75 research outputs found
Measuring monopole and dipole polarizability of acoustic meta-atoms
We present a method to extract monopole and dipole polarizability from
experimental measurements of two-dimensional acoustic meta-atoms. In contrast
to extraction from numerical results, this enables all second-order effects and
uncertainties in material properties to be accounted for. We apply the
technique to 3D-printed labyrinthine meta-atoms of a variety of geometries. We
show that the polarizability of structures with shorter acoustic path length
agrees well with numerical results. However, those with longer path lengths
suffer strong additional damping, which we attribute to the strong viscous and
thermal losses in narrow channels
Impact of Additional Antenna Groundplanes on RTK-GNSS Positioning Accuracy of UAVs
Precise position information is important for terrestrial and airborne surveying systems, such as unmanned aerial vehicles (UAVs). Those systems often rely on real-time kinematic (RTK) global navigation satellite systems (GNSSs) for position determination, where the GNSS antenna mounting environment impacts the GNSS position accuracy to a great extent. This paper investigates the impact of different supplementary groundplane shapes, sizes, and materials on multi-band patch and helical GNSS antennas at both, the UAV rover and RTK base station with respect to the achievable position accuracy. The groundplanes consist of solid aluminum sheets or copper plated printed circuit boards (PCBs) and are mounted directly underneath the GNSS antennas. Appropriate supplementary groundplanes are found to significantly improve the GNSS position accuracy in the majority of test cases.</p
Measuring monopole and dipole polarizability of acoustic meta-atoms
© 2018 Author(s). We present a method to extract monopole and dipole polarizability from experimental measurements of two-dimensional acoustic meta-atoms. In contrast to extraction from numerical results, this enables all second-order effects and uncertainties in material properties to be accounted for. We apply the technique to 3D-printed labyrinthine meta-atoms of a variety of geometries. We show that the polarizability of structures with a shorter acoustic path length agrees well with numerical results. However, those with longer path lengths suffer strong additional damping, which we attribute to the strong viscous and thermal losses in narrow channels
Water quality and its interlinkages with the Sustainable Development Goals
Interlinkages among the Sustainable Development Goals (SDGs) lead to important trade-offs and synergies among the goals and their underlying targets. The aim of this paper is to review the role of water quality as an agent of interlinkages among the SDGs. It was found that there are a small number of explicit interconnections, but many more inferred interlinkages between water quality and various targets. A review of case studies showed that interlinkages operate from the municipal to near global scales, that their importance is likely to increase in developing countries, and that new SDG indicators are needed to monitor them. The analysis identifies many different SDG target areas where a combined effort between the water quality community and other sectors would bring mutual benefits in achieving the water quality and other targets
Legislative Documents
Also, variously referred to as: Senate bills; Senate documents; Senate legislative documents; legislative documents; and General Court documents
Investigations on the influence of the climate on growth of the main tree species in Germany
Seit dem 20. Jahrhundert verÀndert sich das globale Klima in einer bislang nicht gekannten
Geschwindigkeit. FĂŒr Mitteleuropa bedeutet dieser Wandel eine stetige Zunahme der
mittleren Jahrestemperaturen, verÀnderte NiederschlagsverhÀltnisse sowie eine
zunehmende Frequenz und Intensivierung von Witterungsextremen wie Hitzewellen und
DĂŒrreperioden. Dadurch verschieben sich auch die ökologischen Rahmenbedingungen fĂŒr
unsere WĂ€lder. Vielerorts sind die Reaktionen auf den Klimawandel bereits erkennbar. Sie
reichen von regionalen ProduktionsrĂŒckgĂ€ngen und VitalitĂ€tsverlusten ĂŒber
Verschiebungen in der Artenzusammensetzung bis hin zum groĂflĂ€chigen Absterben von
BĂ€umen.
Um die ökologischen, wirtschaftlichen und soziokulturellen Funktionen der WÀlder zu
erhalten und Lösungen fĂŒr einen an die VerĂ€nderungen angepassten Waldumbau zu
finden, ist es erforderlich die Prozesse des Klimawandels in den WĂ€ldern zu verstehen. In
den vergangenen Jahren haben zahlreiche Studien dieses PhÀnomen mit
unterschiedlichen AnsÀtzen untersucht. HÀufig beziehen sich diese Studien auf lokale
Gebiete oder berĂŒcksichtigen aufgrund des hohen Aufwands nur wenige BĂ€ume. Die drei
Bundeswaldinventuren von 1986-1989 (BWI1), 2001-2002 (BWI2) und 2011-2012 (BWI3)
liefern einen umfassenden Datensatz fĂŒr das gesamte Bundesgebiet ĂŒber einen Zeitraum
von ĂŒber 25 Jahren. Bislang wurden diese Daten zur Analyse von klimabedingten
Wachstumsuntersuchungen jedoch noch wenig genutzt.
Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob Waldinventurdaten ein geeignetes Medium
darstellen, um klimabedingte Zuwachsreaktionen fĂŒr die Hauptwirtschafts-baumarten
Gemeine Fichte (Picea abies, (L.) H.Karst.), Rot-Buche (Fagus sylvatica, L.), Wald-Kiefer
(Pinus sylvestris, L.), Trauben-Eiche (Quercus petraea, L.), Stiel-Eiche (Quercus robur, L.)
und WeiĂ-Tanne (Abies alba, Mill.) abzuleiten, anhand derer praktikable Aussagen
bezĂŒglich ihres Anbaurisikos und der Zukunftssicherheit getroffen werden können. FĂŒr die
Zuwachsanalysen diente der jĂ€hrliche Durchmesserzuwachs als Proxy fĂŒr die Beurteilung
der KlimasensitivitÀt. Die Berechnungen erfolgten auf Basis der Erhebungen der drei
Bundeswaldinventuren fĂŒr jeweils zwei Zuwachsperioden (P1: 1986-2001, P2: 2003-
2011). Das Untersuchungsgebiet bezog sich auf die alten BundeslĂ€nder in Deutschland, da zum Zeitpunkt der BWI1 keine Inventurdaten fĂŒr die Neuen BundeslĂ€nder vorlagen.
Als Klimafaktoren wurden Mitteltemperatur (°C), Niederschlagssumme (mm) und de
Martonne Index (dMI) fĂŒr die forstliche Vegetationsperiode (IV-IX) verwendet. Auf
Grundlage des de Martonne Index wurde ein weiterer Klimaindex, die relative HĂ€ufigkeit
von Trockenmonaten (rHTM) abgeleitet. Dieser Klimaindex berĂŒcksichtigt zusĂ€tzlich
saisonale Klimaaspekte. Der Index basiert auf der Anzahl der Trockenmonate (dMI <20)
wÀhrend der drei Untersuchungsperioden.
Der Ansatz verfolgte eine allgemeine Analyse der klimabedingten Zuwachsreaktion sowie
eine rÀumliche Betrachtung dieser Beziehung. Neben den oben genannten Klimavariablen
wurden weitere standörtliche und strukturelle Faktoren wie Hangneigung, nutzbare
FeldkapazitÀt des effektiven Wurzelraumes und Baumalter in die Untersuchungen
einbezogen.
Die KlimaverĂ€nderungen der beiden Zuwachsperioden bezogen sich auf einen fĂŒnfzehn
jÀhrigen Referenzzeitraum vor der ersten Waldinventur (P0 1971-1985). Auf den Trakten
aller sechs Hautbaumarten war eine Zunahme der Temperatur von 0.6 °C pro
Zuwachsperiode im Vergleich zur Periode vor den Inventuren (1971 bis 1985) zu
beobachten. Die VerÀnderung betraf nahezu das komplette Untersuchungsgebiet. Der
Niederschlag nahm ĂŒber den Untersuchungszeitraum nur geringfĂŒgig zu. Allerdings war
die Niederschlagsverteilung in den Perioden sehr heterogen. Auch der de Martonne Index
verĂ€nderte sich auf den meisten Standorten nur wenig. Der fĂŒr trockenheitssensitive
Arten kritische Wert von 25 wurde nur an drei Standorten unterschritten. Die relative
HĂ€ufigkeit von Trockenmonaten hatte eine gröĂere Dynamik als die vorhergehenden
Klimafaktoren. Von P0 zu P1 wurde es fĂŒr die meisten BĂ€ume zunĂ€chst feuchter und von
P1 zu P2 nahm die HĂ€ufigkeit der Trockenmonate wieder zu. Auch die HĂ€ufigkeit trockener
Monate zeigte eine rÀumlich heterogene Verteilung.
Der Vergleich der DurchmesserzuwÀchse beider Zuwachsperioden (P1 und P2) ergab,
dass bei allen Baumarten, auĂer bei Trauben-Eiche, der Durchmesserzuwachs in P1 höher
war als in P2.
Bei der Analyse der Beziehung von Klima und Durchmesserzuwachs konnten fĂŒr die sechs
Hauptbaumarten artspezifische Zuwachsmuster gefunden werden. Die ZuwachsKlimahĂŒllen fĂŒr Niederschlag und Temperatur zeigten fĂŒr Gemeine Fichte und WeiĂ-
Tanne unterschiedliche Zuwachsmuster in beiden Zuwachsperioden, wĂ€hrend die ĂŒbrigen vier Hauptbaumarten in beiden Perioden ein Ă€hnliches Zuwachsmuster aufwiesen. RotBuche und Trauben-Eiche hatten ihr Zuwachsoptimum bei mittleren NiederschlĂ€gen
zwischen 400 und 600 mm in der Vegetationsperiode und oberhalb von 14.5 °C. WaldKiefer und Stiel-Eiche zeigten auch bei NiederschlÀgen unterhalb von 400 mm hohe
ZuwÀchse. Bei Gemeiner Fichte war kein spezifischer Zuwachstrend erkennbar. Bei der
WeiĂtanne fĂŒhrten Temperaturen oberhalb von 15 °C zu reduziertem Zuwachs.
Dieser Trend wurde durch den Vergleich der ZuwĂ€chse von fĂŒnf AriditĂ€tsklassen (sehr
seltene, seltene, mittlere, hÀufige und sehr hÀufige relative HÀufigkeit von
Trockenmonaten (rHTM)) bestÀtigt. In 8 von 12 FÀllen fiel der durchschnittliche Zuwachs
in den Kategorien hÀufige und sehr hÀufige Anzahl von Trockenmonaten höher aus als der
durchschnittliche Zuwachs. Der Zuwachs in den Kategorien geringe und sehr geringe
Trockenmonate war in den meisten FÀllen unterdurchschnittlich. Dies lÀsst sich dadurch
begrĂŒnden, dass diese AriditĂ€tsklassen meist in den höheren Gebirgslagen auftraten, wo
Strahlung und Temperatur geringer sind als in Tieflagen.
Um rĂ€umliche Aspekte der Klima-Zuwachsbeziehungen zu berĂŒcksichtigen, wurden
mittels rÀumlicher Clusteranalysen Gebiete mit Àhnlichen Zuwachsverhalten lokalisiert
und hinsichtlich ihrer klimatischen EinflĂŒsse untersucht.
Die rĂ€umliche Clusteranalyse ergab fĂŒr ĂŒber 50% der EinzelbĂ€ume keine Clusterung in
Bezug auf den Zuwachs. Das heiĂt, dass in den meisten Regionen die ZuwĂ€chse der
EinzelbÀume sehr stark variierten und kein rÀumliches Muster abgeleitet werden konnte.
FĂŒr die andere HĂ€lfte der Individuen lag eine rĂ€umliche Clusterung hoher und niedriger
ZuwÀchse zu etwa gleichen Anteilen vor. Die Cluster mit hohen ZuwÀchsen (HighCluster)
waren vor allem in Gebieten mit feucht warmen Klima zu finden. WÀhrend die ZuwÀchse
in feucht kĂŒhlen Hochlagen oft geringer ausfielen (LowCluster). Bei Gemeiner Fichte, RotBuche und WeiĂ-Tanne konnte regional eine Zuwachsreduktion bei zunehmenden
Temperaturen und Trockenheit beobachtet werden, wÀhrend bei Wald-Kiefer und beiden
Eichenarten geringe klimabedingte VerÀnderungen auftraten.
Neben klimatischen Faktoren spielt auch das Wasserspeichervermögen des Bodens eine
wichtige Rolle fĂŒr das Wachstum. Bei hĂ€ufiger Trockenheit (rHTM>40%) reagierten
Gemeine Fichte, Rot-Buche, Trauben-Eiche und WeiĂ-Tanne auf Standorten mit sehr
geringer nutzbarer FeldkapazitÀt des effektiven Wurzelraumes (<50 mm) mit vermindertem Zuwachs im Vergleich zu Böden mit besser WasserspeicherkapazitÀt. WaldKiefer und Stiel-Eiche zeigten auf Böden geringer FeldkapazitÀt höheres Wachstum. Bei
mittlerer Trockenheit (30 %> rHTM <40 %) hatte die nutzbare FeldkapazitÀt des effektiven
Wurzelraumes keinen Einfluss auf ihren Zuwachs.
Anhand von multifaktoriellen Analysen wurden weitere ökologische und standörtliche
Faktoren identifiziert, wodurch die Bedeutung des Klimas fĂŒr den Zuwachs besser
eingeschĂ€tzt werden konnte. HierfĂŒr wurden geographisch gewichtete Regressionen
verwendet, die zusÀtzlich zu den Eingangsfaktoren auch rÀumliche Aspekte
berĂŒcksichtigten.
Die geographisch gewichteten Regressionen zeigten, dass insbesondere die Faktoren
Alter, Ausgangs-BHD und BestandesgrundflÀche (Konkurrenz) den Zuwachs beeinflussten.
Von den Klimavariablen hatte die Temperatur den gröĂten Anteil als erklĂ€rende Variable.
Sie war bei 54% der Modelle von Relevanz. Danach folgte Niederschlag mit 38%. Die
relative HÀufigkeit von Trockenmonaten kam in 23% der Modelle als erklÀrende Variable
vor.
Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu berĂŒcksichtigen, dass zwar baumartenspezifische
Muster gefunden wurden, die auf klimabedingte Zuwachsreaktionen hindeuten, hÀufig
kein statistischer Zusammenhang fĂŒr die Klima-Zuwachsbeziehung gefunden wurde. Eine
der Ursachen fĂŒr die geringe PrognosegĂŒte ist auch dadurch zu begrĂŒnden, dass der
Durchmesserzuwachs aus zwei Durchmesserwerten berechnet wurde, die in einen
mehrjÀhrigen Abstand von 11 bis 15 Jahren gemessen wurden. Zuwachsreaktionen der
BĂ€ume in Jahren mit extremen Witterungsbedingungen konnten dadurch nicht abgebildet
werden, obwohl sich gerade auch in der jĂŒngsten Vergangenheit gezeigt hat, dass extreme
Situationen den Zuwachs und die VitalitÀt direkter und intensiver beeinflussen können als
stetige VerÀnderungen. Somit sind die Zuwachsdaten der Waldinventuren aufgrund der
langen Zeitintervalle nur bedingt geeignet, um klimabedingte Zuwachsreaktionen
abzuleiten.
Die Ergebnisse der multifaktoriellen Analysen deuten darauf hin, dass die
BerĂŒcksichtigung weiterer Faktoren wie zum Beispiel Konkurrenz zu einer Verbesserung
der Prognosen fĂŒhren kann.Since the 20th century, the global climate is changing at an unprecedented rate. For
Central Europe, this change means an increase in average annual temperatures, changing
precipitation conditions and an increase of weather extremes like heat waves and
droughts. Climate change also alters the ecological site-conditions of forests. In many
areas, effects of climate change are already recognizable. They range from regional
declines in productivity and loss of vitality to shifts in species composition and large-scale
tree mortality.
In order to preserve the ecological, socio-cultural and economic functions of forests it is
necessary to understand the processes of climate change. In recent years, numerous
studies have investigated this phenomenon with different approaches. Often, these
studies are conducted on smaller regional scale, due to the high costs, or only considered
a limited number of trees. The three German national forest inventories contain a
comprehensive dataset for the entire federal territory and for a period of more than 25
years. So far, however, these data have still been rarely used to analyze climate-induced
growth.
The aim of this work was to find out to what extent forest inventory data are suitable to
describe climate-related growth reactions for the main economic tree species Norway
spruce (Picea abies, (L.) H. Karst.), European beech (Fagus sylvatica, L.), Scots pine (Pinus
sylvestris, L.), sessile oak (Quercus petraea, L.), pedunculate oak (Quercus robur, L.) and
silver fir (Abies alba, Mill.).
The annual diameter increment served as proxy for the assessment of climate sensitivity.
The analysis was based on the data of the three German National Forest Inventories
(BWI1: 1986-1989, BWI2: 2001-2002, BWI3: 2011-2012) for two incremental periods each
(P1: 1986-2002, P2: 2003-2011). The analysis was restricted to the old federal states of
Germany, since no data was collected in the new federal stats during the first inventory1.
Mean temperature (°C), precipitation sum (mm) and the de Martonne index (dMI) for the
forest vegetation period (IV-IX) were used as the descriptive climate variables. Another
climate index, the the relative frequency of dry months (rHTM), was derived On the basis
of the de Martonne index. This index took seasonal climatic aspects into account. It was
based on the number of dry months (dMI <20) during the three study periods.
The approach followed a general analysis of climate-induced growth reaction as including
spatial analysis of this relationship. In addition to the climate, other site-specific and
ecological factors were included in the analysis.
The climatic changes of the two growth periods were related to a 15-year period before
the first forest inventory (P0 1971-1985). For all six tree species, an increase in
temperature of 0.6 °C per incremental period (P1 and P2) was observed compared to the
pre-inventory period (1971 to 1985). Almost the entire study area was affected by this
change in temperature. The precipitation slightly increased over the investigation period.
However, the distribution of precipitation in the growing season was very heterogeneous.
Also, the de Martonne index changed only slightly in most locations. The values fell below
the threshold of 25, considered to be critical for drought-sensitive species, at three sites.
The relative frequency of dry months had greater dynamics than the previous climatic
factors. From P0 to P1 it became moister for most trees and from P1 to P2 the frequency
of the dry months increased again. The frequency of dry months also showed a spatially
heterogeneous distribution.
The analysis of climatic growth relationships revealed species-specific growth patterns for
the six main tree species. The climatic envelopes for precipitation and temperature
showed different growth patterns for Norway spruce and Silver fir in the two incremental
periods, while the other four tree species showed a similar growth pattern in both periods.
European beech and sessile oak had their growth optimum on sites with an average
precipitation sum between 400 and 600 mm and mean temperatures above 14.5°C during
the growing season. Scots pine and pedunculate oak had high diameter increments even
at precipitation sums below 400 mm. No specific trend could be found for spruce. For the
silver fir, temperatures above 15°C resulted in reduced growth. These trends were
confirmed by comparing the increases of five aridity classes (very rare, rare, medium,
frequent and very frequent number of dry months (rHTM) with average increment of each
tree species. In 8 of 12 cases, the average increment in the categories frequent and very
frequent number of dry months was higher than the average increase. However, the
increase in very frequent drought was lower than in frequent drought. The increase in the
categories low and very low dry months was below average in most cases, which was due
to the fact that these arid classes mostly occurred in the higher mountain ranges where
radiation and temperature are lower than in low altitudes.
In order to consider spatial aspects of the climatic growth relationships, areas with similar
growth behavior were localized by means of a spatial cluster analysis and examined with
regard to their climatic influences.
Spatial cluster analysis showed no clustering in terms of growth for over 50% of the single
trees. This means that in most regions, the growth of individual trees varies greatly, that
there was no spatial pattern. For the other half of the individuals, spatial clustering of high
and low growth was roughly equal. The high-growth clusters were found mainly in wet,warm conditions. While clusters with low increment occurred especially in mid and high
altitudes with more humid and cool conditions. For Norway spruce, European beech and
silver fir, increasing temperatures and drought led to a reduction in diameter increment
between the two growth periods. While Scots pine and both oak species showed little
growth response to climate changes.
In addition to climatic factors, the water storage capacity of soils is also important for tree
growth. With frequent aridity (rHTM> 40%), Norway spruce, European beech, sessile oak
and silver fir showed reduced growth response at sites with very low field capacity
compared to soils with better water storage capacity. Scots pine and pedunculate oak
showed higher diameter increment on these soils. At a medium frequency of drought
events (40% 30%), the field capacity in the effective root zone had no impact on
diameter increment.
Multifactorial analyzes identified additional environmental and site factors, which
improved the ability to assess the importance of the climate for diameter growth. For this
purpose, geographically weighted regressions were applied which, in addition to the input
factors, also take spatial aspects into account.
The geographically weighted regressions showed that especially the factors age, diameter
at breast height and basal area (competition) influence the diameter increment stronger
than climate. Regarding the climate variables, temperature was the most frequent
significant factor. It was relevant in 54% of the models, followed by precipitation with
38%. The relative frequency of dry months occurred as an explanatory variable in 23% of
the models.
In general, tree-specific patterns could be found in the models, but in most cases the
statistical significance was weak. One of the reasons for the low predictive strength is
probably related to the fact that the diameter increase was calculated from two diameter
values, which were several years apart (ranging from 11 to 15 years). From this data
growth reactions in years with extreme weather conditions cannot be derived. However,
recent studies have shown that extreme conditions might influence growth and vitality
more strongly than successive changes in the overall climate conditions.
Due to the long time intervals between the inventories, the data of forest inventories are
conditionally suitable to estimate climate-related growth reactions. The results of the
multifactorial analyzes indicate that the consideration of other ecological and structural
factors may lead to an improvement in the forecasts.2021-07-0
99mTc-HYNIC-DAPI-DNA-Bindungsnachweis und Nachweis von DNA-DoppelstrangbrĂŒchen durch 99mTc-HYNIC-DAPI mittels Agarose-Gelelektrophorese
Hintergrund: Ein sehr hĂ€ufig in der nuklearmedizinischen Diagnostik genutztes Radionuklid ist 99mTc. Es emittiert Gammastrahlung mit einer relativ niedrigen Energie (140 keV) und hat eine kurze Halbwertszeit von 6 h. ZusĂ€tzlich zur Gammastrahlung entstehen bei jedem Zerfall von 99mTc Auger-Elektronen. Diese niederenergetischen Elektronen, sehr kurzer Reichweite verfĂŒgen ĂŒber einen hohen LET und erzeugen somit eine ausreichende Energiedeposition, um direkte DSB zu erzeugen.
Bei Untersuchungen zu ChemotoxizitÀt und RadiotoxizitÀt mit Zellexperimenten gilt es eine Vielzahl an verschiedenen Schutzmechanismen, Reparaturmechanismen und Signalkaskaden in Zellen zu beachten, welche hÀufig noch nicht vollstÀndig erforscht sind. Um das schÀdigende Potential von unterschiedlichen Substanzen und StrahlenqualitÀten auf die DNA zu untersuchen, wurde ein zellfreies System gewÀhlt.
Ziel dieser Arbeit war es, neben den StrahlenqualitĂ€ten der Alpha-, Beta, Gamma- und Röntgenstrahlung die Auger-Elektronen des 99mTc auf ihr Potential zur Induktion von DNA-StrangbrĂŒchen zu untersuchen. HierfĂŒr stand die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI zur VerfĂŒgung, welche 99mTc an das Plasmid binden und somit in direkte DNA-NĂ€he bringen kann.
Material und Methode: Alle Versuche wurden mit dem Plasmid pUC 19, einem kĂŒnstlich hergestellten, bakteriellen Plasmid mit 2686 Basenpaaren, welches als nackte DNA ohne Proteine vorliegt, durchgefĂŒhrt. Der Vergleich zwischen bestrahltem Plasmid in Ab- und Anwesenheit des RadikalfĂ€ngers DMSO gibt Hinweise darauf, ob StrangbrĂŒche direkt induziert oder nach Radikalbildung indirekt erzeugt werden. Bei radikalvermittelter Wirkung verhindert DMSO DNA-StrangbrĂŒche und die ungeschĂ€digte Supercoiled-Plasmid-Konformation bleibt erhalten. Nach Bestrahlung des Plasmids erfolgte der Nachweis von StrangbrĂŒchen mittels Agarose-Gelelektrophorese. Bekommt ein Plasmid Einzel- oder DoppelstrangbrĂŒche, so verĂ€ndert sich seine Konformation zu einem ringförmigen/open circle (ESB) oder einem linearen Plasmid (DSB). Durch verĂ€nderte Laufeigenschaften im Agarosegel sind die verschiedenen Konformationen voneinander trennbar. Nach AnfĂ€rben der DNA mit dem Fluoreszenzfarbstoff Ethidiumbromid konnte das fluoreszierende Plasmid fotografiert und die IntensitĂ€t der Konformationsbanden quantifiziert werden.
Ergebnisse: Zuerst wurde die Reproduzierbarkeit der Methodik ĂŒberprĂŒft und festgestellt, dass eine Korrelation zwischen Plasmidmasse und FluoreszenzintensitĂ€t besteht. AnschlieĂend wurde in Vorversuchen gezeigt, dass die Inkubationstemperaturen, pH-Werte und der RadikalfĂ€nger DMSO keinen Einfluss auf die PlasmidintegritĂ€t haben. Bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlung, dem Beta-Strahler 188Re und dem nicht DNA-gebundenen Gamma-Strahler und Auger-Emitter 99mTc konnte mit steigender Dosis eine Zunahme an ESB festgestellt werden. Vergleichsproben mit DMSO zeigten keinen Anstieg von ESB, was auf eine radikalvermittelte 67 DNA-SchĂ€digung mittels Reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) hinweist. Ab einer Energiedosis von ca. 80 Gy konnten nach Bestrahlung mit 188Re und 99mTc zusĂ€tzlich zu den ESB auch DSB nachgewiesen werden. DMSO konnte in den Vergleichsproben sowohl die ESB als auch die DSB erfolgreich verhindern. Bei einer sehr hohen Dosis â„ 600 Gy zeigte DMSO KapazitĂ€tsgrenzen und es konnten nicht mehr alle StrangbrĂŒche verhindert werden.
Die Bestrahlung mit dem Alpha-Strahler (hoher LET) 223Ra fĂŒgte, im Vergleich zu Strahlung mit niedrigem LET, dem Plasmid ĂŒberproportional viele DSB zu. Einige dieser DSB konnten nicht durch DMSO verhindert werden, was auf einen direkten DNA-Schaden bzw. eine zu hohe Radikaldichte hinweist. Ein noch stĂ€rkerer direkter Effekt konnte beobachtet werden, wenn 99mTc ĂŒber die Substanz 99mTc-HYNIC-DAPI an DNA gebunden wurde. Dabei konnten schon ab einer Energiedosis von 4 Gy DSB erzeugt werden, welche trotz RadikalfĂ€nger nicht verhindert werden konnten.
Schlussfolgerung: Dieser bei 99mTc-HYNIC-DAPI beobachtete Effekt wird den Auger-Elektronen zugeschrieben. Aufgrund ihrer kurzen Reichweite und ihres hohen LET sind sie in der Lage direkte DSB zu erzeugen, wenn sie DNA-gebunden sind oder sich in geringem Abstand zur DNA befinden.
Die Ergebnisse der Experimente weisen auf ein therapeutisches Potential von 99mTc hin. Weitere Untersuchungen mĂŒssen zeigen, ob eine Adressierung von 99mTc an die DNA im Zellkern einer intakten Zelle zu verwirklichen ist und ob DNA-gebundenes 99mTc durch die Energie der Auger-Elektronen den Zelltod herbeifĂŒhren kann. Im nĂ€chsten Schritt sollte die Erforschung von TrĂ€gersubstanzen erfolgen, welche es ermöglichen Auger-Emitter spezifisch an die DNA von Tumorzellen zu koppeln.Introduction and aim of the study: A radionuclide commonly used in diagnostic nuclear medicine is 99mTc. It emits gamma rays with a relatively low energy (140 keV) and has a short half-time (6h). In addition to gamma rays, 99mTc radiates so called Auger-electrons with low energy, low range and high linear energy transfer. Due to the high-LET Auger-electrons have a sufficient energy deposition to induce direct double-strand breaks to the DNA.
In these experiments we used plasmid DNA to evaluate damage induced to biological systems by different chemotoxical substances and radionuclides as well as external radiation. By using plasmids instead of cell cultures we avoid lots of unexplored signal pathways in cells and it is possible to quantify chemotoxical and radiation damage to the DNA.
Materials and methods: The double-stranded plasmid pUC 19 with 2686 bp is used in all experiments. It is a synthetically produced bacterial plasmid without any proteins. To distinguish between directly and indirectly (radical induced) induced damage we used the radical scavenger DMSO. Indirectly induced damage via reactive oxygen species (ROS) can be prevented by DMSO. The quantification of supercoiled forms, single strand breaks (SSB) and double strand breaks (DSB) was measured by the method of agarose gel electrophoresis. After the electrophoresis, agarose gels are dyed in ethidium bromide and imaged with a ccd-camera using ultraviolet transillumination. The bands of the different plasmid forms were quantified through the FIJI computer program.
Results: First of all a correlation between plasmid mass and fluorescence intensity was shown. In a pretrial no damaging effect to the plasmid from incubation temperature, pH-value and radical scavenger DMSO appeared.
Afterwards we examined chemotoxical SnCl2, external x-rays, the alpha emitter 223Ra, the beta emitter 188Re, gamma- and Auger-emitter 99mTc and the DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI. The radical scavenger DMSO was used to differentiate between indirect (radical induced) and direct DNA-damage.
All different radiation qualities showed an increasing DNA-damage with increasing energy dose. For the low-LET radiation qualities like chemotoxical SnCl2, external x-rays, the beta emitter 188Re and not DNA-bound 99mTc, DMSO showed the quality to prevent the damage. After the deposition of an energy dose â„ 600 Gy DMSO showed a limitation in his scavenger capacity.
During radiation with high-LET beams like 223Ra or DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI DMSO showed less or nearly no ability to prevent DNA-damage. A 4 Gy dose of 99mTc-HYNIC-DAPI was able to induce DSB into the plasmid. These DSB could not be prevented by DMSO. The lower ESB:DSB ratio for high-LET beams also displays that direct damage is more likely to create DSB than indirect damage.
Conclusion: In conclusion we can say that DNA-bound 99mTc-HYNIC-DAPI was most appropriate to induce DSB via a direct effect. It was impossible to prevent this damage due to adding the 69 radical scavenger DMSO. We attribute this to low range, low-LET Auger-electrons and suppose that it may be possible to use DNA-bound 99mTc for therapeutic purpose. Further research has to show if 99mTc can be targeted to the DNA of intact cells and if suitable tracers can be found to safely target and kill tumor cells
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