Ionenphysiker klären Mechanismus von Strahlenschäden

03.05.2005

Wenn energiereiche Strahlung - wie etwa natürliche radioaktive Strahlung oder Strahlung aus Radiodiagnostik und Radiotherapie - auf biologisches Gewebe trifft, kommt es zu einer Reihe von molekularen Prozessen, die letztendlich zur Schädigung der Zellkerne und der Erbsubstanz (DNA, RNA) führen. Unter anderem kommt es zur Bildung von Sekundärstrahlen, wobei diese im Wesentlichen aus niederenergetischen Elektronen bestehen.

Bis vor kurzem wurde angenommen, dass diese Sekundärelektronen kaum schädliche Wirkungen haben. Innsbrucker Ionenphysiker unter der Leitung von Prof. Tilmann Märk und Prof. Paul Scheier beschäftigen sich seit einigen Jahren mit diesem Phänomen und haben aufgrund ihrer experimentellen Daten vorausgesagt, dass sogar thermische Elektronen zur Zerstörung von Bestandteilen der DNA führen können. Dies wurde nunmehr von kanadischen Wissenschaftlern bestätigt.

Bei der Wechselwirkung niederenergetischer Elektronen mit fast allen Molekülen von biologischer Relevanz, die in Innsbruck untersucht wurden, entstehen hauptsächlich negativ geladene Molekülbruchstücke.

In einem engen Energiebereich, bei sehr niedrigen Elektronenenergien, wird als häufigstes negativ geladenes Molekülfragment ein Ionen-Bruchstück beobachtet, welches durch Abspalten eines neutralen Wasserstoffatoms erzeugt wird. Bei einer Untersuchung im Massenspektrometer konnten die Physiker mehrere schmale Resonanzen als Peaks in den Spektren beobachten. (siehe Abbildung: Gelbe Linie)

Der Ursprung dieser Resonanzen konnte bis vor kurzem nicht genau erklärt werden. Mit Hilfe von partiell deuteriertem Thymin kamen die Ionenphysiker dem Phänomen auf die Spur. Bei diesem Thymin, einem im Labor hergestellten Erbsubstanz-Baustein, werden die Wasserstoff-Atome an allen Kohlenstoffatomen durch Deuterium-Atome ersetzt. An den beiden Stickstoffatomen des zentralen Ringes befinden sich weiterhin Wasserstoff-Atome. Die Abspaltung eben dieses Wasserstoffs an den Stickstoffpositionen führt ausschließlich zu den beobachteten Resonanzen, was zur großen Überraschung sowohl von den Wissenschaftern in Innsbruck als auch von Kollegen in Berlin kürzlich gezeigt werden konnte.

In der DNA fehlt jedoch eines dieser beiden Wasserstoffatome, da das Thymin an dieser Stickstoffposition an das Zuckermolekül Desoxyribose gebunden ist. Durch analoge Messungen an gasförmigen Thyminderivaten, die anstelle eines Wasserstoffatoms ein Kohlenstoffatom an dieser Position anbinden, konnte nunmehr in den Labors der Ionenphysiker erstmals zwischen den beiden Stickstoffatomen des zentralen Rings unterschieden werden.

Bei der Anlagerung an diese Thyminderivate bleibt nur noch eine schmale Resonanz bei 2 eV im Anlagerungsspektrum des Fragment-Ions übrig. Die Position und Form dieser Resonanz stimmt dabei auffällig gut mit der Energieabhängigkeit von Einzelstrangbrüchen überein, die soeben von der kanadischen Gruppe durch Bestrahlung mit langsamen Elektronen induziert wurden (siehe blaue Linie in der Abbildung: SSB steht für single strand breaks).

Mit diesen neuen Erkenntnissen ist den Innsbrucker Physikern ein weiterer Schritt in der Aufklärung von Strahlenschäden auf molekularer Ebene gelungen. (sfr)