Damage induced in DNA and RNA components by low energy heavy ions, electrons and photons

Abstract

L'émergence récente de la hadronthérapie (thérapie avec des particules lourdes) constitue à l'heure actuelle une technique de radiothérapie prometteuse pour le traitement de tumeurs solides ancrées en profondeur. L'émission d'un rayonnement primaire composé de particules lourdes traversant les cellules a pour conséquence la génération d'espèces secondaires neutres et chargées. En particulier, la production importante d'ions secondaires d'énergie entre 10 à 300 eV, sur le trajet du faisceau ionisant, engendre l'ionisation et la fragmentation des constituants de la molécule d'ADN, processus-clé des dommages radiobiologiques au niveau moléculaire et finalement cellulaire. L'utilisation d'un système générateur de faisceaux d'ions sous ultravide a permis l'étude des mécanismes d'ionisation et de fragmentation des bases de l' ADN par irradiation ionique en phase condensée et par impact électronique en phase gazeuse. L'appareillage est constitué d'une source d'ions de faible énergie, d'un système de focalisation, d'une chambre de préparation des films moléculaire et d'une chambre de réactions couplée à un spectromètre de masse de haute résolution, permettant le monitoring des rendements des produits de l'irradiation générés. La condensation des bases de l'ADN en forme de films a été préparée in vacuo par évaporation d'un four, ce film étant ensuite irradié aux ions argon Ar+ possédant une énergie entre 1 et 100 eV. Sous l'effet du bombardement, les fragments positifs et négatifs désorbés ont été collectés par un spectromètre de masse quadrupole. L'ionisation et la fragmentation des bases adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et 5- aminouracile (5-NH2-uracile) ont été étudiées par observation de l'émission des ions positifs et négatifs pendant l'irradiation avec Ar+ de faible énergie (10 à lOOeV) dans la phase condensée et d'électrons (70 eV) dans la phase gazeuse. Ces observations impliquent des mécanismes de fragmentation engendrés par des réactions de dissociation concertée telles que la désamination des bases A, G et C tant dans la phase condensée que dans la phase gazeuse, ainsi que l'amination de l'adénine dans la phase condensée. Les caractéristiques significatives relevées dans les spectres de masses des quatre bases sont la production d'ions NH/ (18 amu) et CH/ (15 amu) pour la cytosine et le 5-aminouracile, avec des intensités relatives élevées, par comparaison avec le pic le plus haut de chaque spectre (HCNH+, 28 amu). L'utilisation d'isotopes marqués d'A, G et C a révélé les mécanismes initiateurs de clivage des liaisons chimiques, communs à toutes les bases puriques et pyrimidiques constituant l' ADN. Des expériences conduites avec du 5- aminouracile ont confirmé l'hypothèse de désamination des bases A, G et C, par l'impact des ions Ar+ de faible énergie dans la phase condensée et d'électrons dans la phase gazeuse.

Abstract: Ion beams have recently emerged as a promising radiotherapy technique for treatment of large, solid, deep seated tumours. As the primary beam of heavy particles traverses through the cell, secondary charged and neutral species are generated. In particular secondary ions with energies up to 100 eV are produced in large numbers along the ionization track. Ionization and fragmentation of DNA components is a key step in radiobiological damage to the cell. An ultrahigh vacuum (UHV) ion beam system has been used to study the ionization and fragmentation pathways of DNA bases by ion irradiation in the condensed phase and electron impact in the gas phase. The apparatus consists of a low energy ion source, beam line, biomolecular film preparation system and a reaction chamber with high-resolution mass spectrometer to monitor desorbing ion yields. Solid condensed films of DNA bases were prepared in vacuo by sample evaporation from an oven and were subsequently irradiated with (1-100 eV) Ar+ ions. Upon bombardment, desorbing positive and negative fragments were collected using a Quadrupole Mass Spectrometer (QMS). Ionization and fragmentation of Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C) and 5-aminouracil bases has been observed by low energy (10-100 eV) Ar + ions in the condensed phase and 70 eV electrons in the gas phase. These observations demonstrate fragmentation mechanisms involve site specific concerted dissociation reactions, deamination of Ade, Gua, Cyt in the condensed phase and the gas phase as well as amination of Adenine in the condensed phase. Of significant features of the mass spectra of all four bases are the production of NH 4+ (18 amu) and CH3+ (15 amu) fragments with high intensities relative to the most intense peak in each spectrum (HCNH+ , 28 amu). Utilizing isotopically labelled Ade, Gua and Cyt common purine and pyrimidine bond cleavage pathways and fragment origin sites were identified. Experiments performed with 5-aminouracil confirmed the deamination hypothesis of A, G and C bases by low energy Ar + ion impact in the condensed phase as well as the low energy electron impact in the gas phase.