DNA-Schadenserkennung mit Nanotechnologie
Mehr als 60% der Krebspatienten erhalten eine Strahlentherapie, um die Tumorlast zu reduzieren. Um den Schaden an den Krebszellen zu maximieren, ist es von wesentlicher Bedeutung, die fundamentalen Mechanismen, die der DNA-Strahlenschädigung zugrunde liegen, zu verstehen. Auf molekularer Ebene erzeugt hochgradige Strahlung sekundäre niederenergetische Elektronen, die DNA-Einzel- und -Doppelstrangbrüche induzieren. Es gibt jedoch nicht genügend Belege für die physikochemischen Mechanismen von DNA-Strahlenschäden, insbesondere an den DNA-Nukleotidsequenzen und DNA-Strukturen, die am anfälligsten für Schäden sind. Um strahleninduzierte DNA-Strangbrüche zu untersuchen, studierte das EU-finanzierte Projekt NANORADAM die Wechselwirkung von Strahlung mit DNA mithilfe bahnbrechender Fortschritte in der DNA-Nanotechnologie. Diese DNA-Origami-Plattformen stellen spezifische Oligonucleotid-Zielstrukturen bereit, und die elektroneninduzierte Schädigung der Zielstrukturen wird auf einer Einzelmolekülebene unter Verwendung von Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Das Ergebnis ermöglicht es, den Strahlenschaden verschiedener DNA-Zielstrukturen mit bisher unerreichter Effizienz und Genauigkeit abzubilden. Die Wissenschaftler bestrahlten im Rahmen von NANORADAM spezifische DNA-Strukturen mit niederenergetischen Elektronen und beobachteten eine ausgeprägte Nukleotidsequenzabhängigkeit der Strangbruchquerschnitte. Die Inkorporation von therapeutisch verwendeten Radiosensibilisatoren, insbesondere 2-Fluoradenin, führte zu einer beträchtlichen Zunahme der Strangbruchquerschnitte. Die Forscher wandten die DNA-Origami-Technik auch auf eine breite Palette von DNA-Sequenzen an, darunter G-reiche Telomer-DNA sowie DNA in Lösung unter Verwendung von Gold- und Silbernanopartikeln. Hierdurch erhielten sie wichtige Erkenntnisse über den Einfluss einer wässrigen Umgebung auf die DNA-Strangbruchausbeute. Insgesamt lieferte NANORADAM grundlegendes Wissen über den Mechanismus der strahleninduzierten DNA-Schädigung. Die Identifizierung von DNA-Zielstrukturen, die am effizientesten auf niederenergetische Elektronen sensibilisiert werden können, hat wichtige Implikationen für die Entwicklung neuer Therapeutika und die Verbesserung der Strahlenkrebstherapie.
