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Ground simulation tests are necessary for selection of the most promising biological organisms for flight experiments in Low Earth Orbit or other space destinations: Simulation of the environmental parameters of the mission, as well as of sample assembly and disassembly, need to be performed, allowing the qualification of the experiment and facilitating the post-flight analysis of the exposed biological material and thus, a deeper understanding of the individual and synergistic effects of space. This work is a presentation of the results obtained with the lichen species Circinaria gyrosa, after the Experiment Verification tests (EVT) and Space Verification tests (SVT) in the frame of the EXPOSE-R2 Mission Preflight Test Program, performed at DLR (Cologne, Germany), as part of the EXPOSE-R2 Mission Preflight Test Program. The high vitality and resistance capacity of C. gyrosa, demonstrated with the PSII values measured after reactivation in the laboratory and the CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy) results confirm the high survival potential of these species to space and Mars conditions, taking part of the BIOMEX experiment (Biology and Mars Experiment, EXPOSE R-2, ISS, 2016-2018) and contributing to our understanding of extremotolerance and the Lithopanspermia hypothesis.

Treatment planning in ion beam therapy requires a reliable estimation of the relative biological effectiveness (RBE) of the irradiated tissue. For the pilot project at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH and at other European ion beam therapy centers RBE prediction is based on a biophysical model, the Local Effect Model (LEM). The model version in use, LEM I, is optimized to give a reliable estimation of RBE in the target volume for carbon ion irradiation. However, systematic deviations are observed for the entrance channel of carbon ions and in general for lighter ions. Thus, the LEM has been continuously developed to improve accuracy. The recent version LEM IV has proven to better describe in-vitro cell experiments. Thus, for the clinical application of LEM IV it is of interest to analyze potential differences compared to LEM I under treatment-like conditions. The systematic analysis presented in this work is aiming at the comparison of RBE-weighted doses resulting from different approaches and model versions for protons and carbon ions. This will facilitate the assessment of consequences for clinical application and the interpretation of clinical results from different institutions. In the course of this thesis it has been shown that the RBE-weighted doses predicted on the basis of LEM IV for typical situations representing chordoma treatments differ on average by less than 10 % to those based on LEM I and thus also allow a consistent interpretation of the clinical results. At Japanese ion beam therapy centers the RBE is estimated using their clinical experience from neutron therapy in combination with in-vitro measurements for carbon ions (HIMAC approach). The methods presented in this work allow direct comparison of the HIMAC approach and the LEM and thus of the clinical results obtained at Japanese and European ion beam therapy centers. Furthermore, the sensitivity of the RBE on the model parameters was evaluated. Among all parameters the characterization of the photon dose-response curve has been found to be of particular importance for the determination of RBE. The application of the LEM IV for proton beams more correctly represents the experimentally observed increase of RBE towards the distal end of the irradiation field compared to the clinically considered constant value of 1.1. It further allowed a better systematic characterization of the increased effective range of proton beams that is a consequence of the RBE enhancement at the distal edge of the treatment field. The results of this work underline the importance of detailed RBE modeling for a long-term improvement of treatment planning in particle therapy and the better exploitation of advantages inherent to this radiation modality., Die biologische Bestrahlungsplanung in der Partikeltherapie erfordert eine zuverlässige Abschätzung der relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) im bestrahlten Gewebe. Für das Pilotprojekt an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt und in den bisherigen europäischen Partikeltherapiezentren basiert die RBW-Vorhersage auf einem biophysikalischen Modell, dem Local Effect Model (LEM). Die derzeit verwendete erste Version des Modells (LEM I) ist auf die Beschreibung der Wirkung von Kohlenstoffstrahlen im Zielvolumen optimiert. Es zeigt jedoch für den Eintrittsbereich der Kohlenstoffionen als auch generell für leichtere Ionen systematische Abweichungen der RBW. Aus diesem Grunde wurde das LEM kontinuierlich weiterentwickelt. Die aktuelle Version (LEM IV) zeigt eine bessere Übereinstimmung der Modellrechnung mit den Ergebnissen aus in-vitro Zellexperimenten. Für die Anwendung des LEM IV in der Bestrahlungsplanung ist daher die Untersuchung der möglichen Unterschiede zu LEM I unter klinisch relevanten Bestrahlungsbedingungen von Interesse. Die in dieser Arbeit präsentierten Analysen haben das Ziel, die aus verschiedenen Verfahren und Modellvarianten resultierenden RBW-gewichteten Dosen für Protonen und Kohlenstoffionen zu vergleichen. Dadurch sollen mögliche Auswirkungen von Unterschieden auf die klinische Anwendung herausgestellt und die Interpretation von klinischen Ergebnissen verschiedener Institute ermöglicht werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich für typische Bestrahlungssituationen mit Kohlenstoffstrahlen von Chordomen der Schädelbasis die aus Anwendung des LEM I und LEM IV resultierenden RBW-gewichteten Dosen im Mittel um weniger als 10 % unterscheiden und damit die Anwendung des LEM IV ebenfalls eine konsistente Interpretation der klinischen Daten erlaubt. In den japanischen Zentren wird die RBW aus der klinischen Erfahrung mit Neutronenstrahlung und in-vitro Zellexperimenten mit Kohlenstoffionen abgeschätzt (HIMAC Ansatz). Die in der Arbeit vorgestellten Methoden ermöglichen einen direkten Vergleich des HIMAC Ansatzes mit dem LEM und damit auch der erzielten klinischen Ergebnisse. Eine Sensitivitätsanalyse der RBW bezüglich der Modellparameter stellte die Charakterisierung der Photonen-Dosiseffektkurve als eine besonders relevante Kenngröße heraus. Die Anwendung des LEM IV für Protonenstrahlen gibt die experimentell beobachtete Erhöhung der RBW im Vergleich zu dem klinisch verwendeten Wert von 1.1 am distalen Ende des Bestrahlungsfeldes genauer wieder. Sie erlaubt darüber hinaus eine bessere systematische Charakterisierung der Erhöhung der effektiven Reichweite von Protonenstrahlen, die eine Folge der RBW-Erhöhung am distalen Ende des Bestrahlungsfeldes ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen damit den Stellenwert der RBW Modellierung für eine langfristige Verbesserung der Bestrahlungsplanung in der Partikeltherapie und die damit verbundene bessere Ausnutzung der Vorteile dieser Bestrahlungsmodalität.

The increased radiation exposure at aviation altitudes is of public interest as well as of legal relevance in many countries. The dose rates that are elevated compared to sea level are mainly caused by galactic cosmic ray particles interacting with the atmosphere and producing a complex radiation field at aviation altitudes. The intensity and composition of this radiation field mainly depend on altitude, geomagnetic shielding, and primary particle intensity. In this work, we present a model based on Monte Carlo simulations, which retrospectively estimates secondary particle fluence as well as ambient dose equivalent rates and effective dose rates at any point in the atmosphere. This model will be used as the physical core in the Professional Aviation Dose Calculator (PANDOCA) software developed by the German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) for the calculation of route doses in aviation. The calculations are based on galactic cosmic ray spectra taking into account primary nuclei from hydrogen to iron by direct transport calculations of hydrogen and helium nuclei and approximating heavier nuclei by the number of protons equaling the corresponding atomic number. A comparison to experimental data recorded on several flights with a tissue equivalent proportional counter shows a very good agreement between model calculations and measurements.

In der vorliegenden Arbeit wurde die biologische Wirkung von Kohlenstoffionen im Vergleich zu Photonen in der Bronchialkarzinomzelllinie A549 untersucht. Dabei ging es in erster Linie um die Untersuchung von Apoptoseinduktion und Zellzyklusarrest nach Bestrahlung mit den verschiedenen Strahlenqualitäten. Zur Ermittlung der relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) von Kohlenstoffionen gegenüber Photonen wurde ein Koloniebildungstest durch unsere Arbeitsgruppe durchgeführt. Die relative Genexpression der Apoptose- und Zellzyklus-relevanten Gene BAX, BCL2 und BIRC5 bzw. CDKN1A und GADD45A wurde mittels quantitativer Real-Time RT-PCR in Monolayerzellen (Photonen max. 7,5 Gy, 12C max. 4,5 Gy) und in einem Xenograftmodell (Photonen 6 Gy, 12C 2 Gy) untersucht. Zudem wurde über die durchflusszytometrische Messung des DNA-Gehalts die Zellzyklusverteilung nach Bestrahlung untersucht, sowie über ein Annexin V/ PI-Assay die strahleninduzierte Induktion von Apoptose detektiert. Zusammenfassend wurden folgende Ergebnisse ermittelt: · Die relative biologische Wirksamkeit von Kohlenstoffionen (9,8 MeV/u, LET 170keV/μm) im Vergleich zu Photonenstrahlung (6 MV) betrug in Bezug auf das klonogene Überleben in A549-Monolayerzellen im Bereich von 10% Überleben 2,88. · Das pro-apoptotische Gen BAX wurde im Monolayer nach geringeren Dosen Kohlenstoffionenexposition länger und deutlicher heraufreguliert als nach Photonenbestrahlung. · Das anti-apoptotische Gen BIRC5 wurde nach Kohlenstoffionenbestrahlung im Monolayer wesentlich deutlicher herabreguliert (0,18-fach, Photonen: unterschwellig). · Nach Kohlenstoffionenbestrahlung bis 4 Gy war ein höherer Prozentsatz (max. 12%) an strahleninduziert toten Zellen in der Tumorzelllinie A549 zu detektieren als nach Photonenbestrahlung bis 10 Gy (max. 6,7%). · Der am G1/S-Übergang beteiligte Zellzyklusinhibitor CDKN1A wurde im Monolayer nach Photonenexposition bis knapp 4-fach und unter Kohlenstoffionenexposition bis 18-fach hochreguliert. · Das am G2/M-Arrest beteiligte Gen GADD45A wurde im Monolayer nach Photonenexposition kaum induziert, wohingegen nach Kohlenstoffionenbestrahlung eine fast 12-fache Heraufregulierung beobachtet werden konnte. · Exponentiell wachsende Zellen zeigten nach Photonenbestrahlung einen Arrest in der G2/M- und in der G1-Phase. Nach Kohlenstoffionenbestrahlung war dieser Arrest schon bei Bestrahlung mit geringeren physikalischen Dosen deutlich stärker und länger ausgeprägt. · Die Ergebnisse der Genexpressionsanalysen im Xenograftmodell unterschieden sich von den Ergebnissen in Monolayerzellen. Die Expression war nach gleicher physikalischer Dosis Photonenstrahlung im Xenograftmodell teilweise höher als in den Monolayerzellen. Umgekehrt zeigte sich nach Kohlenstoffionenexposition im Xenograftmodell zum Teil eine geringere Expression als in den Monolayerzellen. Es konnte gezeigt werden, dass durch Kohlenstoffionenbestrahlung bei äquivalenter physikalischer Dosis fast dreimal mehr Zellen ihre Teilungsfähigkeit verloren als nach Photonenexposition. Die stärkere Induktion bzw. Suppression Apoptose-relevanter Gene zeigt die stärkere Aktivierung des Apoptosesignalwegs nach Kohlenstoffionenexposition. Auch die über Annexin V morphologisch nachgewiesene Induktion von Apoptose in A549-Zellen war nach Kohlenstoffionenexposition höher als nach Photonen, jedoch insgesamt gering. Somit kann die in dieser Arbeit ermittelte höhere RBW für das zelluläre Überleben nach Kohlenstoffionenbestrahlung nur zu einem kleinen Teil auf der Induktion von Apoptose beruhen. Der stärker und länger ausgeprägte Zellzyklusarrest und die deutlichere Induktion der Zellzyklusinhibitoren nach Kohlenstoffionenexposition lassen sich vermutlich auf die komplexeren Schäden durch Hoch-LET-Strahlung zurückführen, da die Zellen mehr Zeit für deren Reparatur benötigen. Dass die Reparaturkapazität der A549-Zellen nach Kohlenstoffionenexposition häufiger überstiegen wurde, zeigen die Ergebnisse der Apoptosedetektion. Die abweichenden Genexpressionsergebnisse im Xenograftmodell veranschaulichen die wichtige Rolle des Tumormikromilieus für die Reaktionen auf Bestrahlung in vivo. Welche Einflüsse in welcher Form auf die Strahlenantwort nach Hoch-LET-Strahlung in vivo wirken, bleibt in nachfolgenden Arbeiten zu klären. Als weiterführende Untersuchungen wäre außerdem die Analyse von anderen an Apoptose und Zellzyklusprogression beteiligten Genen bzw. deren Expression auf Proteinebene nach Kohlenstoffionenbestrahlung von Interesse.

Hauptbestandteil der Arbeit war die strahlenbiologische Charakterisierung muriner LLC1-Zellen in vitro. Dabei handelt es sich um in Kultur überführte Einzelzellen eines bei in vivo Experimenten weit verbreiteten Tumormodells der Maus. Die soliden, entdifferenzierten Tumorzellverbände in vivo entsprachen einem nichtkleinzelligen Bronchialkarzinom, auch die in Kultur überführten Einzelzellen konnten aufgrund von Kernpleomorphie, Hyperchromasie, atypischen Mitosen und verschobener Kern-Plasma-Relation als maligne eingestuft werden. In Kultur zeigten die LLC1-Zellen unter optimalen Bedingungen ein schnelles, stabiles Wachstumsverhalten- mit einer Verdopplungszeit von 16 h- auch über lange Kultivierungszeiträume hinweg, reagierten aber Wachstumsmedium, Aussaatdichte sowie Art und Beschichtung der Wachstumsfläche betreffend, ausgesprochen sensibel auf Veränderungen des Kultur-Milieus. Dabei prägten sie divergente Phänotypen aus, die sich vor allem hinsichtlich ihrer Morphologie, Adhäsionsfähigkeit und Plattierungseffizienz voneinander unterschieden. Genotypisch wies der Großteil der Zellen tetraploide Chromosomensätze mit 80 Einzelchromosomen auf. Die exakte Orientierung an den ermittelten optimalen Kulturbedingungen war, durch Reduktion von Störfaktoren einer kultivierungsbedingten zellulären Beeinträchtigung, Grundlage der Aussagekraft und Reproduzierbarkeit weiterführender strahlenbiologischer Analyseverfahren. Anhand mathematisch (Single-Hit-Multi-Target-Modell & Linearquadratisches Modell) ermittelter Kenngrößen aus generierten DEKs ließen sich die LLC1-Zellen als strahlensensible Zellen mit mäßig bis schlecht ausgeprägter Reparaturkapazität einstufen, die strahlenbiologisch eher einem frühreagierenden Zellsystem entsprechen. Trotz einer generell eher schwach ausgeprägten Reparaturkapazität waren die Mechanismen der schnellen DNA-DSB Reparatur intakt und entsprachen sowohl zeitkinetisch als auch dimensional denen anderer bereits in der Literatur beschriebener maligner Zellen. In der Genexpressionsanalyse zeigte sich für LLC1-Zellen keine suffiziente Genregulation p53 abhängiger Gene nach Photonenbestrahlung. Die reparaturrelevanten Gene RRM2b und ERCC1, das apoptoserelevante BAX und das zellzyklusregulierende CDKN1A waren durch Photonenbestrahlung nicht induzierbar. Gene mit p53 unabhängigen Regulationsmechanismen wie das zellzyklusregulierende Gen GADD45 und die apoptoserelevanten Gene BCL2 und BIRC5 waren induzierbar und führten in LLC1-Zellen zu G2-Arretierung und Apoptoseinduktion nach Photonenbestrahlung. Dabei erfolgte die Verschiebung des zellulären Gleichgewichts hin zu proapototischen Mechanismen nach Photonenbestrahlung nicht durch Überexpression des, in LLC1-Zellen nicht strahleninduzierbaren, proapoptotischen Gens BAX, sondern primär durch Unterexpression antiapoptotischer Gene wie BCL2/BIRC5 mit konsequenterweise fehlender Hemmung der Apoptoseinduktion. Nach Exposition gegenüber hohen Dosen (6 Gy) leiten LLC1-Zellen einen GADD45 vermittelten, lang andauernden, potentiell zeitlich unbegrenzten G2-Arrest ein. Hingegen war nach Bestrahlung mit geringeren Dosen von 2 Gy ein Ende des G2-Arrests zwischen 18 h und 24 h post rad festzustellen. Eine G1-Arretierung erfolgt in LLC1-Zellen auch nach Exposition gegenüber 6 Gy Photonen nicht. Im quantitativen screening mittels Westernblot zeigte sich in LLC-Zellen eine p21 Defizienz als Ursache der fehlenden G1-Arretierung, eine Phosphorylierung von p53 an Serin 15 war hingegen nachweisbar und zeigte einen strahleninduzierten Anstieg auf Proteinebene. Die daraufhin durchgeführte p53 Mutationsanalyse mittels Gensequenzierung zeigte in Sequenz 1 (94-115 forward) an Basenposition 120 eine heterozygote Mutation zum STOP-Codon UAA. Durch diese Mutation ist eine suffiziente Proteinbiosynthese des p53-Proteins in LLC1-Zellen nicht möglich und eine Funktionalität des Proteins nicht gegeben. Diese fehlerhafte Proteinstruktur des p53 erklärt sowohl den fehlenden G1- Arrest, die p21-Defizienz als auch die fehlende Induzierbarkeit p53- abhängiger Gene wie CDKN1A, RRM2b, ERCC1 und BAX auf mRNA-Ebene, bei gleichzeitig gelelektrophoretisch nachweisbarem p53.

Cancer is the leading cause of death in economically developed countries (Jemal et al. 2011). Heat shock protein 90 can be a promising target in cancer treatment as it is responsible for sustaining protein homeostasis in every human cell by folding and activating of more than 200 client proteins (Picard et al. 2002). Apart from strong anti-tumor activities in vitro (Smith et al. 2005) and in vivo (Supko et al. 1995), Hsp90 inhibitors can sensitize tumor cells to radiation (Bisht et al. 2003, Stingl et al.2010, Schilling et al. 2011). Recently, our group showed the radiosensitizing potential of novel Hsp90 inhibitors: NVP-AUY922 and NVP-BEP800 (Stingl et al. 2010). The drugs were administered to cancer cell lines of different origin 24 hours before irradiation (drug-first treatment). In the present work, we explored the effects of a schedule other than drug-first treatment on A549 and SNB19 tumor cell lines. Cell samples were treated with either NVP-AUY922 or NVP-BEP800 one hour before IR and kept in the drug-containing medium for up to 48 hours (simultaneous drug-IR treatment). Our findings showed that depending on the tumor cell line, the combination of Hsp90 inhibition and irradiation may result in radiosensitization or apoptosis of cancer cell lines. It is advised to adjust the sequence of treatment, involving Hsp90 inhibition and irradiation, on the basis of the genetic background of tumor cells. Before entering the clinic, novel therapeutics should be tested on non-malignant tissue to exclude their possible toxic activities. Thus, we applied the simultaneous drug-IR treatment on human skin fibroblast strains. This work showed that Hsp90 inhibitors NVP-AUY922 and NVP-BEP800 preferentially sensitize tumor cells to radiation, whereas the effect(s) on normal fibroblasts was much weaker. The exact mechanisms underlying the Hsp90 inhibitors’ selectivity towards malignant cells remain to be elucidated. It was shown previously that the administration of Hsp90 inhibitors, including NVP-AUY922 and NVP-BEP800, induces heat shock response (Niewidok et al. 2012). Heat shock response triggers the up-regulation of Hsp70, which, due to its strong anti-apoptotic properties, might be responsible for reducing the effects of Hsp90 inhibition. The transfection with Hsp70 siRNA suppressed the NVP-AUY922-induced over-expression of the target protein. However, on the long-term scale, it did not influence the radiosensitivity of A549 and SNB19 cells. To summarize, the use of siRNA proved that Hsp70 inhibition could be used to support Hsp90 inhibition on the short-term scale. Therefore, for future works, more potent and stable methods of Hsp70 inhibition are needed. This thesis presented the effects induced by two novel Hsp90 inhibitors NVP-AUY922 and NVP-BEP800, in combination with irradiation in tumor cell lines as well as in normal skin fibroblasts. Hsp70 pre-silencing was tested as a method for improving radiosensitizing potential of NVP-AUY922. These results support the use of NVP-AUY922 and NVP-BEP800 in combination with irradiation in future clinical trials., Trotz aller wissenschaftlicher Fortschritte, die in den letzten Jahren in der Onkologie erfolgten, ist Krebs eine der Haupttodesursachen in den wirtschaftlich entwickelten Ländern. Das Hitzeschockprotein 90 (Hsp90) stellt ein vielversprechendes neues Target für die Krebstherapie dar, weil es einen großen Anteil des Proteingleichgewichts in jeder humanen Zelle durch Faltung und Aktivierung seiner Klientenproteine kontrolliert (Picard et al. 2002, Trepel et al. 2010). Es wurde gezeigt, dass Hsp90 Inhibitoren starke anti-proliferative Eigenschaften in vitro (Smith et al. 2005) und in vivo aufweisen (Supko et al. 1995). Außerdem führte die Hsp90 Inhibition zur Radiosensibilisierung unterschiedlicher Tumorzelllinien (Bisht et al. 2003, Stingl et al.2010, Schilling et al. 2011). Vor Kurzem wurde in unserer Arbeitsgruppe gezeigt, dass die neuartigen Hsp90 Inhibitoren NVP-AUY922 und NVP-BEP800 zur Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit der Tumorzelllinien führen (Stingl et al. 2010). Die Krebszellen wurden 24 Stunden vor der Bestrahlung behandelt und bestrahlt (‚drug-first’ Behandlungsschema). In dieser Doktorarbeit wurden die Effekte eines anderen Behandlungsschemas auf die A549 und SNB19 Tumorzelllinien untersucht. Die Zellen wurden entweder mit NVP-AUY922 oder NVP-BEP800 eine Stunde vor der Bestrahlung behandelt und bis zu 48 Stunden nach der Bestrahlung weiterhin mit Hsp90 Inhibitor kultiviert (simultane drug-IR Behandlungsschema). Zusammenfassend zeigen die hier gewonnenen Ergebnisse, dass abhängig von der Tumorzelllinie, die Kombination der Hsp90 Inhibition mit Bestrahlung zur Radiosensibilisierung oder zur Apoptose führen kann. Die Reihenfolge der Behandlung mit Hsp90 Inhibitoren und Bestrahlung sollte individuell der Tumorart und den vorliegenden Mutationen angepasst werden. Bevor Medikamente in der Klinik angewendet werden können, müssen sie auf nicht-malignem Gewebe getestet werden, um eine mögliche toxische Wirkung auszuschließen. Deshalb wurden in der vorliegenden Arbeit die zwei humane Hautfibroblastenlinien HFib1 und HFib2 nach dem simultanen Behandlungsschema mit Hsp90 Inhibitoren und Bestrahlung behandelt. Diese Arbeit zeigte, dass NVP-AUY922 und NVP-BEP800 Tumorzelllinien für die Bestrahlung sensibilisieren, wohingegen der Einfluss von Hsp90 Inhibitoren auf normale Fibroblasten geringer war. Der exakte Mechanismus der Selektivität der Hsp90 Inhibitoren auf Krebszellen ist aber noch unbekannt und erfordert weitere Experimente. Die Behandlung mit N-terminalen Hsp90 Inhibitoren, zum Beispiel mit NVP-AUY922 oder mit NVP-BEP800, induziert die Hitzeschockantwort und unter anderem die Hochregulierung von Hsp70 (Niewidok et al. 2012). Hsp70 ist bekannt für seine starken anti-apoptotischen Eigenschaften, die das therapeutische Potenzial der Hsp90 Inhibitoren reduzieren können. Die Behandlung mit siRNA reduzierte die von NVP-AUY922 induzierte Hsp70-Überexpression, aber beeinflusste nicht die Strahlenempfindlichkeit der Tumorzelllinien A549 und SNB19. Die Transfektion mit siRNA hat bewiesen, dass die Hsp70 Inhibition als eine Unterstützung der Hsp90 Inhibition dienen kann. Dies ist jedoch eine kurzzeitige Methode der Hemmung und alternative Methoden zur Hemmung der Hsp70 Aktivitäten nötig sind. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse erläutern die Effekte, die von zwei neuartigen Hsp90 Inhibitoren NVP-AUY922 und NVP-BEP800 in Kombination mit Bestrahlung induziert werden, sowohl in Tumorzelllinien als auch in normalen Hautfibroblasten. Hsp70-Silencing wurde als Methode zur Erhöhung des radiosensibilisierenden Potenzials des Inhibitor NVP-AUY922 getestet. Alle diese Resultate zusammen sprechen für eine Anwendung von NVP-AUY922 und NVP-BEP800 in klinischen Studien, die alleine oder in Kombination mit Bestrahlung erfolgen könnte.

Space weather can strongly affect the complex radiation field at aviation altitudes. The assessment of the corresponding radiation exposure of aircrew and passengers has been a challenging task as well as a legal obligation in the European Union for many years. The response of several radiation measuring instruments operated by different European research groups during joint measuring flights was investigated in the framework of the CONCORD (COmparisoN of COsmic Radiation Detectors) campaign in the radiation field at aviation altitudes. This cooperation offered the opportunity to measure under the same space weather conditions and contributed to an independent quality control among the participating groups. The CONCORD flight campaign was performed with the twin-jet research aircraft Dassault Falcon 20E operated by the flight facility Oberpfaffenhofen of the German Aerospace Center (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt, DLR). Dose rates were measured at four positions in the atmosphere in European airspace for about one hour at each position in order to obtain acceptable counting statistics. The analysis of the space weather situation during the measuring flights demonstrates that short-term solar activity did not affect the results which show a very good agreement between the readings of the instruments of the different institutes. © 2016 M. Meier et al.

Ziel der Arbeit war, eine HIF-1alpha induzierte Strahlenresistenzerhöhung bei humanen alveolarepithelialen Adenokarzinomzellen (A549) im murinen Xenograftmodell zu prüfen. In dem gewählten Tumormodell wurden humane Adenokarzinomzellen (A549) verwendet, die subkutan implantiert wurden. Als Versuchstiere wurden wegen der bestehenden Toleranz gegen Allo- und Xenotransplantate Mäuse des Stammes CD1 nu/nu gewählt. In dem ersten Teil der Arbeit wurden Bestrahlungsparameter an den subkutanen Tumoren getestet. Es zeigte sich nach einer fraktionierten Bestrahlung mit 6 x 1,8 Gy eine signifikante Reduktion des Tumorvolumens um 53%. Eine einmalige Bestrahlung mit 2,0 Gy führte zu keiner signifikanten Beeinflussung des Tumorvolumens. Bei der weiterführenden immunhistochemischen Darstellung des Verhaltens der Tumoren auf eine Bestrahlung wurde nachgewiesen, dass es zu einer signifikanten Reduktion der Angiogenese sowie der Proliferation kam. Einen signifikanten Effekt in Bezug auf die Apoptoserate konnte nicht nachgewiesen werden. Für die Darstellung der Perfusionsverhältnisse in den subkutan liegenden Tumoren wurden mittels Magnetresonanztomographie Perfusionsaufnahmen angefertigt. Hier zeigte sich eine deutliche Minderperfusion des Tumorzentrums bei guter Perfusion der Tumorrandgebiete. Diese Minderperfusion wies auf hypoxische Verhältnisse im Tumorzentrum hin, die auf eine Expression von HIF hinweisen. Die Beeinflussbarkeit dieser Hypoxie-induzierten Strahlenresistenz wurde in einem zweiten Versuchsabschnitt mit dem gewählten A549 Xenograftmodell unter Verwendung von spezifischer siRNA gegen die unter Hypoxie vermehrt exprimierten Faktoren HIF-1alpha und HIF-2alpha untersucht. Hierzu wurde die induzierte Wachstumsverzögerung nach spezifischer Inhibition der Faktoren HIF-1alpha bzw. HIF-2alpha und nach spezifischer Inhibition dieser Faktoren in Kombination mit percutanen Photonenbestrahlung gemessen. Die alleinige Inhibition mit spezifischer siRNA gegen die Faktoren HIF-1alpha und HIF-2alpha hatte signifikante wachstumsverzögernde Effekte auf die subkutanen Tumoren. Die Ausprägung der Wachstumsverzögerung bei Inhibition dieser beiden Faktoren war vergleichbar stark ausgeprägt (absolute Wachstumsverzögerung: HIF-1alpha 8,7 Tage, HIF-2alpha 6,3 Tage). Unterschiedliche wachstumsverzögernde Effekte bestanden bei Inhibition mit spezifischer siRNA gegen die Faktoren HIF-1alpha, bzw. HIF-2alpha, beide kombiniert mit anschließender Photonenbestrahlung. Der wachstumsverzögernde Effekt nach Inhibition von HIF-1alpha mit nachfolgender Bestrahlung war signifikant stärker ausgeprägt als nach Inhibition von HIF-2alpha mit nachfolgender Bestrahlung (absolute Wachstumsverzögerung: HIF-1alpha 15,95 Tage, HIF-2alpha 8,9 Tage). Daraus ergibt sich, dass über Inhibition des Hypoxie induzierbaren Faktors HIF 1alpha Einfluss auf die Hypoxie-vermittelte Strahlenresistenz und damit auf das Wachstum der A549 Tumoren genommen werden kann. Zur weiterführenden Untersuchung dieses Effekts sind weiterführende Untersuchungen mit Charakterisierung der Einflüsse auf Zielgenebene notwendig.

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Naturally occurring symbiotic microbial communities (SMK) are the most robust assemblages for a multipurpose use in keeping humans healthy and soil fertile. Especially, safe and reliable SMK are needed for producing probiotics and ferments valuable for health problems prophylaxis. This is true for long-term expeditions, outposts, extraterrestrial permanently-manned bases where humans are exposed to adverse environmental factors, weakening the immune system. The kombucha beverage has been used in human society within millennia as a probiotic drink which is produced by naturally occurring mixed populations of living microorganisms. Here, we discuss the potential of the kombucha culture for outposts in far future missions.

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Hintergrund und Ziele Die Koronare Computertomographie-Angiographie (koronare CTA) ist ein gutes bildgebendes Verfahren zur Diagnostik der koronaren Herzkrankheit. Allerdings ist diese Technologie mit einer relativ hohen Strahlendosis assoziiert. Es existieren viele Möglichkeiten der Dosisabschätzung, bislang war es jedoch nicht möglich gewesen, die biologische Auswirkung einzelner Scanparameter unter klinischen Bedingungen zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit war es daher, ein semibiologisches Phantommodell zu etablieren, mit dem einzelne Scanparameter in der koronaren CTA auf ihre biologische Wirksamkeit hin untersucht werden können. Methoden Die Methode basiert auf dem Nachweis des phosphorylierten Histonproteins H2AX, das nach Induktion eines DNA-Doppelstrangbruchs (DSB) gebildet wird. Venöse Blutproben von freiwilligen gesunden Probanden wurden in einem 32 cm CTDI-Plexiglas Phantom (CTDI = Computertomographie-Dosisindex) mit verschiedenen klinischen Protokollen der koronaren CTA (64-Zeilen und Dual-Source CT) bestrahlt. Nach der Bestrahlung wurden Blutlymphozyten aus den Blutproben isoliert, fixiert und mit einem spezifischen γH2AX-Primärantikörper und einem fluoreszierenden Sekundärantikörper gefärbt. Einzelne DNA-DSB wurden fluoreszenzmikroskopisch in Form von punktförmigen Fluoreszenzsignalen, so genannten Foci, erfasst. Die ermittelten DNA-Schäden wurden mit physikalischen Messungen des Dosislängenprodukts (DLP) korreliert. Ergebnisse und Beobachtungen Sowohl mit steigender Röhrenstromstärke als auch mit steigender Röhrenspannung stieg die Zahl der DSB pro Zelle kontinuierlich an. In DLP-Messungen führte ein 100 kV-Protokoll zu einer deutlichen Dosiseinsparung im Vergleich zu einem 120 kV-Protokoll. Durch Verwendung der EKG-getriggerten Röhrenstrommodulation (EKG-Pulsing) konnte das DLP ebenfalls vermindert werden. Die biologische Messung zeigte sowohl bei Reduktion der Röhrenspannung als auch bei Verwendung von EKG-Pulsing eine starke Abnahme der durch die Röntgenstrahlung induzierten DSB. Die Untersuchung des Einflusses von herzfrequenzadaptierter Pitchanpassung ohne Verwendung von EKG-Pulsing ließ eine Abnahme der DSB mit Anstieg der Herzfrequenz erkennen. Unter Verwendung von EKG-Pulsing war bei höheren Herzfrequenzen aufgrund des weiteren Pulsingfensters allerdings der dosiseinsparende Effekt des höheren Pitch aufgehoben. Insgesamt korrelierte die Anzahl der DSB pro Zelle mit dem DLP (R2 = 0,9926). Praktische Schlussfolgerungen Die γH2AX-Methode ist eine sensitive und zuverlässige Methode zur Bestimmung von DNA-DSB. Mit dem semibiologischen Phantommodell ist es möglich, einzelne Scanparameter unter klinischen Bedingungen auf ihre biologische Wirksamkeit hin zu untersuchen. Hier konnte gezeigt werden, dass die einzelnen Scanparameter einen Einfluss auf die DSB haben. Die Methode bietet viele Optionen und kann in Zukunft genutzt werden, um beispielsweise verschiedene Scan-Modes (z.B. Spirale vs. Sequenz) und zukünftige CT-Generationen oder CT-Geräte verschiedener Hersteller zu vergleichen und ihren Einfluss auf die biologische Wirksamkeit der Röntgenstrahlung bei der koronaren CTA zu untersuchen. Background and Aims The Coronary Computed Tomography Angiography (coronary CTA) is a good imaging method for diagnostic investigation of the coronary artery disease. However this technology is associated with a rather high x-ray dose. Though there are many different approaches to estimate the dose exposure, until today it has not been possible to evaluate the biological impact of individual scan parameters under clinical conditions. Hence the objective of this project was to establish a semi-biological phantom-model that can be used to determine the biological effects of the individual scan parameters in coronary CTA. Methods The method is based upon providing evidence of the phosphorylated histone protein H2AX, which is formed after the induction of DNA double-strand breaks (DSBs). Venous blood samples of healthy volunteers were irradiated within a 32 cm CTDI phantom (CTDI = Computed Tomography Dose Index) according to different clinical protocols of the coronary CTA (64-slice and dual-source CT). After irradiation blood lymphocytes were first isolated, then fixed and afterwards stained with an antibody specific for γH2AX and a fluorescent secondary antibody. Single DNA-DSBs were detected as point-shaped fluorescent-signals (foci) using fluorescence microscopy. The detected DNA-damages were correlated with physical measurements of the dose length product (DLP). Results and Observations With increasing tube current time product as well as with increasing tube voltage the number of DSBs per cell rose continuously. In DLP-Measurements a 100 kV-protocol led to a clear reduction of dose compared to a 120 kV-protocol. It was also possible to reduce DLP by using ECG-controlled tube current modulation (ECG-pulsing). By using ECG-pulsing the biological measurements showed a large decrease of x-ray induced DSBs. The examination of the influence of the heart rate dependent pitch adaptation without using ECG-pulsing pointed to a decrease of DSBs with rising heart rate. However because of the larger pulsing-window in ECG-triggered tube current modulation used in higher heart rates, the dose-reducing effect of the high pitch value was eliminated. The number of DSBs per cell was correlated with the DLP (R2 = 0,9926). Conclusions The γH2AX-method is a sensitive and reliable method to detect DNA-DSBs. With the semi-biological phantom-model one can examine single scan-parameters on their biological efficacy under clinical conditions. It could be shown that each scan-parameter has its own influence on the induction of DSBs. The method offers a multitude of options and can be used in future settings e.g. to compare different scan-modes (e.g. spiral vs. sequence) or new CT-generations or CT scanners of different manufactures and to examine their influence on the biological x-ray efficacy during coronary CTA.

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Betriebs- und Umgebungsüberwachung, Genehmigungsmanagement, betrieblicher Strahlenschutz, strahlenbiologische Forschung sowie Arbeitsschutz sind nur einige Schlagworte, die die hierzu notwendigen übergeordneten Aktivitäten im Forschungszentrum Jülich und damit die Aufgaben des Geschäftsbereichs Sicherheit und Strahlenschutz (S) beschreiben. Im Jahresbericht 2007/2008 werden die Tätigkeiten, Projekte und Ergebnisse von S - zum Teil mit Hilfe umfangreicher Tabellen und Listen - dokumentiert und beschrieben.

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We have studied the ability of microorganisms to cope with the complex interplay of the parameters of space in experiments in low Earth orbit and using space simulation facilities on ground. Emphasis was laid on space parameters other than cosmic rays. The studies are directed towards understanding prebiotic chemical evolution and biological evolution processes, and interplanetary transfer of life. Effects of space vacuum : Space experiments have shown that up to 70% of bacterial and fungal spores survived short-term exposure to space vacuum. The chances of survival in space were increased when spores were embedded in chemical protectants such as sugars, or salt crystals, or when they were exposed in multilayer. During the six years lasting LDEF mission up to 80% of bacterial spores survived exposure to space vacuum. A 10-fold increased mutation rate over the spontaneous rate has been observed in spores of Bacillus subtilis after exposure to space vacuum, which is probably based on a unique molecular signature of tandem-double base change at restricted sites in the DNA. In addition, DNA strand breaks have been observed to be induced by vacuum treatment. Effects of extraterrestrial solar UV radiation : Solar UV radiation has been found to be the most deleterious factor of space. The reason for this is the highly energetic UV-C and vacuum UV radiation that is directly absorbed by the DNA and which induces specific photoproducts in the DNA that are highly mutagenic and lethal. The damaging effect of extraterrestrial solar UV radiation was even aggravated, when the spores were simultaneously exposed to both, solar UV radiation and space vacuum. In order to investigate the mutagenic potential of solar UV radiation, DNA of the Escherichia coli plasmid pUC19 was exposed to selected wavebands of UV radiation (from vacuum UV to UV-A) by use of a solar simulator and space simulation facilities. Action spectra revealed that for vacuum UV different kinds of photochemical damage contribute to inactivation and mutation induction. Sequencing of the UV-induced l acZ ′ mutants provided mutation spectra and mutational hot spots for the various UV regions. In all UV regions, the predominant base substitution was the G:C to A:T transition. A:T to T:A transversions were increasingly produced by short-waveband UV, whereas G:C to C:G transversions predominated after exposure to UV-A. Deletions of more than one base pair were only detected after exposure to vacuum UV radiation.

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Betriebs- und Umgebungsüberwachung, betrieblicher Strahlenschutz sowie Arbeitsschutz sind nur einige Schlagworte, die die hierzu notwendigen übergeordneten Aktivitäten im Forschungszentrum Jülich und damit die Kernaufgaben des Geschäftsbereichs Sicherheit und Srahlenschutz (S) beschreiben. Im Jahresbericht wird das Spektrum der Tätigkeiten und Projekte von S dokumentiert und beschrieben.

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Antimicrobial surfaces are a highly promising approach in preventing/ reducing microbial loads in sensitive areas. There, high humidity and temperature levels are causing microbial contamination - endangering human health, health of organisms e.g. in bioregenerative life-support systems as well as technical equipment. Antimicrobial surfaces are beneficial • in spaceflight - w.r.t. activities in confined environments in LEO and during exploration activities - to support breeding activities of e.g. algae in bioreactors, biological experiments and to meet the COSPAR planetary protection policy • as well as on Earth - in hygiene areas during medical activities and food handling, in swimming baths, bathrooms etc.. For confined environments in space as well as on Earth, antimicrobial surfaces must be free of any toxic substance, otherwise higher non-target organisms would be affected. Thus, synthetic chemicals, silver, copper etc., as used until now, are not a suited solution, which in addition might lead to resistances of the bacteria to these toxic substances and are acting rather unspecific. Bioinspired technologies as using antimicrobial peptides from nature (e.g. from frog skin etc.), immobilised on surfaces, are a suited alternative. High flexibility concerning the microbial target, low toxicity and an absence of resistances are the main advantages. As a consequence, the goal of the ESA-funded project BALS (Bio-inspired antimicrobial lacquer for space) was the development of a new innovative antimicrobial acting lacquer based on peptides. Project partners were OHB System, Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials (IFAM) (both Bremen, Germany) as well as the German Aerospace Center, Institute of Aerospace Medicine (Cologne, Germany). An overview about goals, technology and test results (w.r.t. antimicrobial activity, adhesion on substrates as well as absence of effects on higher organisms) of the BALS activity will be given at the symposium. Furthermore, an outlook about the next development and qualification steps until routine application in space and on Earth will be part of the presentation.

AstRoMap was supported by the European Commission Seventh Framework Programme (FP7) from 2012 to 2015. The main outcome of the AstRoMap project is its roadmap for European astrobiology, astrobiology being understood as the study of the origin, evolution and distribution of life in the context of cosmic evolution; this includes habitability in the Solar System and beyond. The AstRoMap roadmap, published in March 2016, results from expert workshops as well as wide consultation of the community. It puts forward five core research topics that represent interrelated roadmap building blocks. Each research topic is broken down into several key objectives (and subobjectives) that put forward more detailed priority areas to be addressed in the future. - Research Topic 1: Origin and Evolution of Planetary Systems - Research Topic 2: Origins of Organic Compounds in Space - Research Topic 3: Rock-Water-Carbon Interactions, Organic Synthesis on Earth, and Steps to Life - Research Topic 4: Life and Habitability - Research Topic 5: Biosignatures as Facilitating Life Detection The AstRoMap partner organisations were the Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial { Centro de Astrobiologíca (INTA-CAB, Spain), the European Science Foundation (ESF, France), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR, Germany), the Belgian User Support and Operations Centre (B-USOC, Belgium), the Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF, Italy) and the European Astrobiology Network Association (EANA, Europe).

Background The Mars500 project was conceived as the first full duration simulation of a crewed return flight to Mars. For 520 days, six crew members lived confined in a specifically designed spacecraft mock-up. The herein described “MIcrobial ecology of Confined Habitats and humAn health” (MICHA) experiment was implemented to acquire comprehensive microbiota data from this unique, confined manned habitat, to retrieve important information on the occurring microbiota dynamics, the microbial load and diversity in the air and on various surfaces. In total, 360 samples from 20 (9 air, 11 surface) locations were taken at 18 time-points and processed by extensive cultivation, PhyloChip and next generation sequencing (NGS) of 16S rRNA gene amplicons. Results Cultivation assays revealed a Staphylococcus and Bacillus-dominated microbial community on various surfaces, with an average microbial load that did not exceed the allowed limits for ISS in-flight requirements indicating adequate maintenance of the facility. Areas with high human activity were identified as hotspots for microbial accumulation. Despite substantial fluctuation with respect to microbial diversity and abundance throughout the experiment, the location within the facility and the confinement duration were identified as factors significantly shaping the microbial diversity and composition, with the crew representing the main source for microbial dispersal. Opportunistic pathogens, stress-tolerant or potentially mobile element-bearing microorganisms were predicted to be prevalent throughout the confinement, while the overall microbial diversity dropped significantly over time. Conclusions Our findings clearly indicate that under confined conditions, the community structure remains a highly dynamic system which adapts to the prevailing habitat and micro-conditions. Since a sterile environment is not achievable, these dynamics need to be monitored to avoid spreading of highly resistant or potentially pathogenic microorganisms and a potentially harmful decrease of microbial diversity. If necessary, countermeasures are required, to maintain a healthy, diverse balance of beneficial, neutral and opportunistic pathogenic microorganisms. Our results serve as an important data collection for (i) future risk estimations of crewed space flight, (ii) an optimized design and planning of a spacecraft mission and (iii) for the selection of appropriate microbial monitoring approaches and potential countermeasures, to ensure a microbiologically safe space-flight environment. Electronic supplementary material The online version of this article (10.1186/s40168-017-0345-8) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Cold atmospheric plasma (CAP) technology is very fast and effective in inactivation of various kinds of microorganisms, like bacteria and endospores. In the field of astronautics, the COSPAR planetary protection policy defines the decontamination requirements of spacecraft components for different space missions [1]. In a first study of using CAP for the decontamination of space equipment we showed its potential as a quite promising alternative to the standard “dry heat” and H₂O₂ methods [2].