StrahlenschädigungenPéter Maróti

Professor für Biophysik, Universität Szeged, Ungarn

„Alles, was uns nicht umbringt, macht uns härter.”

(Altes Sprichwort)

„Röntgenröhren sind wie Frauen.Niemals darfst Du ihnen trauen.Manchmal sind sie weich und gut,Manchmal zittern sie vor Wut“.

(Leonie MOSER (1897-1959), Röntgenschwester)

Lehrbücher: Biophysik für Mediziner (Herausgeber S. Damjanovich, J. Fidy und J. Szöllősi) Medicina, Budapest, 2008.Fercher A.F. Medizinische Physik, Springer, Wien, New York 1992.Haas U. Physik für Pharmazeuten und Mediziner; Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH. Suttgart 2002.Maróti P., Laczkó G.: Bevezetés a biofizikába, JATEPress, Szeged 1998 (Ungarisch)P. Maróti, L. Berkes, F. Tölgyesi: Biophysics Problems. A Textbook with Answers. Akadémiai Kiadó, Budapest 1998 (Englisch).

Punktförmige Strahlungsquellen

24)(

rarJ

2

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112 )()(

rrrJrJ

mED

Die Teilchenstromdichte J(r) einer radioaktiven Quelle ist im Abstand r :

Dieses geometrische Abstandsgesetz gilt nur bei Abständen r >> Quellenabmessung. Abweichungen hiervon werden durch 1) Streuung und 2) nichtkonstante lineare Energieübertragung verursacht.

(a ist die Aktivität der Quelle) und verhält sich umgekehrt wie die Abstandsquadrate:

r2

r1

Im Gewebe kommt nur der aus der Strahlung aufgenommene Energiebetrag ΔE zur Wirkung. Der ausgelöste physikalische Effekt ist proportional zur Energiedosis D (gemessen in Einheit Gy):

2rak

dtdD

aDie Dosisleistung einer (annähernd) punktförmigen Strahlungsquelle im Abstand r ist für biologisches Gewebe:

Punktförmige Strahlungsquellen

2rak

dtdD

Die Dosisleistung einer (annähernd) punktförmigen Strahlungsquelle im Abstand r ist für biologisches Gewebe:

Hier heißt k Punktquellen-Dosiskonstante. Diese Gröβe ist noch von der Strahlungsart anhängig.

Radionuklid Dosiskonstante kGy·m2/(Std·Bq)

γ-Strahler

60Co 3,36·10-13

99mTc 1,56·10-14

137Cs 8,47·10-14

226Ra 2,14·10-13

β- -Strahler

90Sr 2,0·10-11

131I 1,7·10-11

137Cs 1,6·10-11

198Au 1,2·10-11

Strahlenschädigungen

Somatische Strahlenschäde Genetische SchädeSchädigung der Körperzellen des Individuums

Biologische Schädigungen am Erbgut von Organismen

Frühwirkung SpätwirkungInnerhalb von Tagen bis zu einigen Monaten

Hautrötung,

Erbrechen,

Augenkatarakt ergeben

Strahlenschäden, die beim Menschen erst nach mehreren Jahren erkennbar werden, selbst wenn keine Frühwirkungen aufgetreten sind.

Genetische Strahlenwirkungen bedingen Schäden, die entweder

- die Lebensfähigkeit von Nachkommen bereits in einem frühen Entwicklungsstadium verhindern, oder

- welche sich erst bei den Nachkommen als somatische Veränderungen zeigen, also

- vererbbare Strahlenwirkungen darstellen.

Teratogene Schäde während der Schwangerschaft eine Schädigung des Embryos verursachen

Das akute Strahlensyndromnach einer Ganzkörperbestrahlung mit γ-Strahlung.

Die Dosiswerte beziehen sich auf menschliches Gewebe in der Körpermitte.

Dosis-bereich

(Gy)

Prodromal-effekte

Beobachtete Organschäden Überleben

0-0,5 keine keine gesichert

0,5-1 mild geringfügige Abnahme der Zahl der Blutzellen

praktisch gesichert

1-2 mild bis mäβig

beginnende Symptome von Knochenmarkschäden

wahrscheinlich (>90%)

2-3,5 mäβig mäβige bis ernste Knochenmarkschäden

bei 3 Gy ca. 50% Todesfälle in 60 Tagen

3,5-5,5 ernst ernste Knochenmarkschäden 50-99% Todesfälle

5,5-7,5 ernst zusätzlich mäβige Schäden des Verdauungstraktes

Tod innerhalb 2-3 Wochen

7,5-10 ernst Knochenmarkschäden, verstärkt auftretende Schäden am Verdauungstrakt

Tod innerhalb 1-2,5 Wochen

SchwellendosisDer Organismus verfügt über

Reparaturmechanismen Regenerations- und Funktionsreserven

Es gibt eine obere Dosisgrenze (Schwellendosis), ab der die kleinste Wirkung nachgewiesen werden kann. Zum Beispiel, das akute Strahlensyndrom zeigt ein ausgesprochenes Schwellenwertverhalten und gehört somit zu den nicht-stochastischen Strahlenwirkungen.

Bei Erwachsenen, liegt diese Schwellendosis bei 200 mSv, das bedeutet bei kurzzeitiger Ganzkörperbestrahlung oder zumindest groβer Teile des Körpers, z.B. des Rumpfes, mit einer γ-Strahlungsdosis oberhalb 200 mSv können biologische Schädigungen auftreten. Eine besondere Bedeutung kommt jener Dosis zu, bei der innerhalb von 30 Tagen 50% der bestrahlten Individuen einen Strahlentod erleiden. Diese sog. mittlere letale Dosis liegt beim Menschen bei Ganzkörperstrahlung mit Röntgen- oder γ-Strahlung bei ca. 3,5 Sv, wogegen eine Dosis von 6 Sv eine Mortalität von fast 100% zur Folge hat.

Letale Dosis für Lebewesen und Viren

Die LD50/30-Werte (50% Letalität nach 30 Tagen) für Lebewesen bzw. Viren unterscheiden sich stark, da diese eine unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber ionisierenden Strahlen zeigen. Die Werte beziehen sich, wie bei der Strahlenkrankheit, auf kurzzeitige Ganzkörperbestrahlungen. Kurzzeitig bedeutet dabei kurz im Vergleich mit biologischen Heilungsprozessen; eine Expositionsdauer von wenigen Minuten ist also "kurz", eine von mehreren Stunden dagegen nicht mehr.

Lebewesen Letale Dosis (Gy)

Meerschweinchen 2,5-4

Ziege 3,5

Mensch 3-4,5

Hund 4-5,5

Rhesusaffe 5,5

Ratte 6

Goldfisch 8,5

Hamster 9-11

Forelle 15

Escherichia coli 50

Fledermaus 150

Schnecke 200

Wespe 1.000

Tabakmosaikvirus 2.000

Bärtierchen 5.700

Deinococcus radiodurans

10.000

Von Strahlung ausgelöste Reaktionsschritte im Organismus

nicht stochastische Schäden

stochastische Schäden

Physikalische Phase

Biochemische Phase

Biologische Phase

Somatische bzw. genetische Gewebereaktionen

Physikalische Phase

Energieübertragung von Strahlung auf Gewebemoleküle:

Entstehung von Ionen und Radikalen

Radiolyse des Wassers

Biochemische Phase

Molekulare Reaktionen:

Direkte und indirekte Schädigung lebenswichtiger Moleküle

DNS-Synthesestörung

Oxydation der SH- (Sulfhydryl-) Gruppe von Enzymen (= Zerstörung der Enzyme)

Biologische Phase

Zelluläre Reaktionen:

Mitosestörung, Zelltod, Mutation

Reparatur und Erholung

Stochastische und nicht-stochastische Schäden

Stochastische Strahlenwirkung

Es gibt nur eine gewisse Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Schäden. Es handelt sich um die Auswirkung von strahleninduzierten Schäden an einzelnen Zellen, wie Genmutationen, somatische Chromosomenaberrationen und maligne Transformationen. „Bloβ” die Wahrscheinlichkeit für eine biologische Wirkung nimmt mit zunehmender Strahlungsdosis zu.

Nicht-stochastische Strahlenwirkung

Sie tritt immer ab einer gewissen (individuell unterschiedlichen) Dosis auf. Hierzu gehören jene Strahlungsschäden, die auf der Vernichtung einer gröβeren Anzahl von Zellen in den betroffenen Organen beruhen, beispielweise die Schädigung der Blutbildungsorgane, des Immunsystems oder der Fortpflanzungsorgane. Diese Strahlungsschäden können eine Schwelle haben; die Schweregrad des biologischen Schadens nimmt mit zunehmender Strahlungsdosis zu.

Biologische Wirkungskurven (Dosis-Effekt-Kurven)Nicht-stochastische StrahlenwirkungStochastische Strahlenwirkung

p: Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer biologischen Wirkung

Diese Teile der Graphen sind (aus statistischen Gründen) nicht meβbar: eine Schwelle ist nicht nachweisbar.

S: Schweregrad des biologischen Schadens

Sch

wel

le

Keine

Schwell

e

linea

r

nicht lin

ear

(Ery

them

)

(Kata

rakt)

Äquivalentdosis (H) ist das Produkt aus Energiedosis der Strahlung (D) mal ihrem Bewertungsfaktor (q): H = q·D

Inaktivierung des Enzyms Ribonuclease durch 60Co γ-Strahlung im trockenen Zustand sowie in wäβriger Lösung (5 mg/ml).

Abhängigkeit der Strahlenwirkung von der Umgebung.

In Gegenwart von Wasser („Lösung”) überwiegt bei weitem der indirekte Strahleneffekt durch Energietransfer von der wäβrigen Umgebung auf das Enzymmolekül.

In Abwesenheit von Wasser („trocken”) erfolgt die Inaktivierung ausschlieβlich durch direkte Strahlenwirkung auf das Enzym selbst.

Die Enzym-aktivität AE stellt ein Maβ für die Zahl intakter Enzym-moleküle dar.

Der Parameter D37 stellt ein Maβ für die Strahenempfindlichkeit des untersuchten Objekts dar.

Bestrahlt man das Enzym Riboluclease in wasserfreiem Zustand und hinreichend verdünnter wäβriger Lösung, so findet man einen um 2 Gröβenordnungen unterschiedlichen Wert für die Kenngröβe D37 der Strahlenempfindlichkeit.

Strahlungsinaktivierung des Gramicidinkanals in künstlichen Lipidmembranen

durch 220 kV Röntgenstrahlung in luftgesättigter wäβriger Lösung.

Fettsäurereste ohne Doppelbindung

eine Doppelbindung pro Fettsäurerest

1) Schulterkurven können auch in Abwesenheit von zellulären Reparaturphänomenen auftreten (siehe Kurve 2)!

Folgerungen:

2) Die Umgebung kann auch eine Schutzwirkung ausüben.

Der Ionenkanal von Grami-cidin A ist fast ausschlieβlich durch strahlungsinduzierte Radiolyseprodukte des Wassers inaktiviert. Der beobachtete Strahleneffekt ist geringer, falls die Lipid-umgebung des Kanals Doppelbindungen enthält, die eine groβe Reaktions-bereitschaft für OH-Radikale aufweisen und den Kanal vor ihren Angriffen schützen.

nach Bestrahlung mit 4 MeV α-Teilchen, 14 MeV Neutronen (n) sowie 30 MeV Elektronen (β).

Experiment für das Konzept der Äquivalentdosis: Verlust der Prolipherationsfähigkeit von Ehrlich-Ascites-Tumorzellen

Bei diesem Experiment wir können fest-stellen, daβ bei gleicher Energiedosis der Strahleneffekt für α-Teilchen (oder Neutronen) erheblich gröβer ist als nach Bestrahlung mit β-Teilchen.

Die LET-Werte unterscheiden sich bei gleicher Teilchenenergie für α- und β-Teilchen um etwa 1-3 Gröβenordnungen. Als ungefährer Anhaltspunkt darf LET (α-Teilchen) ≈ 100 keV/μm sowie LET (β-Teilchen) ≈ 1 keV/μm gelten. Röntgen und γ-Strahlung lösen bei Absorption in Materie energiereiche Elektronen aus und besitzen daher ähnliche LET-Werte wie β-Teilchen.

4 MeV 14 MeV 30 MeV

Die Kenntnis der Energiedosis allein reicht nicht aus, um den Strahleneffekt eines gegebenen Organismus vorherzusagen.

Verlust der Proliferationsfähigkeit von Ehrlich-Ascites-Tumorzellen

Energiedosis (Gy)

nach

- Röntgenbestrahlung (140 kV) und

- unterschiedlich langer Reparaturzeit.

Gibt man den Zellen Gelegenheit zur Reparatur vor Durchführung des Test auf Teilungsfähigkeit, so erhält man

1) ausgeprägte Schulterkurven und

2) eine Abnahme des Strahleneffektes bei gleicher Dosis (der Wert D37 erhöht sich).

Strahlentherapie = TumortherapieDosiswirkung: die Anzahl der nicht mehr teilungsfähigen Zellen bezogen auf die Gesamtzahl der Zellen.

Pharmaka: hat eine deutliche Schwellendosis und erreicht schnell 100% Wirkung.

Ionisierende Strahlung: hat keine klare Schwelle und erreicht 100% Wirkung nur asymptotisch.

Abstand und Steigung der Sterbe-Kurven der Tumor- und gesunden Gewebszellen sind stark von der Tumorart und –Gröβe und Strahlenart abhängig.

Zelluläre Strahlenwirkung:die Überlebenskurve

Relativer Anteil der überlebenden (teilungsfähigen) Zellen in Abhängigkeit von der Energiedosis.

D0 ist die Dosis, die den Anteil überlebender Zellen auf 1/e = 37% reduziert (die sogenannte 37%-Dosis).

Wegen der hierzu erforderlichen groβen Anzahl von Experimenten an Versuchstieren werden auch in Zukunft kaum relevante experimentelle Werte zur Beurteilung von Strahlungsschäden bei kleinsten Strahlendosen vorliegen.

Bei hohem LET: exponentieller Verlauf

Bei niedrigem LET: SchulterkurveQuasi-Schwelle existiert, die beschwert die Abschätzung des Strahlenrisikos bei kleinsten Strahlungsdosen.

Treffertheorie: Dosis-Wirkungs-Kurven

DVn

enDVP

!n

Quantitativer Zusammenhang zwischen Energiedosis und der zellulären Strahlenschädigung. Bei der klassischen Treffertheorie (Theorie der Direktwirkung) wird nur die Zahl der Zielscheiben (sensiblen Stelle, „target”), die Zahl der Treffer und ihre Verteilung (Poisson) berücksichtigt und sie läβt die Molekularmechanismen in der bestrahlten Substanz weitestgehend auβer Acht.

Bedingungen der Poisson-Verteilung der Ionisation:

1) die Zahl der (gesamten) Ionisationen ist sehr groβ,

2) die Ortskoordinaten sind unabhängig voneinander,

3) die Wahrscheinlichkeit, daβ eine gegebene Ionisation gerade auf die Zielscheibe fällt, ist sehr gering.

Die mittlere Zahl der Ionisationen (Treffer) im ΔV Volumen bei Dosis D ist ΔV·D und die Wahrscheinlichkeit, daβ gerade n Treffer das Volumen erreicht:

Treffertheorie: eine Zielscheibe mit mehreren Teffern

DVn

enDVDVDV

NN

)!1(...

!2!11

S

121

0

S

Das biologische Objekt hat eine sensible Stelle und wird inaktiviert, wenn nS Treffer (Schwellewert) erhält. Wenn nS -1 oder weniger Treffer bekommt, wird das Objekt überleben, d.h. es bleibt aktiv (es zeigt die untersuchte Beschädigung nicht). Die Überlebensquotient (Überlebenswahrscheinlichkeit) ist

Ist die Zahl der zur Inaktivierung notwendigen Treffer gröβer als 1, nS > 1, so nimmt der Verlauf der Überlebenskurve eine sigmoide Form (eine verkehrte S-Form) an. Die Kurve hat eine umso ausgeprägtere „Schulter”, je gröβer die Zahl der erforderlichen Treffer ist.

Die „Eintrefferkurve” nS = 1 hat einen exponentiellen Verlauf:

N/N0 = exp(-ΔV·D)

Treffertheorie: mehrere Zielscheibe mit einem Teffer

mDVNN )exp(11

0

Bedingungen:

1. die Zahl der strahlenempfindlichen Stellen im Objekt ist m,

2. sie haben das gleiche Volumen ΔV und

3. die Verletzung aller Stellen durch je ein Treffen (nS = 1) ist notwendig zur Inaktivierung des Objektes.

Die Wahrscheinlichkeit für

Treffer der Stelle

Überleben, kein Treffer der Stelle

Treffer aller Stellen

...

...

...

1 2 m

1-exp(-ΔV·D) 1-exp(-ΔV·D) 1-exp(-ΔV·D)

exp(-ΔV·D) exp(-ΔV·D) exp(-ΔV·D)

[1 - exp(- ΔV ·D)]m

Überleben des Objektes

Treffertheorie: mehrere Zielscheibe mit einem Teffer

Bei hoher Dosis (wenn exp(-ΔV·D) <<1), die Überlebensquotienten kann man durch die folgende lineare Näherung beschreiben:

mDVNN lnln

0

In halblogarithmischer Darstellung, die Geraden sind parallel (die Steigung ist bestimmt durch das Volumen der strahlenempfindlichen Stelle ΔV) aber verschiebt sich nach der Gröβe der Zahl der Stellen m. Die Zahl der sensiblen Stellen im Objekt läβt sich an ihrem Schnittpunkt mit der vertikalen Achse ablesen.

Graphische Darstellung

Dosis-Wirkungs-Zusammenhang in Zellkultur der Niere mit Strahlungen verschiedener LET-Werte

„Schulter”

Gerade

eine Zielscheibe mit einem Teffer

eine Zielscheibe mit mehreren Teffern

HeLa-Zellen behandelt mit Röntgenstrahlung in Luft und in

N2- Atmosphäre

Obwohl die Überlebensraten nach Energiedosis in Luft und in Stickstoff deutlich ganz verschieden sind, die Zahlen der nötigen Treffer um die einzige Zielscheibe zu zerstören sind gleich in den zwei Fällen: m = 3. Der Sauerstoff (in der Luft) erhöht die Strahlenempfindlichkeit, Oxygen Enhancement Ratio (OER) (siehe später)

Linear-quadratische Dosis-Wirkungsbeziehung, Molekularmodell der DNA-Verletzung

wobei a0 die spontane, d.h. in Anwesenheit zusätzlicher Strahlung gefundene Zahl an Fällen darstellt.

lineares Glied

quadratisches Glied

ln N/N0 = a0 + a1·D + a2·D2

Das lineare Glied ist proportional zur Entstehungswahrscheinlichkeit der Doppelkettenbrüche.

Das quadratische Glied ist proportional zur Wahrscheinlichkeit des voneinander unabhängigen, zeitlich und räumlich ausreichend nahen Vorkommens von einsträngigen Brüchen an zwei verschiedenen Ketten.

Vorteile des Modells:

- reale Molekularmechanismen verbergen sich hinter den Parametern und

- das Verhalten bei sehr geringen bzw. sehr hohen Dosen bleibt richtig (im Gegenteil der klassischen Treffertheorie).

Todesfälle durch Leukämie bei den Überlebenden der Atomaren Explosion von Hiroshima und Nagasaki.

Quadratische Beziehung: besseres beschreiben

Lineare Beziehung

Die Fehlerbalken repräsentieren die Standard-abweichung

Einfaches Schema der Entwicklung einer zellulären Strahlenschädigung

Die Ionisation eines

Enzymmolekülszieht durch veränderte Wechselwirkungen eine

Konformationsänderung,

die zum Verlust der enzymatischen Aktivität führt nach sich.

Strahlungsabsorption in der Umgebung des Makromoleküles

Die freie Wasser- oder Lipid-Radikale gelangen durch freie Diffusion an den Ort des Makromoleküls (wasserlösliche und Membranproteine sowie (bei Eukaryoten) von der Kernmembran umgebenen Erbsubstanz DNA).

Verlust der Poliferations-fähigkeit (Zellteilung),

Chromosomenaberrationen (Veränderungen im Erschei-nungsbild von Chromosomen)

Mutationen

NeoplastischeTrans- formation

(Veränderungen des Vermehrungsverhaltens der Zellen)

Vergleich des direkten und indirekten Schädigungseffekts

N = N0·exp(-D/DN,37) M = M0·exp(-D/DM,37)Überlebensfraktion der MolekülenAnzahl der getroffenen Lösungsmittelmoleküle, die die gleiche groβe Anzahl von gelösten Molekülen schädigen

M0 - M = M0(1-exp(-D/DM,37))

M0 - M = N0 - N

N/N0 =1 - M0/N0·(1-exp(-D/DM,37))zu vergleichen

Vergleich der direkten und indirekten Schädigungen

37,N0

expDD

NN

37,M0

0

0

exp11DD

NM

NN

37,M

0

0

1DD

VcM

NN

37,M

0

0

exp11DD

VcM

NN

cM

VDD M

0

37,indirekt37

63,037,N

direkt37 DD

Direkt Schädigung Indirekt Schädigung

Die Überlebensfraktion der Molekülen

Nach Einsetzung N0 = c· V

Bei niedrigen Dosen

D << DM,37

Eine Strahlungsdosis D37 reduziert N/N0 auf den Bruchteil 1/e (= 37%):

Unabhängig von der Konzentration c

Abhängig von der Konzentration c

SchluβfolgerungenDie zur indirekten Inaktivierung der gelösten Molekülen erforderliche Dosis D37 ist direkt PROPORTIONAL zur Konzentration c.

Fazit: Bei kleinen Konzentrationen c ist auch die zur Inaktivierung der gelösten Moleküle erforderliche Dosis klein. Der indirekte Effekt wird daher das Schädigungsgeschehen bei allen Molekülen mit geringer intrazellulärer Konzentration dominieren.

Daraus folgt auch, dass selbst kleinste Strahlungsdosen über die indirekte Inaktivierung Schäden erzeugen, was gegen das Vorhandensein einer Schwellendosis bei Strahlungsschäden spricht.

Molekulare Strahlenwirkung (Radiolyse)Strahlung kann an biologisch wichtigen Molekülen (DNS, Enzymen) entweder DIREKT einen Schaden setzen oder INDIREKT über erzeugte chemische Radikale aus der Zerstörung anderer Moleküle, hauptsächlich aus dem Lösungsmittel Wasser.Bei der Wasserradiolyse entstehen primär folgende Produkte, die alle chemische Radikale (gekennzeichnet durch einen Punkt hinter dem chemischen Symbol) sind:

H2O → H2O+· + e-· und H2O → H· + OH·Chemische Produkte

für locker ionisierende γ-Strahlung in Wasser bei pH 7

Zahl der entstandenen Produkte je 100 eV absorbierter Energie

(etwa 4 Wassermoleküle zerstört)

Hydratisierte Elektronen 2,65H-Radikal 0,55

OH-Radikal 2,70

H2 0,45

H2O2 0,70

Besondere Rolle des Sauerstoffes

22 O:Oe

-22 OHOHOH e

22222 OOHHOHO

Das Sauerstoffmolekül hat als einziges einfaches Molekül im Grundzustand zwei ungepaarte Elektronenspins (Triplet-Zustand) und wirkt daher wie ein Radikal mit zwei Elektronen.

Die Anwesenheit von Sauerstoff im Gewebe

- verhindert die Rekombination der entstandenen Ionen und

- fördert die Entstehung von OH-Radikalen durch eine Kette von Reaktionen.

Wegen seiner hohen Elektronenaffinität bindet der Sauerstoff die primär entstandenen Elektronen und reagiert mit dem H-Radikal:

22 HO:OH

O2 ist einer der stärksten Sensibilisatoren für Strahlungsschäden. Bei Zellpopulationen mit 20% freiem O2 (entspricht arteriellem Blut) beispielweise benötigt man nur 30 bis 50% der Energiedosis zur Sterilisierung im Vergleich zu nur 0,1% freiem O2. Viele Tumoren sind schlecht mit Blut versorgt und daher hypoxisch und dadurch im Vergleich zu normalem Gewebe sehr strahlenresistent.

Die freigesetzte OH-Radikale haben erhebliche biologische Wirkung

Wasserstoffperoxyd zersetzt sich laufendDie Radikale (·) besitzen

ein ungepaartes Elektron und sind deshalb chemisch hoch reaktiv.

Sauerstoff erhöht die Strahlenempfindlichkeit, Oxygen Enhancement Ratio (OER)

Oxygen37

Hypoxie37OERDD

Definition: das Verhältnis der D37 Werte der Überlebenskurven gemessen ohne Oxygen (Hypoxie) bzw. mit Oxygen:

Die auffälligste O2 –Wirkung sieht man bei der Röntgen- und Gamma-Strahlung (kleine LET Werte) und hat einen OER-Wert von 2 bis 3. Das Bakterium E. coli weist einen besonders hohen OER-Wert auf: 5 Gröβenordnungen ist der Unterschied in der Strahlenempfindlichkeit unter aeroben bzw. anaeroben Bedingungen! Der Grad der O2-Sättigung der Zellen bzw. Organe zeigt eine Paralelität zur Strahlen-empfindlichkeit; aber ein O2-Überdruck erhöht nicht immer die Strahlenempfindlichkeit.

Mit steigendem LET nimmt der Sauerstoffeffekt ab. Die Ursachen hierfür sind noch geklar.

Wirkungen ionisierender Strahlung auf DNS

Einzelstrangbruch Doppelstrangbruch

Basenverlust Denaturierung

Kette der Desoxyribose- und Phosphatgruppen

Durch Wasserstoffbrücken verbundene Purin- und Pyrimidinbasen

Am empfindlichsten reagieren Zellen auf ionisierende Strahlung mit einer Änderung der MITOSE-Rate. Insulte an den Chromosomen bzw. an der DNS von besonderer Bedeutung sind:

Der biochemische Reparaturmechanismus versagt, weil die DNS-Polymerase keine Matrize mehr findet, nach der sie die fehlenden Nukleotide einfügen kann.

irreparabler Schaden

Ionisierungsprozesse machen bei jeder Strahlenart einen festen Anteil aller Schäden aus. Deshalb gibt es irreparable Schäden auch bei kleinsten Strahlungsdosen; eine Schwelle, unterhalb der ionisierende Strahlung unschädlich ist, dürfte es daher auch aus diesem Grund nicht geben.

Ausschnitt aus einem DNA-Einzelstrang. Bildung von Thymin-Dimeren durch UV

Bestrahlung.

Der komplementäre Einzelstrang wurde der Einfachkeit halber weggelassen.

Die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Tymin der DNA besitzen ein Absorptionsmaximum im Bereich um 260 nm.

DNA-Schädigungen

Modifikationsfaktoren der Strahlenwirkung

• Physikalische Faktoren- Strahlungsart- Zeit

- Dosisleistung- Dosisfraktionierung

- Temperatur• Chemische Faktoren

- Sauerstoffwirkung- Wasserschäden- Sensibilisierende und schützende Verbindungen

• Biologische Faktoren- Stoffwechsel- Zustand des Zellzyklus (nach Strahlenempfindlichkeiten: Mitose, G2-Phase, G1-Phase, frühe und späte S-Phase- Zellbiologische Fähigkeiten

Graphische Vorstellung einiger Modifikationsfaktoren

Zeitfaktor Sauerstoffwirkung Biologischer Faktor

Reciprozität zwischen Zeit und Strahlungsintensität

Fraktionierung der Strahlendosis: die Überlebenschancen der Zelle nehmen stark zu, wenn man im linearen Teil der Dosiskurve vor Verabreichung der nächsten Dosis einige Stunden wartet.

Theorie der Wasseraktivierung: die Anwesenheit von O2 fördert die Entstehung freier Radikale und H2O2.

Zellzyklus

Die Strahlenempfindlichkeit einer Zelle ist umso gröβer, je weniger sie differenziert ist.

Zusätzliche Krebsmortalitätsrate (KMR) bei

Atombombenüberlebenden

In diesen Gedenkstein im Garten des Hamburger St.-Georg-Krankenhauses sind dieNamen von 160 Röntgenärzten und -Schwestern gemeißelt, die als Pioniere im Umgang mit den(ehemals) neuen (Röntgen) Strahlen an den Folgen von Röntgenverbrennungen verstorben sind.An die anderen tausend und abertausend unbekannten Opfer im restlichen Teil der Welt erinnert uns kein Denkstein.

Ruhm und Ehre

Hausaufgaben1. Im Abstand 1 m von einem punktförmigen, radioaktiven γ-Strahler beträgt die

Dosisleistung in Luft 8 μJ·kg-1·h-1. Wie groß ist etwa die aufgenommene Dosis bei 2 m Abstand und 5-stündigem Aufenthalt?

2. Die Dosisleistung einer monochromatischen γ-Strahlung beträgt in 2 m Abstand von der Quelle 2 mGy·s-1. Wieviele Bleiplatten von 1 cm Dicke müssen mindestens zwischen Quelle und Beobachtungsort aufgestellt werden, wenn die Dosisleistung auf weniger als 2 μGy·s-1 reduziert werden soll und die Halbwertsdicke von Blei 5 mm beträgt?

3. An einer Röntgenanlage wird in 50 cm Fokusabstand eine Energiedosisleistung von 8 Gy/min gemessen. Wie groß ist die Energiedosisleistung unter Annahme eines punktförmigen Röntgenfokus in einem Fokusabstand von 1 m?

4. Ein Patient mit Schilddrüsenüberfunktion hat radioaktives Iod-131 erhalten, damit sein Schilddrüsengewebe teilweise zerstört wird. Iod-131 ist ein ß- und γ-Strahler, wobei die ß- -Strahlung praktisch vollständig im Körper absorbiert wird. Der Patient wird als punktförmige γ-Strahlenquelle angesehen. Bei Entlassung aus der stationären Behandlung beträgt die (Äquivalent-)Dosisleistung 3,5 μSv/h (das ist in der Medizin angeführte Obergrenze) in 2 m Entfernung. Etwa wie groß ist in 6 m Entfernung die vom Patienten erzeugte Dosisleistung?