Simulation elektronen-induzierter Zellschädigungen

Im Rahmen des Projektes Simulation Elektronen-induzierter Gewebsschädigungen untersuchen wir die Auswirkungen von langsamen Elektronen auf biologische Systeme mittels Simulationen. Experimente haben in der Vergangenheit gezeigt, dass niederenergetische Elektronen durch hochenergetische Strahlung wie z.B. Höhenstrahlung oder Röntgenstrahlung im Rahmen einer Strahlentherapie im menschlichen Körper freigesetzt werden. Die Resultate dieser Experimente haben dargelegt, dass diese Elektronen die DNS schädigen können. Diese Schäden können in einigen Fällen fehlerhaft repariert werden und in weiterer Folge zu Mutationen oder auch zum Absterben der Zelle führen. Letzteres wird auch in der Strahlentherapie ausgenützt um Krebszellen zu zerstören. Jedoch wird auch das gesunde, umliegende Gewebe um den Tumor durch die Strahlung in Mitleidenschaft gezogen. Aber nicht nur die DNS kann Schäden erleiden, sondern auch chemotherapeutische Arzneimittel, welche manchmal in Kombination mit Strahlentherapie verabreicht werden, können verändert werden. Das kann sowohl negative (Schädigung gesunden Gewebes) als auch positive (effizientere Zerstörung von Krebszellen) Auswirkungen haben. Um ein besseres Verständnis und ein gezielteres Verabreichen von chemotherapeutischen Arzneien im Zusammenhang mit begleitender Strahlentherapie zu erreichen, müssen die grundlegenden Phänomene in der Zelle verstanden sein. Auf Grundlage sehr genauer quantenchemischer Methoden soll eine Datenbank erstellt werden, welche es erlaubt DNS Fragmente in deren natürlicher Umgebung, also gelöst in Wasser zusammen mit anderen Biomolekülen und Radikalen, zu beschreiben. Diese sehr genauen Methoden können aber nur bei kleinen Systemen angewandt werden. Kombiniert mit weit weniger zeitintensiven Methoden, die nicht so exakt sind, soll ein Simulationsverfahren erstellt werden, mit dem große Systeme und deren Verhalten unter Einfluss von langsamen Elektronen beschrieben und untersucht werden können. Auf lange Frist gesehen sollen die Resultate aus diesem Projekt die Grundlagen für intelligentes Arzneimitteldesign und koordinierte strahlen-chemotherapeutische Behandlung schaffen.

In dem Projekt 'Modellierung elektronen-induzierter Schäden in biologischem Gewebe' konnte die Grundlage für einen Multiskalenansatz zur quantitativen Beschreibung der Auswirkungen von niederenergetischen Elektronen auf in der klinischen Radiochemotherapie verwendeten Substanzen eingebettet in biomolekularen Umgebungen geschaffen werden. Experimente haben gezeigt, dass niederenergetische Elektronen in unserem Körper durch hochenergetische Strahlung wie kosmische Strahlung oder bei der Strahlentherapie entstehen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass diese Elektronen Schäden an der DNA verursachen können, die in einigen Fällen zu einer fehlerhaften Reparatur und in der Folge zu Mutation von Zellen oder sogar zum Zelltod führen können. Diese Phänomene werden in der Strahlentherapie ausgenutzt. Aber auch das gesunde Gewebe, das den Tumor umgibt, wird durch die Bestrahlung in Mitleidenschaft gezogen. Nicht nur die DNA kann geschädigt werden, sondern auch chemotherapeutische Medikamente, die manchmal in Kombination mit der Strahlentherapie eingesetzt werden. Die Veränderung dieser Medikamente kann sich entweder positiv (effizientere Zerstörung von Krebszellen) oder negativ (Schädigung von gesundem Gewebe) auswirken. Für ein besseres Verständnis und eine gezielte Verabreichung von Chemotherapeutika müssen die grundlegenden Mechanismen innerhalb der Zelle verstanden werden. Um die Grundlage für dieses Ziel zu schaffen, wurden in diesem Projekt die Genauigkeit der Resultate quantenchemischer Berechnungen analysiert und bewertet. Es wurden Diagnostiken entwickelt, mit diesen die Präzision der Simulationen abgeschätzt werden können. Des Weiteren wurde die Wechselwirkung von Elektronen mit verschiedenen Radiosensitzern wie Cisplatin aber auch mit DNS-Sequenzen untersucht. Diese Ergebnisse zeigten den Einfluss der biomolekularen Umgebung wie Ionen oder wässrige Lösung auf molekulare Prozesse.