K novým poznatkům o vlivu různých druhů ionizujícího záření na buňky patří mikro- a nanodozimetrické aspekty poškození chromatinu. Fyzikální vlastnosti incidentního ionizujícího záření (fotonů gama, protonů a iontů s vysokým LET) souvisí s charakterem poškození chromatinu, možnostmi buňky opravit a přežít vytvořené léze DNA a rizikem genetických změn. Přestože výsledky jednoznačně potvrzují pozitivní korelaci mezi LET ionizujícího záření, komplexností indukovaných dvouřetězcových zlomů DNA (DSB) a biologickou účinností (RBE) záření, zároveň odhalují, že těmto vztahům ještě dostatečně nerozumíme. Příkladem budiž zjištění, že různé urychlené ionty s podobným LET mohou poškozovat DNA odlišným způsobem a zabíjet tak buňky s nestejnou účinností. Stále také neumíme vysvětlit mnoho aspektů reparace DSB, například co rozhoduje o aktivaci určité reparační dráhy v místě konkrétního DSB a jak je tento výběr ovlivněn použitým ionizujícím zářením a strukturou chromatinu. Diskutované výsledky mohou být mj. důležité z hlediska nově se rozvíjející hadronové terapie nádorových onemocnění a plánování pilotovaných meziplanetárních letů. Z metodického hlediska potom tato práce ilustruje obrovský pokrok, který se udál na poli optické mikroskopie a jejích výzkumných aplikací. Detailněji je představena metoda lokalizační mikroskopie s rozlišením jednotlivých molekul (SMLM – single-molecule localization microscopy).

The present work introduces new findings about the influence of different radiation types on the cells, with the concern on the micro- and nanodosimetric aspects of chromatin damage. Emphasized is the relationship between the physical parameters of the incident radiation (g-rays, protons and high-LET heavy ions), character of chromatin damage, ability of cells to repair and survive DNA damage, and risk of genetic changes. While confirming a positive correlation between the LET of ionizing radiation, complexity of induced DNA double-strand breaks (DSB), and biological effectiveness (RBE) of radiation, at the same time, we show that our understanding of this relationship is only incomplete. Our discovery that various accelerated ions with similar LET can damage DNA in different ways and kill cells with unequal efficiency, could serve as an example. In addition, many aspects of DSB repair remain to be explained, for instance, how the cell activates the particular repair pathway at sites of individual DSBs, and how it depends on the radiation used and the chromatin architecture. The discussed results may be important, above all, for newly developing hadron therapy and in the context of manned interstellar flights planning. From the methodological point of view, we point to a tremendous progress in the field of optical microscopy and its research applications. In more detail, we introduce single-molecule localization microscopy (SMLM).

Biofyzikální ústav AV ČR v v i Brno

Kirchhoffův institut pro fyziku Univerzita Heidelberg

Advances in research of DNA damage and repair in cells exposed to various types of ionizing radiation in the era of super-resolution optical microscopy