of the physical processes leading to the Cherenkov light production in irradiated nuclear fuel assemblies in water. This has been investigated through simulations, which in the future are planned to be complemented with measurements. The simulations performed reveal that the Cherenkov light production depends on fuel rod dimensions, source distribution in the rod and initial decay energy in a complex way, and that all these factors should be modelled to accurately predict the light intensity. The simulations also reveal that for long-cooled fuel, Y-90 beta-decays may contribute noticeably to the Cherenkov light intensity, a contribution which has not been considered before. A prediction model has been developed in this work taking fuel irradiation history, fuel geometry and Y-90 beta-decay into account. These predictions are more detailed than the predictions based on the currently used prediction model. The predictions with the new model can be done quickly enough that the method can be used in the field. The new model has been used during one verification campaign, and showed superior performance to the currently used prediction model. Using the currently used model for this verification, the difference between measured and predicted intensity had a standard deviation of 15.4% of the measured value, and using the new model this was reduced to 8.4%.

Die photodynamische Therapie (PDT) ist ein vielversprechender Ansatz in der Krebsbehandlung, bei dem photosensitive Wirkstoffe in Verbindung mit spezifischen Lichtwellenlängen eingesetzt werden, um den Zelltod in den Zielgeweben selektiv herbeizuführen. Die Optimierung der PDT-Wirksamkeit und -Selektivität stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Jüngste Bemühungen, diese Herausforderungen zu meistern, haben sich dem Cherenkov-Licht (CL) zugewandt, das als geladene Teilchen, die die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium überschreiten, emittiert wird. Diese Zusammenfassung analysiert die Erkenntnisse aus zwei zusammenhängenden Veröffentlichungen, in denen die Machbarkeit der Aktivierung von Photosensitizern (PS) durch CL in der PDT untersucht wurde, und bietet einen umfassenden Überblick über die Methoden, Ergebnisse und Auswirkungen. Die PDT beruht auf dem Prinzip der selektiven Phototoxizität, bei der sich ein PS bevorzugt im Tumorgewebe anreichert und bei Lichtaktivierung zytotoxische reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt, die den Tod der Tumorzellen herbeiführen. Herkömmliche Lichtquellen, die in der PDT eingesetzt werden, haben jedoch ihre Grenzen, darunter eine begrenzte Gewebedurchdringung und Off-Target-Effekte. CL, ein Phänomen, das durch die Wechselwirkung geladener Teilchen entsteht, bietet einen neuen Ansatz zur Überwindung dieser Einschränkungen. Durch Ausnutzung der einzigartigen Eigenschaften des CL, wie z. B. seiner Fähigkeit, in das Gewebe einzudringen, und seines spezifischen Emissionsspektrums, wollen Forscher die Wirksamkeit und Selektivität der PDT verbessern.In der ersten Studie soll das Potential von Psoralen, einer natürlich vorkommenden Verbindung mit bekannten photochemischen Eigenschaften, als PS für die durch CL vermittelte PDT untersucht werden. Psoralen hat aufgrund seiner Fähigkeit, bei Lichtaktivierung ROS zu erzeugen (wie zum Beispiel bei der PUVA-Therapie), Aufmerksamkeit erregt, was es zu einem vielversprechenden Kandidaten für die PDT macht. Darauf aufbauend zielt die weitere Forschung darauf ab, die Mechanismen und therapeutischen Auswirkungen der durch CL aktivierten PDT zu erforschen. Durch die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen CL, PS und verschiedenen biologischen Systemen soll meine Forschung helfen die zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären, um verbesserte therapeutische Ergebnisse zu ermöglichen.In der ersten Studie wurde eine Reihe von In-vitro-Experimenten durchgeführt, um die photodynamische Aktivität von Psoralen unter CL-Einwirkung zu bewerten. Krebszellkulturen wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen von Psoralen behandelt und einer UVA-Bestrahlung sowie einer Kombination aus dem Beta-Emitter Re-188 (einem Standard-Therapie-Radionuklid in der Nuklearmedizin) und dessen CL ausgesetzt. Die anschließende Analyse umfasste Koloniebildungstests zur Untersuchung der klonogenen Lebensfähigkeit der Zellen und Gelelektrophorese zur Quantifizierung der verschiedenen induzierten DNA-Konformationen, die durch die schädlichen phototoxischen Eigenschaften von Psoralen verursacht wurden. Die Folgestudie verfolgte einen vielschichtigen Ansatz, der es ermöglichte, zwei PS hinsichtlich ihrer Eigenschaften bei Exposition mit Umgebungslicht und CL zu untersuchen. Experimente zur Lebensfähigkeit von Krebszellen mit drei Zelllinien wurden entweder mit Radionuklid (Re-188) oder externer Strahlung (Linearbeschleuniger) in Kombination mit dem von ihnen erzeugten CL durchgeführt. Es wurde ein einfacher Versuchsaufbau und ein Ansatz zur Übertragung der durch CL vermittelten PDT in den Bereich der Nuklearmedizin untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen geben Aufschluss über das Potential der CL-Aktivierung bei der PDT, wenn auch mit Einschränkungen. In der ersten Studie zeigte Psoralen weder auf Plasmid-DNA noch auf FaDu-Zellen eine zytotoxische Wirkung. Bei der anschließenden Bestrahlung des Plasmids mit UVA-Licht kam es zu einem konzentrationsabhängigen Anstieg der Einzelstrangbrüche (SSB), was aufgrund der photochemischen Aktivierung von Psoralen auch zu einem geringeren Anteil an überlebenden Zellen führte. Re-188 zeigte typische radiotoxische Wirkungen, die zu SSBs, Doppelstrangbrüchen (DSBs) und einer allgemeinen Abnahme der ungeschädigten „supercoiled“ DNA sowie der Zellüberlebensfraktion für FaDu-Zellen führten. Obwohl Psoralen in Kombination mit UVA-Licht eine erhöhte Toxizität gegenüber Plasmid-DNA und FaDu-Krebszellen aufwies, führte die Zugabe von Re-188 neben Psoralen nicht zu einer Verstärkung der DNA-Schäden durch CL-Aktivierung. Die Untersuchungen aus der zweiten Publikation, bei denen unterschiedliche PS-Konzentrationen und vergleichende Analysen mit Negativkontrollen ohne PS zum Einsatz kamen, konnten die Behauptungen von Yoon et al. bezüglich der positiven Auswirkungen von CL nicht bestätigen. Obwohl leichte Unterschiede in den Überlebensfraktionen beobachtet wurden, erreichten diese Unterschiede keine statistische Signifikanz, wenn man die Variationen in den Kontrollgruppen berücksichtigt. Die Gelelektrophorese ergab, dass Trioxsalen bei der Induktion von SSBs und DSBs in Plasmid-DNA gegenüber Psoralen überwiegt, was auf eine potentielle Überlegenheit von Trioxsalen als PS (bei Exposition gegenüber UVA-Strahlung) hindeuten kann. Darüber hinaus zeigten Absorptionsmessungen, dass diese PS während der Experimente nicht vor dem Umgebungslicht abgeschirmt werden müssen. Es wurde ein vorläufiger Versuchsaufbau für einen nuklearmedizinischen PDT-Ansatz entwickelt und das CL-Spektrum von Re-188 charakterisiert. Die klonogenen Assays der drei Tumorzelllinien in Kombination mit Re-188 und CL mit Psoralen oder Trioxsalen zeigten einen positiven Trend hinsichtlich des therapeutischen Zelltods. Allerdings erreichte dieser Trend aufgrund schwankender und nicht eindeutiger Ergebnisse keine statistische Signifikanz, was darauf hindeutet, dass eine weitere Optimierung der Behandlungsparameter oder Kombinationstherapien erforderlich ist, um einen signifikanten therapeutischen Nutzen zu erzielen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit weiterer Forschung, um die Vorteile der Aktivierung durch CL bei der PDT voll auszuschöpfen. Künftige Studien könnten sich auf die Aufklärung der genauen molekularen Mechanismen konzentrieren, die der durch CL geförderten PDT zugrunde liegen, einschließlich der Rolle spezifischer zellulärer Signalwege und Immunreaktionen. Darüber hinaus könnte die Untersuchung potentieller Synergien zwischen der auf CL basierenden PDT und neuen Behandlungsmodalitäten wie Immuntherapie oder zielgerichteten Therapien neue Wege zur Verbesserung der allgemeinen Behandlungsergebnisse und zur Minimierung unerwünschter Wirkungen eröffnen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Veröffentlichungen zu unserem Verständnis der Aktivierung durch CL in der PDT beitragen. Obwohl die ersten Studien eine Grundlage für weitere Forschungen bieten, wurden keine signifikanten Fortschritte bei den therapeutischen Ergebnissen oder Synergieeffekte mit anderen Behandlungsmodalitäten beobachtet. Die weitere Erforschung der CL-vermittelten PDT ist gerechtfertigt, um ihr volles therapeutisches Potential zu erschließen, wie es die Ergebnisse der Folgestudie nahelegen, und diese Erkenntnisse in die klinische Praxis umzusetzen.