Die besten Freunde der Radiologen

  • 04. January 2018

Ultradünne Diamantmembranen detektieren niederenergetische Protonen.

Je nach Dosis und Ziel kann Bestrahlung zu einer unglaublichen Schädigung gesunder Zellen führen oder zur Behandlung von Krebs und anderen Krankheiten eingesetzt werden. Um zu verstehen, wie Zellen auf unterschiedliche Strahlendosen reagieren, müssen Wissenschaftler präzise Energiemengen auf bestimmte Bereiche der Zelle lenken. Die Messung der Dosierung kann jedoch schwierig sein, insbesondere bei der Arbeit mit niederenergetischen Protonen.

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Abb.: Die ultradünne Diamantmembran detektiert einzelne Protonen beim Durchgang und ermöglicht es den Forschern, mikroskopisch kleine Bereiche (hier hellgrün leuchtend) in lebenden Zellen für radiobiologische Experimente zu bestrahlen. (Bild: Philippe Barberet)

Forscher der Université de Bordeaux, dem Centre National de la Recherche Scientifique und dem CEA-LIST entwickleten gemeinsam eine ultradünne Diamantmembran, die die Anzahl der Protonen in einer Strahlendosis mit nahezu perfekter Genauigkeit messen kann.

Der Detektor wird in einen Mikrostrahl geladener Teilchen gehalten und ermöglicht die Abgabe von Strahlung in einem Bereich von weniger als zwei Mikrometer Breite. Die Studie, die Mitte Dezember in Applied Physics Letters veröffentlicht wurde, stellt einen wertvollen techno­logischen Fortschritt für die Strahlenbiologie dar. Bisherige Experimente hatten bereits gezeigt, dass Diamantmembranen Protonen detektieren und quantifizieren können, aber bis zur aktuellen Studie hatte niemand die Technologie für biologische Untersuchungen entwickelt.

„Das Gerät ist vollständig kompatibel mit lebenden Zellen in ihrer flüssigen Umgebung“, sagt Philippe Barberet, Biophysiker an der Université de Bordeaux. „Es erlaubt uns, verschiedene Arten von Zellen und Organismen mit einzelnen Protonen zu bestrahlen, was mit Niedrig­energie­beschleu­nigern nicht so einfach ist.“

Der ultradünne Diamantsensor wurde von Michal Pomorski (CEA-LIST) entwickelt, indem er einen kommerziell erhältlichen, einkristallinen Diamanten auf eine Dicke von etwa 1 Mikrometer auftrennte und dann mit Plasma ätzte. Die Wissenschaftler beschichteten beide Seiten des Detektors mit transparenten und elektrisch leitfähigen Elektroden, um das elektrische Signal des durch die Menbran wandernden Protonenstrahls zu sammeln. Dieses mikroskopie­kompatible Design gewährleistet einen guten Kontakt zwischen Detektor und biologischer Probe und zählt Protonen mit einer Genauigkeit von mehr als 98 Prozent.

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Abb.: a) Skizze des Messprinzips: Die Masseelektrode befindet sich auf der Probenseite, das Signal wird auf der Vakuumseite der Membran abgegriffen. b) Skizze des Schaltkreises: Die Membran (transparent blau) wird auf vier miteinander verbundene Kontakte (4 grüne Stäbe) geklebt und auf die innere Schicht (rot) aufgesetzt. Der Protonenstrahl durchdringt ein Loch in der Mitte der vier Kontakte. Die äußeren Schichten sind geerdet, um die Signalelektrode gegen äußere Einflüsse abzuschirmen. (Bild: Barberet et al., Appl. Phys. Lett. 111, 243701 (2017))

Um die Effektivität der Diamantmembranen bei der Bestrahlung lebender Zellen zu testen, benutzte die Gruppe eine Zelllinie, die entwickelt wurde, um ein DNA-Reparaturprotein namens XRCC1 zu exprimieren, das mit grün fluoreszierendem Protein (GFP) markiert ist. Wenn in diesen Zellen DNA-Schäden auftreten, leuchtet das GFP am Ort der Reparatur auf.

„XRCC1 ist an DNA-Reparaturpfaden beteiligt und es ist eines der ersten rekrutierten Proteine", sagt Barberet. „Sie bestrahlen und sehen sofort einen Effekt.“ Die Wissenschaftler lieferten 100 Protonen im Abstand von 5 Mikrometern zu den Zellen. Das resultierende Muster der grünen Bestrahlungspunkte bestätigte, dass der Strahl in Kreisen mit einem Durchmesser von weniger als 2 zwei Mikrometern Schaden anrichtete.

Die Diamantmembranen könnten zu einem wertvollen Werkzeug werden, um die Präzision in der strahlenbiologischen Forschung zu erhöhen. Die Forscher stellen jedoch fest, dass ihr Nutzen auf Gruppen beschränkt ist, die Zugang zu Protonenstrahlen von Teilchenbeschleunigern haben.

CENBG / LK

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