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Im Zuge dieser Arbeit wird in Form eines Experiments die Schutzeigenschaften von alternativen Strahlenschutzmittel und von herkömmlichen Mitteln gegenüber ionisierender Strahlung getestet. Bleihaltige und bleifreie Strahlenschutzschürzen werden in verschiedenen Szenarien Strahlung ausgesetzt. Dabei findet ein Messvorgang zur Erhebung der Werte statt die anschließend ausgewertet und verglichen werden. Die Prüfung erfolgt in 3 Gegebenheiten, die praxisorientiert sowie rekonstruierbar sind und erfolgen im Nutzstrahlenfeld einer Durchleuchtungsanlage, im Nutzstrahlenfeld eines Mammographiegeräts und im Bereich der Streustrahlung, welche mittels einer Durchleuchtungsanlage und einem Streukörper generiert wird. 5 verschiedene Typen von Schutzmitteln, von denen zwei als bleifrei markiert sind, sollen ihre Eigenschaft zur Schwächung von ionisierender Strahlung in den diversen Umgebungen unter beweis stellen. Erfasst werden die Messwerte der Exponierten Strahlung mit drei für das Experiment geeigneten Messinstrumenten. Nach Abschluss der Versuche sollen die erhaltenen Werte analysiert werden und die gewonnen Erkenntnisse zum Vergleich der Schutzeigenschaften von bleifreien und bleihaltigen Schutzschürzen dienen. Damit soll Aufschluss darüber gegeben werden wie gut sich alternative Varianten gegenüber den herkömmlichen Modellen behaupten können. In the course of this work, the protective properties of alternative radiation protection means and of conventional means against ionizing radiation are tested in the form of an experiment. Leaded and lead-free radiation protection aprons are exposed to radiation in different scenarios. A measurement process takes place to collect the values, which are then evaluated and compared. The test is carried out in 3 conditions that are practice-oriented and reconstructable and take place in the useful radiation field of a fluoroscopy system, in the useful radiation field of a mammography device and in the area of scattered radiation, which is generated by a fluoroscopy system and a scattering body. 5 different types of protective agents, two of which are marked as lead-free, are designed to demonstrate their ability to attenuate ionizing radiation in various environments. The measured values of the exposed radiation are recorded with three measuring instruments suitable for the experiment. After completion of the tests, the values obtained are to be analyzed and the knowledge gained is to be used to compare the protective properties of lead-free and lead-containing protective aprons. This is intended to provide information on how well alternative variants can compete with conventional models.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema Strahlenschutz und alternative Methoden und Mittel, welche im Strahlenschutz zum Einsatz kommen können. Ziel dieser Arbeit ist es, zu zeigen wie sich alternative Strahlenschutzmittel und Methoden im Vergleich zum herkömmlichen Goldstandard bewähren. Mittels Studienvergleich soll erfasst werden, ob alternative Methoden und Mittel tatsächlich den gewünschten Effekt erzielen können, um einen besseren Schutz für Personal und PatientInnen in der Radiologie zu gewährleisten. Grundlage für den Vergleich zu alternativen Mittel und Methoden sollen Verordnungen und Richtlinien der ICRP sowie der Euratom liefern. Auch die Gesetze und ÖNORMEN sollen ihm Rahmen der Grundlagen Beachtung finden. Studien, welche in dieser Arbeit zur Sprache kommen, wurden in einem Zeitraum der letzten 5 Jahre erstellt und behandeln alternative Mittel und Methoden im baulichen und personalisierten Strahlenschutz. Im baulichen Strahlenschutz wird Baryt und Blei als herkömmliche Mittel analysiert sowie im personalisierten Strahlenschutz bleihaltige Verbundstoffe in Schürzen und Schilddrüsenschilden. Im baulichen Strahlenschutz soll dieser Goldstandard mit bleifreien Mitteln wie Epoxid versetzt mit Yahyali Stein verglichen werden. Auch die Anwendung und Effektivität von Gläsern, welche mit alternativen Materialien zusammengesetzt wurden, sollen in Hinblick auf ihre Effektivität geprüft werden. Im personalisierten Strahlenschutz finden vor allem Leight Weight Schürzen Beachtung welche durch Anwendung verschiedener Legierungen als leichte alternative zu herkömmlichen bleihaltigen Schürzen dienen sollen sowie alternative Verbundstoffe in Schilddrüsenschilden, welche dem herkömmlichen Standard übertreffen sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass Alternativen in beinahe allen Punkten mit dem Goldstandard mithalten können. Sie zeichnen sich vor allem in ihrer Leichtigkeit sowie Bleifreiheit aus, was ein wesentlicher Faktor ist, da Blei für Mensch und Umwelt als toxisch gilt. Auch in den strahlenschwächenden Eigenschaften sind einige Alternativen den Goldstandard überlegen. Das in Zukunft die herkömmlichen Strahlenschutzmittel und Methoden durch neue Alternativen abgelöst werden können. This thesis deals with the topic of radiation protection and alternative methods and means which can be used in radiation protection. The aim of this work is to show how alternative radiation protection means and methods compare to the conventional gold standard. By means of a comparison of studies, it is to be determined whether alternative methods and means can actually achieve the desired effect in order to ensure better protection for personnel and patients in radiology. Regulations and guidelines of the ICRP and Euratom are to provide the basis for the comparison of alternative means and methods. Also, the laws and ÖNORMEN are to be considered in the context of the bases. Studies, which are discussed in this work, were made in a period of the last 5 years and treat alternative means and methods in the structural and personalized radiation protection. In structural radiation protection, baryte and lead are analyzed as conventional agents, and in personalized radiation protection, lead-containing composites in aprons and thyroid shields. In structural radiation protection, this gold standard will be compared with lead-free agents such as epoxy mixed with Yahyali stone. Also, the application and effectiveness of glasses composed with alternative materials will be tested in terms of their effectiveness. In personalized radiation protection, particular attention will be given to Leight Weight aprons, which are intended to serve as a lightweight alternative to conventional leaded aprons through the use of various alloys, and to alternative composite materials in thyroid shields, which are intended to exceed the conventional standard. The results show that alternatives can compete with the gold standard in almost all respects. They excel in light weight as well as lead-free, which is a key factor since lead is considered toxic to humans and the environment. Some alternatives are also superior to the gold standard in radiation attenuating properties. That in the future the conventional radiation protection agents and methods can be replaced by new alternatives.

Der Laborbericht beschreibt die Entwicklung und Anwendung eines Messgerätes zur gleichzeitigen Erfassung von sehr kleinen Strömen (im Bereich einiger 10-15 Ampere) sowie entsprechend kleinen Ladungen. Es wurde eine neuartige elektronische Beschaltung bestehend aus einer Kombination von Transimpedanzverstärker und Integrator entwickelt und eingesetzt. Anwendung findet das Messprinzip bei der Messung kleiner Ströme von Luftionisationskammern in gepulsten und kontinuierlichen Strahlungsfeldern. Für diese Anwendung wurde auch ein Muster-Prototyp zur mobilen Datenerfassung, Dosisanzeige inklusive Kommunikationsschnittstelle entwickelt.

Scholarship of the Helmholtz Space Life Sciences Research School (SpaceLife), German Aerospace Center (DLR; Cologne, Germany), which was funded by the Helmholtz Association during a period of 6 years (grant VH-KO-300) and received additional funds from the DLR, including the Aerospace Executive Board and the Institute of Aerospace Medicine. The work was supported by the DLR grant FuE-Projekt ‘‘ISS LIFE’’ (Program RF-FuW, program part 475).

Environmental stress, reactive oxygen species (ROS), or ionizing radiation (IR) can induce adverse effects in organisms and their cells, including mutations and premature aging. DNA damage and its faulty repair can lead to cell death or promote cancer through the accumulation of mutations. Misrepair in germ cells is particularly dangerous as it may lead to alterations in developmental programs and genetic disease in the offspring. DNA damage pathways and radical defense mechanisms mediate resistance to genotoxic stresses. Here, we investigated, in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe, the role of the H2O2-detoxifying enzyme cytosolic catalase T (Ctt1) and the Fe2+/Mn2+ symporter Pcl1 in protecting meiotic chromosome dynamics and gamete formation from radicals generated by ROS and IR. We found that wild-type and pcl1-deficient cells respond similarly to X ray doses of up to 300 Gy, while ctt1∆ meiocytes showed a moderate sensitivity to IR but a hypersensitivity to hydrogen peroxide with cells dying at &gt, 0.4 mM H2O2. Meiocytes deficient for pcl1, on the other hand, showed a resistance to hydrogen peroxide similar to that of the wild type, surviving doses &gt, 40 mM. In all, it appears that in the absence of the main H2O2-detoxifying pathway S. pombe meiocytes are able to survive significant doses of IR-induced radicals.

Ionisierende Strahlung (IR) ist in der medizinischen Diagnostik und in der Tumortherapie von zentraler Bedeutung, kann aber Genominstabilität und Krebs auslösen. Strahleninduzierte Genominstabilität (RIGI) ist in den klonalen Nachkommen bestrahlter Zellen zu beobachten, die zugrundeliegenden Mechanismen sind jedoch noch unverstanden. Zur Erforschung von verzögerten Strahleneffekten wurden primäre embryonale Fibroblastenkulturen mit 2 Gray bestrahlt und für 20 Populationsverdopplungen klonal expandiert. Zellen, die keiner Strahlung ausgesetzt waren, dienten als Kontrolle für normale Alterungsprozesse. Die Klone wurden durch klassische Chromosomenbänderungstechniken analysiert und in Abhängigkeit der Stabilität ihres Genoms in Gruppen eingeteilt. Ein Klon wurde als stabil gewertet, wenn die analysierten Metaphasen keinerlei Auffälligkeiten zeigten, während instabile Klone ein Mosaik aus normalen und abnormalen Metaphasen waren. Die Zellen von zwei Spendern wurden untersucht, um interindividuelle Strahleneffekte zu beurteilen. Nach Bestrahlung hatten mehr als die Hälfte der Klone Metaphasen mit strukturellen Aberrationen und wurden dementsprechend als instabil eingestuft. Drei Klone zeigten zudem numerische Aberrationen, die ausschließlich das Y Chromosom betrafen. Fluoreszenz in situ Hybridisierungen verifizierten diese Beobachtung in weiteren Klonen und deuteten an, dass der Verlust des Y Chromosoms mit RIGI assoziiert ist. Molekulare Karyotypisierungen mit SNP Arrays ergaben, dass IR in den Klonen Veränderungen der Kopienzahl auslöst. Ein Unterschied zwischen chromosomal stabilen und instabilen Klonen konnte jedoch nicht detektiert werden. Chromosomale Regionen, in denen sich bekanntermaßen fragile Stellen befinden, zeigten eine Anhäufung von CNVs. Ein RIGI Effekt konnte für die fragile Stelle 3B, in der sich das Gen FHIT befindet, identifiziert werden. Exom Sequenzierungen von Klonen und der entsprechenden Massenkultur zeigten eine alterungsassoziierte Entstehung von Varianten. Der Effekt wurde durch die Einwirkung von Strahlung erhöht. Auf Ebene von einzelnen Nukleotiden konnten ebenfalls Anhäufungen von Schäden in bestimmten genomischen Bereichen detektiert werden, dieser Effekt ging ohne die typischen RIGI Endpunkte einher. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass strahlenbedingte Veränderungen auf verschiedenen Ebenen (Chromosomen, Genkopienzahl und einzelnen Nukleotiden) beobachtet werden können, welche, unabhängig von RIGI, die Tumorentstehung begünstigen. Speziell Veränderungen im FRA3B Lokus und der Verlust des Y Chromosoms scheinen jedoch über die Destabilisierung des Genoms zur Krebsentstehung beizutragen., Ionizing radiation is important in medical diagnosis and cancer treatment but can lead to genomic instability and secondary malignancies as a late effect. Radiation induced genomic instability (RIGI) can be observed in the progeny of irradiated cells but the underlying cellular processes remain to be elucidated. To study delayed genetic radiation effects, single cell fibroblast clones from two different male donors were established after a single X ray dose of 2 Gray. Non irradiated cells were used as controls to account for aging related effects. Clones were characterized using chromosome banding analysis. Stable clones were endowed with no karyotype abnormalities in all analysed metaphases after 20 Population doublings, whereas unstable clones showed both normal and abnormal metaphases. Two fibroblast strains were used to detect differences in radiation sensitivity. More than half of the irradiated clones were chromosomally abnormal and thus classified as unstable. Both banding analysis and fluorescence in situ hybridization revealed an increased rate of Y chromosome loss in irradiated clones which might be associated with RIGI. Using SNP Arrays, an increased rate of de novo copy number variations (CNVs) was detected in the progeny of irradiated cells when compared to non irradiated controls. However, a significant difference between chromosomally stable and unstable clones was not found. CNVs clustered in chromosomal regions that are associated with known fragile sites. The fragile site 3B, which encompasses the gene FHIT, was found to be affected by CNVs in unstable clones suggesting a RIGI related effect. Exome sequencing of clones and the respective primary cultures revealed an increased rate of variants during in vitro aging. This effect was further increased by radiation exposure. Analysis of single nucleotides showed a RIGI independent accumulation of damage in specific regions. The results of the present study show that radiation induced changes can manifest as chromosomal abnormalities, copy number variations and DNA sequence mutations promoting tumorigenesis independent from RIGI. However, changes in FRA3B and loss of Y chromosome might trigger cancer through destabilizing the genome.

Der Prozess des Alterns ist ein komplexer multifaktorieller Vorgang, der durch eine sukzessive Verschlechterung der physiologischen Funktionen charakterisiert ist. Ein hohes Alter ist der Hauptrisikofaktor für die meisten Krankheiten, einschließlich Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Das Verständnis der epigenetischen Mechanismen, die in den Prozess des Alterns involviert sind, könnte zur Entwicklung pharmakologischer Interventionen beitragen, die nicht nur die Lebenserwartung erhöhen, sondern auch den Beginn des altersassoziierten funktionellen Abbaus verzögern könnten. Durch die Langzeit-Kultivierung primärer humaner Fibroblasten wurde ein in vitro Modell für das Altern etabliert, das die Identifizierung altersassoziierter DNA-Methylierungs-Veränderungen ermöglichte. Die in vitro Alterung konnte mit einer globalen Hypomethylierung und einer erhöhten DNA-Methylierung der ribosomalen DNA assoziiert werden. Darüber hinaus konnten DNA-Methylierungs-Veränderungen in Genen und Signalwegen, die für das Altern relevant sind, und ein erhöhtes epigenetisches Alter nachgewiesen werden. Das in vitro Modell für das Altern wurde verwendet, um neben den direkten Effekten ionisierender Strahlung auf die DNA-Methylierung auch deren Langzeit-Effekte zu untersuchen. Die Strahlentherapie ist ein entscheidendes Element der Krebstherapie, hat aber auch negative Auswirkungen und kann unter anderem das Risiko für die Entwicklung eines Zweittumors erhöhen. Bei externer Bestrahlung wird neben dem Tumor auch gesundes Gewebe ionisierender Strahlung ausgesetzt. Daher ist es wichtig zu untersuchen, wie Zellen mit intakten DNA-Reparatur-Mechanismen und funktionierenden Zellzyklus-Checkpoints durch diese beeinflusst werden. In der frühen Phase der DNA-Schadensantwort auf Bestrahlung wurden in normalen Zellen keine wesentlichen DNA-Methylierungs-Veränderungen beobachtet. Mehrere Populations-Verdoppelungen nach Strahlenexposition konnten dagegen eine globale Hypomethylierung, eine erhöhte DNA-Methylierung der ribosomalen DNA und ein erhöhtes epigenetisches Alter detektiert werden. Des Weiteren zeigten Gene und Signalwege, die mit Krebs in Verbindung gebracht wurden, Veränderungen in der DNA-Methylierung. Als Langzeit-Effekte ionisierender Strahlung traten somit die mit der in vitro Alterung assoziierten DNA-Methylierungs-Veränderungen verstärkt auf und ein epigenetisches Muster, das stark an das DNA-Methylierungs-Profil von Tumorzellen erinnert, entstand. Man geht davon aus, dass Veränderungen der DNA-Methylierung eine aktive Rolle in der Entwicklung eines Tumors spielen. Die durch ionisierende Strahlung induzierten DNA-Methylierungs-Veränderungen in normalen Zellen könnten demnach in die Krebsentstehung nach Strahlenexposition involviert sein und zu dem sekundären Krebsrisiko nach Strahlentherapie beitragen. Es ist bekannt, dass Patienten unterschiedlich auf therapeutische Bestrahlung reagieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass die individuelle Sensitivität gegenüber ionisierender Strahlung auch auf epigenetischer Ebene beobachtet werden kann. In einem zweiten Projekt wurden Gesamtblutproben von Patienten mit Werner-Syndrom, einer segmental progeroiden Erkrankung, und gesunden Kontrollen analysiert, um mit dem vorzeitigen Altern in Verbindung stehende DNA-Methylierungs-Veränderungen zu identifizieren. Werner-Syndrom konnte nicht mit einer globalen Hypomethylierung, jedoch mit einer erhöhten DNA-Methylierung der ribosomalen DNA und einem erhöhten epigenetischen Alter assoziiert werden. Das vorzeitige Altern geht demzufolge mit spezifischen epigenetischen Veränderungen einher, die eine Beschleunigung der mit dem normalen Altern auftretenden DNA-Methylierungs-Veränderungen darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Bedeutung epigenetischer Mechanismen im Prozess des Alterns hervorgehoben werden und gezeigt werden, dass sowohl exogene Faktoren, wie ionisierende Strahlung, als auch endogene Faktoren, wie das in Werner-Syndrom-Patienten mutiert vorliegende WRN-Gen, altersassoziierte DNA-Methylierungs-Veränderungen beeinflussen können., Aging is a complex, multifactorial process that is characterized by the successive deterioration of normal physiological functions. Age is the main risk factor for most diseases, including cancer. Understanding the epigenetic mechanisms that are involved in the aging process could contribute to the development of pharmacological interventions not only increasing lifespan but also delaying the onset of age-dependent functional decline. An in vitro model for aging was established by long-term culturing of primary human fibroblasts and used to identify age-associated changes in DNA methylation. In vitro aging could be linked to global hypomethylation, elevated DNA methylation of ribosomal DNA, a higher epigenetic age and alterations in DNA methylation of genes and pathways being relevant for aging. The in vitro model for aging allowed to analyse the long-term effects of ionizing radiation on DNA methylation in addition to their direct effects. Radiotherapy is an important element of cancer treatment but can also have negative effects and increase the risk of second cancers. Although radiotherapy is targeted to the tumour, it also affects the surrounding healthy tissue. Therefore, it is important to analyse the impacts of ionizing radiation on normal cells with intact DNA repair and cell cycle checkpoints. The early phase of DNA damage response to radiation does not seem to include great changes in DNA methylation in normal cells. In contrast, several population doublings after radiation exposure, global hypomethylation and DNA methylation changes of genes and pathways being linked to tumorigenesis were detected. Furthermore, DNA methylation of ribosomal DNA and the epigenetic age were increased. Thus, as long-term effects of ionizing radiation the age-associated changes in DNA methylation were enhanced and an epigenetic pattern strongly resembling the DNA methylation profile of tumour cells was observed. It is assumed that alterations in DNA methylation are not only side effects of carcinogenesis but rather play an active role during this process. Radiation-induced changes in DNA methylation could thus be involved in tumour development and contribute to the secondary cancer risk after radiotherapy. It is well known that patients react differently to therapeutic radiation. The results of this study suggest that individual radiation sensitivity is also reflected on epigenetic level. In a second project whole blood samples from patients with Werner syndrome, a segmental progeroid syndrome, and healthy controls were analysed to identify changes in DNA methylation associated with premature aging. Werner syndrome could not be linked to global hypomethylation, but to an increased epigenetic age and elevated methylation levels of ribosomal DNA. Hence, premature aging seems to be accompanied by specific alterations in DNA methylation representing an acceleration of the DNA methylation changes associated with normal aging. This work outlines the importance of epigenetic mechanisms in the aging process and shows that not only exogenous factors like ionizing radiation but also endogenous factors like Werner syndrome causing mutations in the WRN gene can influence age-associated changes in DNA methylation.

Astronauten auf Weltraummissionen, vor allem auf Langzeit-Missionen zu Mond oder Mars, haben ein höheres Risiko für Späteffekte der Strahlenexposition wie Krebs oder subkapsuläre corticale Augenlinsentrübungen. Dies ist auf eine höhere Dosis und eine unterschiedliche zelluläre Energiedeposition der Komponenten der galaktischen kosmischen Strahlung mit hohem linearen Energietransfer (LET) im Vergleich mit der Niedrig-LET-Strahlung auf der Erde zurückzuführen. Die Augenlinse wird als ein strahlungsempfindliches Organ betrachtet. Der strahlungsinduzierte Katarakt tritt mit einer Schwellenenergiedosis von 0,5 Gy dünn ionisierender Strahlung auf. Für die terrestrische Strahlenexposition von der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP, 2011) wurde der Grenzwert auf jährlich 20 mSv festgelegt. Astronauten sind viel höheren Dosen ausgesetzt: durchschnittlich 150 mSv pro Jahr auf der Internationalen Raumstation (ISS) und 1,2 bis 1,4 mSv pro Tag auf Apollo- und Skylab-Missionen (Cucinotta et al., 2001).

Lange nicht-kodierende Ribonukleinsäuren (lncRNAs) sind Transkripte, die länger als 200 Nukleotide sind und keinen offenen Leserahmen (ORF) besitzen. Daher haben sie wenig bis kein Potenzial für Proteine zu kodieren. Einige lncRNAs sind bereits bekannt dafür regulatorische Funktionen in Zellen auszuführen. Hoch dosierte ionisierte Strahlung (IR) induziert in peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) verschiedene intrazelluläre Wege, die für die Zellteilung bzw. das Zellüberleben eine wichtige Rolle spielen. Die Induktion von Apoptose in PBMCs durch IR führt zu einer Freisetzung von parakrinen Faktoren, die gewebsregenerative Prozesse fördern. Die Rolle der lncRNAs in diesen Mechanismen ist jedoch Großteils noch unerforscht. PBMCs, die verschiedenen Strahlungsdosen ausgesetzt wurden, zeigten eine dosisabhängige Aktivierung und Akkumulierung von p53 und dessen Downstream-Target p21. Zwei Proteine deren nachweisliche Funktionen darin bestehen, Zell-Zyklus-Arrest zu regulieren, bzw. Apoptose zu induzieren. Transkriptom-Analysen von PBMCs die mit einer Dosis von 60Gy bestrahlt wurden, zeigte ebenfalls eine zeitabhängige Regulierung von 934 lncRNAs. Darunter befanden sich drei bekannte lncRNAs (Trp53or1, TUG1 und MEG3), die an der p53-abhängigen Zellzyklus-Regulierung und apoptotischen Ereignissen beteiligt sind. Außerdem konnten wir eine Vielzahl von unbekannten lncRNAs identifizieren, die nach der Bestrahlung signifikant reguliert waren. In dieser Studie konnten wir ein breites Spektrum an lncRNAs identifizieren, die in humanen PBMCs durch IR reguliert werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass lncRNAs bei zellulären Prozesse, nach der Aktivierung durch zum Beispiel ionisierende Strahlung, eine wichtige Rolle spielen. Long non-protein coding RNAs (lncRNAs) are transcripts longer than 200 nucleotides without an open reading frame (ORF). Therefore they have little to no potential to code for a protein, but they are already evidently known to execute regulatory functions in cells. High-dose ionizing radiation (IR) of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) induces various intracellular pathways linked to cell survival and apoptosis and leads to the release of paracrine factors that has been shown to promote regenerative processes. However, the contribution of lncRNAs to these regenerative mechanisms is still unknown. Exposure of PBMCs to IR dose dependently activated the tumor suppressor gene p53 and its downstream target p21, two proteins involved in the regulation of cell cycle arrest progression and apoptosis. Irradiation of PBMCs with 60Gy induced a time-dependent regulation of 934 lncRNAs. Three of them, Trp53cor1, TUG1 and MEG3 are already well known for their participation in the regulation of p53-dependent cell cycle arrest and apoptosis. In addition we identified a variety of so far unknown lncRNAs that were also significantly regulated after exposure to IR. In this study we have shown a detailed analysis of lncRNA expression in human PBMCs after gamma-irradiation. Our data suggest that lncRNAs are involved in the orchestration of cellular processes after activation through strong cellular stressors, such as IR. vorgelegt von: Lucas Nemec Molecular Biotechnology Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2017

Hintergrund und Ziele In einem prospektiven Vergleich sollten Bildqualität, Bildrauschen und diagnostische Wertigkeit thorakaler Halbdosis (HD) Datensätze, die mit einem bildbasierten, iterativen Algorithmus (IRIS) rekonstruiert wurden, mit durch gefilterte Rückprojektion (FBP) rekonstruierten Volldosis (FD) und HD Datensätzen verglichen werden. Material und Methoden 52 Patienten (14 Frauen und 38 Männer; Durchschnittsalter 62 ± 13 Jahre) mit klinischer Indikation zur Thorax-CT wurden an einem Dual Source (DS) CT untersucht. Der Röhrenstrom wurde bei konstanter Röhrenspannung von 120 Kilovolt (kV) gleichmäßig auf die beiden Röntgenröhren-Detektoreinheiten aufgeteilt. Aus einer Untersuchung wurden jeweils 3 Datensätze rekonstruiert: FD-FBP durch Auswertung von Rohdaten aus beiden, sowie HD-FBP und HD-IRIS aus Rohdaten eines einzelnen Röntgenröhren-Detektor-Systems. Die objektive Bewertung der Bildqualität erfolgte durch Messung des Bildrauschens. Die subjektive Evaluation wurde unabhängig von 2 Untersuchern analog der "European guidelines on quality criteria for CT", sowie hinsichtlich des Auftretens von Bildartefakten und der Abgrenzbarkeit und Randschärfe pathologischer Läsionen vorgenommen. Ergebnisse und Beobachtungen Das Bildrauschen in HD-IRIS und FD-FBP unterschied sich nicht signifikant voneinander (p = 0,254). In der HD-FBP Gruppe nahm das Bildrauschen dagegen hochsignifikant um 41,3 % zu (p < 0,001). FD-FBP und HD-IRIS zeigten bezüglich der scharfen Darstellung von pulmonalen und mediastinalen Strukturen, mit Ausnahme der kleinsten Bronchialäste, keine signifikanten Unterschiede. Die Abgrenzbarkeit und Randschärfe der untersuchten Läsionen zeigte keine signifikante Diskrepanz zwischen HD-IRIS und FD-FBP Datensätzen. In den HD-FBP Bildern wurden die anatomischen Strukturen und die Kantenschärfe der Läsionen im Vergleich zu FD-FBP signifikant schlechter bewertet. Streifenartefakte waren in den HD-FBP Datensätzen, eine pixelige Darstellungsform in den HD-IRIS Datensätzen signifikant häufiger (beide p < 0,001). Praktische Schlussfolgerung Bei Halbierung der Strahlendosis erreichte die FBP in der Darstellung der Lunge eine akzeptable, IRIS eine der FD-FBP vergleichbare Qualität. Eine scharfe Darstellung mediastinaler Strukturen und die notwendige Kantenschärfe kleiner Läsionen wurden bei 50 % Dosisreduktion nur im iterativen Algorithmus erreicht. IRIS ermöglicht dank Rausch- und Artefaktreduktion eine der FD-FBP vergleichbare Bildqualität und diagnostische Wertigkeit bei halber Strahlendosis. Der leicht veränderte Bildaspekt durch IRIS hatte dabei keinen Effekt auf die diagnostische Bildqualität. Moderne, iterative Rekonstruktionsalgorithmen können in Zukunft weitere Dosiseinsparungen bei Rekonstruktionszeiten, die mit dem klinischen Ablauf vereinbar sind, ermöglichen. Objectives The purpose of the study was to prospectively compare image quality, image noise and diagnostic value of iterative reconstruction in image space (IRIS) in half-dose (HD) datasets with full-dose (FD) and HD filtered back projection reconstruction (FBP) in computed tomography (CT) of the chest. Materials and Methods Chest CT examinations were performed for 52 patients (14 women, 38 men, mean age 62 ± 13 years) on a dual-source (DS) system. Data were acquired with both tubes operating at a constant tube voltage of 120 kV. Tube current was split up equally for both tube-detector-systems. Three image datasets were reconstructed from raw data: FD-FBP datasets applying data from both tube-detector-systems, HD-FBP and HD-IRIS datasets using data from only one tube-detector-system. Objective image quality analysis was performed by measurement of the image noise. Subjective image quality was assessed by two investigators according to the European guidelines on quality criteria for CT. Both of them performed additional evaluation of artifacts, lesion conspicuity and lesion edge sharpness. Results No significant differences between HD-IRIS and FD-FBP were found for the image noise (p = 0.254). HD-FBP datasets were associated with significantly increased image noise (+ 41.3 %; p < 0.001). Visually sharp anatomic reproduction of lung and mediastinal structures was, except of the small bronchioli, not significantly different in FD-FBP and HD-IRIS. Lesion conspicuity and lesion edge sharpness in HD-IRIS images were comparable to those in FD-FBP images. Compared with FD datasets, visually sharp reproduction of anatomical structures and lesion edge sharpness were rated significantly worse in the HD-FBP datasets. Streak artifacts were significantly increased in HD-FBP, while HD-IRIS datasets showed a slightly altered noise pattern. Conclusion Qualitative image quality at 50% dose reduction allows for acceptable reproduction of the lung tissue using FBP, while reconstructions with IRIS accounts for an image quality comparable to FD-FBP. Especially the visually sharp reproduction of mediastinal structures and lesion edge sharpness at HD was conserved by IRIS. Image quality and diagnostic acceptability can be obtained for images acquired at 50 % dose reduction when reconstructed with IRIS. Diagnostic acceptability was not influenced by the slightly pixilated appearance of HD-IRIS. Modern iterative reconstruction algorithms might allow for further dose reduction in thoracic CT within acceptable reconstruction time.

Ionization chambers have been used since the beginning of the 20th century for measuring ionizing radiation and still represent the "gold standard" in dosimetry. However, since the sensitivity of the devices is proportional to the detection volume, ionization chambers are not common in numerous medical applications, such as imaging. In these fields, spatially resolved dose information is, beside film-systems, usually measured with scintillators and photo-multipliers, which is a relatively complex and expensive technique. For thus much effort has been focused on the development of novel detection systems in the last decades and especially in the last few years. Examples include germanium or silicon photoconductive detectors, MOSFETs, and PIN-diodes. Although for these systems, miniaturization for spatially resolved detection is possible, they suffer from a range of disadvantages. Characteristics such as poor measurement stability, material degradation, and/or a limited measurement range prevent routine application of these techniques in medical diagnostic devices. This work presents the development and evaluation of gallium nitride (GaN) thin films and heterostructures to validate their application in x-ray detection in the medical regime. Furthermore, the impact of particle radiation on device response was investigated. Although previous publications revealed relatively low energy absorption of GaN, it is possible to achieve very high signal amplification factors inside the material due to an appropriate sensor configuration, which, in turn, compensates the low energy absorption. Thus, gallium nitride can be used as a photo-conductor with ohmic contacts. The conductive volume of the sensor changes in the presence of external radiation, which results in an amplified measurement signal after applying a bias voltage to the device. Experiments revealed a sensitivity of the device between air kerma rates of 1 µGy/s and 20 mGy/s. In this range, the measured signals can be calibrated against the corresponding dose rate. The sensors were tested in an x-ray energy regime of 10 – 200 keV. Although the active sensor volume of the GaN devices is about 10^5 times smaller than ionization chambers, it was possible to produce partially comparable measurement results. By utilizing a two-dimensional electron gas, which is produced inside an AlGaN/GaN heterostructure, a further increase of the amplification factors of the devices was achievable. Therefore, measurement of photon intensities in the range of > 10^3 photons/s is possible. Since these structures are also used for the measurement of physiological parameters like the pH value, combined measurements of surface potentials and x-ray dosimetry were investigated. It could be shown that not only a measurement of physiological parameters during an irradiation is possible but also combined simultaneous measurements of radiation and the surface pH, while keeping a sensitivity of 57 mV/pH. Therefore the GaN sensors could be used as biosensing tools in radiation biophysics, in addition to their application as pure dosimeters. Biocompatibility and biofunctionality evaluations of gallium nitride show that no alterations of cellular systems in direct contact with the material are measureable. In summary, this work demonstrates a novel system for radiation detection based on gallium nitride, which possesses characteristics that could overcome difficulties of other technologies, such as these mentioned above. Furthermore, by utilizing a heterostructure, the devices could be used as biosensors, which work during external radiation exposure and allow multi-parameter measurements. Ionisationskammern zur Messung ionisierender Strahlung werden bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts verwendet und stellen immer noch den "Gold-Standard" in der Dosimetrie dar. Da die Empfindlichkeit allerding proportional zum Detektionsvolumen ist, finden Ionisationskammern nahezu keine Anwendung in der medizinischen Bildgebung. Dort werden ortsaufgelöste Dosisinformationen, neben Filmsystemen, in der Regel mit Szintillationskristallen und Photomultipliern erfasst, was aber wiederum ein recht aufwendiges und komplexes Verfahren darstellt. Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren viel Aufwand in die Erforschung neuartiger Detektionssysteme gesteckt. Beispiele hierfür wären Germanium- oder Silizium-Halbleiterdetektoren, MOSFET-Detektoren oder PIN-Dioden. Obwohl diese Techniken eine Miniaturisierung und somit eine ortsaufgelöste Detektion ermöglichen, verhindern Nachteile wie beispielsweise eine begrenzte Messstabilität, Materialdegradation oder ein eingeschränkter Messbereich einen routinemäßig verbreiteten Einsatz. In dieser Arbeit werden dünne Galliumnitrid (GaN) Schichten sowie Heterostrukturen basierend auf Galliumnitrid bezüglich der Detektion von Röntgenstrahlung im medizinisch relevanten Bereich untersucht. Weiterhin werden der Einfluss von Partikelstrahlung und die daraus resultierenden Effekte erforscht. Obwohl frühere Publikationen bereits zeigten, dass die Energieabsorption von Röntgenstrahlung in Galliumnitrid relativ gering ist, ist es möglich, durch eine geeignete Sensorkonfiguration sehr hohe Verstärkungsfaktoren im Material zu verwirklichen und somit die geringe Absorption zu kompensieren. Dabei wird das Galliumnitrid als Photoleiter mit ohmschen Kontakten eingesetzt. Unter Röntgenstrahlung ändert sich das leitfähige Volumen des Detektorelements, was durch Anlegen einer Vorspannung zu einem verstärkten Messsignal führt. Experimente haben gezeigt, dass sich in einem Dosisratenbereich zwischen 1 µGy/s und 20 mGy/s eine deutliche Änderung des Messsignals ergibt, das wiederum mit der Dosisrate abgeglichen werden kann. Dabei wurden die Sensoren in einem Energiebereich von 10 – 200 keV getestet. Obwohl das Messvolumen der GaN-Sensoren etwa um den Faktor 10^5 kleiner ist als das von Ionisationskammern, konnten teilweise vergleichbare Messergebnisse erzielt werden. Durch das Ausnutzen eines zweidimensionalen Elektronengases einer AlGaN/GaN Heterostruktur, konnten noch höhere Verstärkungsfaktoren der Sensoren erzielt werden, was eine Messung von Photonenflüssen im Bereich von > 10^3 Teilchen/s ermöglicht. Da diese Heterostrukturen auch für Messungen physiologischer Parameter wie beispielsweise den pH-Wert eingesetzt werden, wurde weiterhin die Kombination von Oberflächenpotentialmessungen mit der Röntgendosimetrie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Messung von physiologischen Größen während Bestrahlungsexperimenten möglich ist, sondern sogar kombinierte Messungen von pH und Strahlung realisierbar sind, wobei die Oberflächensensitivität von 57 mV/pH erhalten bleibt. Untersuchungen bezüglich der Biokompatibilität und Biofunktionalität von Galliumnitrid haben gezeigt, dass keine messbaren Veränderungen in zellulären Systemen auftreten, die durch das Material verursacht werden. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Detektoren basierend auf Galliumnitrid ein neuartiges System zur Strahlendetektion darstellt, das Eigenschaften besitzt, womit eventuell Probleme bisheriger Technologien überwunden werden können. Weiterhin lassen sich mit einer GaN-Heterostruktur Biosensoren verwirklichen, die unter Röntgenstrahlung arbeiten und Messungen mehrerer Parameter ermöglichen.

The average public exposure to ionising radiation in Germany is about 4.1mSv per year. About half of it, 2mSv, is generated by natural background radiation, the other part is man-made. Medical applications are making the major contribution to this artificial generated radiation. Here, the local radiation doses range from about 1mSv in the dental field up to 30mSv for a cranial computer tomography. Up to now, the effects of low doses of ionising radiation smaller than 100mSv on the organism or single cells are unknown. Thus, it is of common interest to determine the particular biological effect of radiation exposure in this regime for risk prognosis. The existing concept of a linear dose-effect relation, which is valid for medium to high doses, does not hold for the low dose regime. With so far used retrospective analysis no distinct results could be gained for the dose-effect relation since especially there, effects like adaptive response, cell abnormality, bystander effects and genomic instability influence the dose-effect relation. As most of the effects occur on the cellular level a sensor, which is capable for timeresolved measurements, based on the organic polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT), was developed. It was shown that the sensors meet the special demands for the application in radiation biophysics, like biocompatibility, stable performance in tissue culture medium, stability under ionising irradiation as well as sensitivity to pH and changes in the concentrations of ions. In this work, organic materials were chosen for device fabrication due to their known advantages over inorganic materials. The sensors were extensively characterised in terms of the above-mentioned demands. Furthermore, the sensor performance was evaluated with respect to the polymeric thin-film morphology. The biocompatibility of the used organic materials could be proved in this work. It was found that cells grow very well on the chemically or physically functionalised organic surfaces and that the transistor material itself does not influence the living cells in any way. With the usage of different polymer and solvent compositions for device fabrication it was possible to create tuneable sensors concerning stability and sensitivity. The compositions of P3HT dissolved in dichlorobenzene (DCB) and the blend of P3HT and phenyl-C61-butric acid methyl ester (PCBM) with ratio 3:1 dissolved in DCB could be operated for at least 6hrs in tissue culture medium. The composition P3HT in chloroform (CHCl3) in contrast was only stable under very restricted conditions. During irradiation all device configurations showed repeatable behaviour; no damage by ionising radiation in the range up to 2Gy was observed. Depending on the transistor configuration the sensors showed high sensitivity to pH and ion concentration changes but also aging effects. All transistors worked properly in the pH range from pH 4 to pH 10. Though, the blend made from P3HT:PCBM exhibited non-reproducible behaviour, probably caused by aging effects. Devices made from P3HT in CHCl3 and P3HT in DCB showed sensitivity to all tested ions in a concentration range from 10-3M to 10-5M. With the sensors made from P3HT in DCB changes in the calcium concentration in the range of cellular communication processes, which means down to 2.5•10-7M, could be detected. The device made of 1wt% P3HT in DCB suits best for the desired application, since it fulfils all needed requirements. Furthermore, based on the presented results, a sensing model was proposed. It is assumed that diffusion of the ions into to polymer film or adsorption on to the surface creates the measured signal depending on the ion in the solution. As a further step towards a biosensor, an optical approach for the detection of calcium fluxes inside the cell was developed. An increase in the fluorescence of non-irradiated cells was visible after the addition of medium of irradiated cells. The combination of optical and electrical measurements might help to decode the measured cell signals during an irradiation experiment. In a last step, the possibility to run the devices with cells adherently grown on the sensor surface was proved and the effect of the cells on the sensors was determined. Die durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung in Deutschland durch ionisierende Strahlung liegt bei rund 4.1mSv pro Jahr. Ungefähr die Hälfte, 2mSv, ist bedingt durch natürliche Hintergrundstrahlung, der restliche Anteil stammt von künstlichen Quellen. Der Hauptanteil der künstlichen Strahlenbelastung ist bedingt durch medizinische Anwendungen. Die lokale Strahlenbelastung reicht hier von ungefähr 1mSv im zahnmedizinischen Bereich bis hin zu Dosen von 30mSv bei einer Schädel-Computertomographie. Bis jetzt sind die Effekte geringer Dosen ionisierender Strahlung, kleiner 100mSv, auf den Organismus unbekannt. Aus diesem Grund ist es von allgemeinem Interesse, vor allem die biologischen Effekte durch geringe Dosen in diesem Dosisbereich zu bestimmen, um Risikovorhersagen treffen zu können. Das existierende Konzept eines linearen Dosis-Wirkungs-Verlaufs, welcher für mittlere bis hohe Dosen gültig ist, trifft für den geringen Dosisbereich nicht zu. Mit bisher verwendeten retrospektiven Analysen konnten keine eindeutigen Ergebnisse für den Dosis-Wirkungs-Verlauf erzielt werden, denn gerade in diesem Bereich beeinflussen Effekte wie die adaptive Zellantwort, Zellanomalien, "Bystander Effekte" und genomische Instabilität den Dosis-Wirkungs-Verlauf. Da die meisten Effekte auf der zellulären Ebene auftreten, wurde ein Sensor für zeitaufgelöste Messungen, basierend auf dem organischen Polymer poly(3-Hexylthiophen) (P3HT), entwickelt. Es wurde gezeigt, dass die Sensoren den speziellen Anforderungen für den Einsatz im Bereich der Strahlenbiophysik, wie Biokompatibilität, Stabilität im Zellkulturmedium und unter ionisierender Strahlung, sowie pH- und Ionen-Sensitivität genügen. In dieser Arbeit wurden organische Materialen wegen ihrer verschiedenen Vorteile gegenüber anorganischen Materialen zur Herstellung der Bauteile verwendet. Die Sensoren wurden hinsichtlich der oben genannten Anforderungen ausgiebig charakterisiert. Des Weiteren wurde das Sensor-Verhalten bezüglich der Dünnflim-Morphologie der Polymerschicht untersucht. In dieser Arbeit konnte die Biokompatibilität der verwendeten organischen Materialien bewiesen werden. Es wurde gezeigt, dass die Zellen sehr gut auf den chemisch oder physikalisch funktionalisierten organischen Oberflächen anwachsen und dass das Transistormaterial selbst die lebenden Zellen in keiner Weise beeinflusst. Durch die Verwendung verschiedener Polymer- und Lösungsmittel-Kombinationen zur Transistorherstellung war es möglich, die Sensoren in Bezug auf Stabilität und Sensitivität anzupassen. Die Kombination aus P3HT gelöst in Dichlorbenzol (DCB) sowie ein Gemisch aus P3HT und Phenyl-C61-Butylsäure Methylester (PCBM) im Verhältnis 3:1 gelöst in DCB konnte mindestens 6 Stunden im Zellkulturmedium betrieben werden, wohingegen die Kombination P3HT in Chloroform (CHCl3) nur unter sehr bestimmten Bedingungen stabil war. Während einer Bestrahlung mit bis zu 2Gray zeigten alle Kombinationen reproduzierbares Verhalten und wurden nicht durch die ionisierende Strahlung zerstört. In Abhängigkeit des Transistoraufbaus zeigten die Sensoren hohe pH- und Ionen-Sensitivitäten, aber auch Alterungseffekte. Alle Transistoren konnten in einem pH-Bereich von pH 4 bis pH 10 betrieben werden. Die Mischung aus P3HT:PCBM zeigte kein reproduzierbares Verhalten, wahrscheinlich bedingt durch Alterung. Sensoren, welche aus P3HT in CHCl3 oder P3HT in DCB hergestellt wurden, wiesen eine gute Sensitivität auf alle getesteten Ionen, in einem Bereich von 10-3M bis 10-5M, auf. Mit den Sensoren basierend auf P3HT in DCB konnten Kalzium-Konzentrationsänderungen im Bereich von zellulären Kommunikationsprozessen, also bis zu 2.5•10-7M, detektiert werden. Der Aufbau basierend auf 1% P3HT in DCB eignet sich am besten für die gewünschte Anwendung, da er alle benötigten Anforderungen erfüllt. Des Weiteren wurde anhand der präsentierten Ergebnisse ein Messprinzip vorgeschlagen. Es wird angenommen, dass das gemessene Signal durch die Ionen auf zwei Arten erzeugt wird: Diffusion in das Polymer oder Anlagerung auf dessen Oberfläche, abhängig vom jeweiligen Ion in der Lösung. Ein weiterer Schritt in Richtung eines Biosensors wurde durch die Entwicklung einer in situ Vorgehensweise zur optischen Detektion des Kalzium-Ionenstroms innerhalb der Zelle gemacht. Eine Zunahme der Fluoreszenz von unbestrahlten Zellen konnte nach Zugabe von Medium bestrahlter Zellen beobachtet werden. Die Kombination optischer und der elektrischer Messungen könnte dazu beitragen, während eines Bestrahlungsexperiments gemessene Signale zu entschlüsseln. In einem letzten Schritt wurde gezeigt, dass es möglich ist, die Sensoren mit den angewachsenen Zellen zu betreiben. Der dabei auftretende Effekt der Zellen auf den Sensor wurde bestimmt.

Ill., graph. Darst.