Strahlenbiologische Experimente mit Ionenmikrostrahl

Strahlenbiologische Forschung mit Ionenmikrostrahlen

Der Einfluss ionisierender Strahlung auf lebende Organismen ist Gegenstand aktueller Forschung. Insbesondere die Auswirkung geringer Strahlendosen ist weitgehend unbekannt. Ein Ansatz, die biologische Strahlenwirkung zu verstehen, besteht in der Bestrahlung und Untersuchung von lebenden Zellen in Kultur. Durch moderne Techniken der Molekularbiologie ist es möglich, die strahlungsinduzierten Schäden in der Zelle (vor allem die schwerwiegenden DNA-Doppelstrangbrüche) sowie die an der Schadens-Reparatur beteiligten Proteine auf mikroskopischer Ebene zu studieren. Von den möglichen Arten ionisierender Strahlung sind insbesondere hochenergetische Ionen zur Bestrahlung lebender Zellen geeignet.

Das Rasterionenmikroskop SNAKE, welches am 14 MV-Tandembeschleuniger in Garching installiert ist, liefert fokussierte Ionenstrahlen mit einer Bestrahlungsgenauigkeit von besser als 1 µm. Damit sind gezielte Bestrahlungen z.B. eines Zellkerns mit einzelnen oder abgezählten Ionen möglich. Die Kombination von molekularbiologischen Studien mit einer derartigen Bestrahlung stellt somit ein ideales Werkzeug dar, um strahlenbiologischen Fragestellungen im Hoch- und Niedrigdosisbereich gezielt bearbeiten zu können.

An SNAKE stehen Protonen und schwerere Ionen mit einem breiten Energie- und LET-Bereich (2-2000 keV/µm) zur Verfügung:

- Protonen: 4-28 MeV

- d, He, B, C, O: 2-10 MeV/Nukleon

- schwerere Ionen: 0.2-4 MeV/Nukleon

Durch Ablenkung des Ionenmikrostrahls kann ein Punkt nach dem anderen mit einem definierten Muster bestrahlt werden. Hiermit können (ohne zu zielen) mehrere cm² Zellkultur, aber auch komplexere Proben wie Gewebe oder Kleintiere bestrahlt werden. Die maximale Ionenreichweite erhält man mit Protonen, die die Bestrahlung von Proben mit bis zu 5 mm Dicke ermöglichen. Die schwereren Ionen sind aufgrund ihrer geringeren Reichweite besser geeignet für die Bestrahlung von einzelnen Zellschichten.

Der Lebendzellaufbau mit Temperaturkontrolle wurde für die Bestrahlung von lebenden Zellen mit Live-Beobachtung konzipiert. Er kann für die Zielbestrahlung von einzelnen Zellen oder sogar zellulären Substrukturen wie Mitochondrien oder Nukleoli mit einer Zielgenauigkeit < 2 µm genutzt werden. Zusätzlich werden kinetische und dynamische Studien von Zellreaktionen möglich, wie die Analyse der (sequentiellen) Rekrutierung verschiedenster Reparaturfaktoren nach der Erzeugung von DNA Doppelstrangbrüchen.

An SNAKE können LET-abhängige Studien mit hoch- und niedrig LET Strahlung durchgeführt werden, wobei verschiedene Endpunkte der Zellreaktionen nach Bestrahlung vor allem bei kleiner Dosis untersucht werden können.

Mithilfe des am Tandembeschleuniger installierten Chopper-Buncher Systems kann ein gepulster Protonenstrahl mit Pulsdauern von ungefähr 1 ns erzeugt werden. Mit dem Fokussiersystem von SNAKE können dann bis zu 20 Gy in einem einzelnen Protonenpuls auf einem Strahlfleck von ca. 100 µm deponiert werden. Hiermit können Effekte bei ultrahohen Dosisraten und niedrigen bis hohen Dosen untersucht werden.

Wir bieten die Nutzung des SNAKE Mikrostrahls in allen oben beschriebenen Bestrahlungsmodi für potenzielle User in dem Gebiet der Strahlenbiologie an. Vor allem Niedrigdosiseffekte, auch im Rahmen der Bystanderforschung, können untersucht werden. Hierbei kann ein Biolabor mit allen entwickelten Zellkulturen, Zellbehältern, Bestrahlungs- und Biologieprotokollen mitbenutzt werden. Das zur Verfügung stehende Personal ist auch gerne bereit neue Protokolle zu entwickeln und die Bestrahlung wie auch die biologischen Protokolle in Zusammenarbeit mit den externen Nutzern durchzuführen.

Weitere Informationen:

Eigenschaften hochenergetischer Ionenstrahlung

Experimenteller Aufbau

Publikationen

Zielbestrahlung einer lebenden Zelle