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Symbolbild "Zeitschriften"

Leuchtende Doppelstrangbrüche

Welche Wirkung niedrige Strahlendosen auf menschliche Zellen haben, lässt sich mit dem Mikro-Ionenstrahl (Microbeam) der PTB jetzt "live" verfolgen. Über einen Fluoreszenzprozess können die durch die Teilchen erzeugten Doppelstrangbrüche in der DNA und die einsetzenden Reparaturmechanismen jeder einzelnen Zelle sichtbar gemacht werden. Diese innerhalb von Sekunden und Minuten ausgelösten Reaktionen lassen sich in Echtzeit am Mikroskop beobachten. Das "Live Cell Imaging" ist das Ergebnis einer interdisziplinären Kooperation der PTB-Physiker mit Molekularbiologen aus Braunschweig und Düsseldorf.

Am Microbeam wurden menschliche Zellen (hier: Fibroblasten) in einem Muster (Linienabstand 10 µm, Trefferabstand ca.1 µm, symbolisiert durch die gelben Punkte) mit α-Teilchen bestrahlt. Entlang der Teilchenbahn entstehen Doppelstrangbrüche in der DNA. Auf dem Bild leuchten sie, weil sich fluoreszenzmarkierte Reparaturproteine an den Bruchstellen sammeln.
(Foto: PTB)

Zum Gesundheitsrisiko durch geringe Strahlendosen von weniger als 50 mSv (etwa aus der natürlichen Radonbelastung) gibt es bisher nur unsichere Extrapolationen. Um es besser abzuschätzen, müssen die grundlegenden strahlenbiologischen Wirkungsmechanismen verstanden werden. Der Microbeam ist dafür ein wichtiges Instrument. Mit ihm können Bestandteile lebender Zellen gezielt mit einzelnen oder abgezählten Teilchen bestrahlt werden; dadurch lässt sich die Strahlendosis gezielt einstellen. Entlang der Teilchenbahn entstehen durch Ionisation Doppelstrangbrüche und andere Strahlenschäden, die innerhalb von Sekunden und Minuten Reaktionen und DNA-Reparaturprozesse in den Zellen auslösen.

Durch die gentechnische Fusion von fluoreszierenden Proteinen mit einem Reparaturprotein, welches an den Doppelstrangbrüchen akkumuliert, können diese Reaktionen jetzt "live" in lebenden Zellen beobachtet werden. Inzwischen ist es sogar moglich, verschiedene Proteine mit unterschiedlichen Fluoreszenzen in einer einzigen Zelle zu erzeugen und getrennt voneinander zu beobachten. Die neuen und vielfältigen Zellsysteme wurden von den Partnern an der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ, Braunschweig) und der Universitätsklinik Düsseldorf durch stabile Gentransfers entwickelt. Auch die Effekte unterschiedlicher Strahlenqualitäten lassen sich am Microbeam studieren. Zum Beispiel wird mit α-Teilchen die Wirkung von dicht-ionisierender Strahlung (z. B. natürliche Radonbelastung) untersucht. Mit hochenergetischen Protonen hingegen lässt sich die Wirkung von locker-ionisierender Röntgenstrahlung simulieren.

Während in früheren Studien hauptsächlich die späten biologischen Effekte ausgewertet wurden, ermöglichen die neuen Zellsysteme nun die Beobachtung der initialen Strahlenreaktionen und beispielsweise die Untersuchung, wie parallel zur Microbeam-Bestrahlung eingesetzte Therapeutika die Effektivität der DNA-Reparatur modifizieren.

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