Über die biologische Strahlenwirkung

23. Über die biologische Strahlenwirkung

 
Die Strahlenbiologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Wirkung von Strahlung auf die lebende Materie befasst. Sie analysiert die Wechselwirkung de Wissenschaft kann sie als reine Grundlagenforschung oder als angewandte Forschung ausgeübt werden. Die Strahlenbiologie schafft einerseits Grundlagen für die Strahlenttherapie und die Nuklearmedizin und liefert anderseits wesentliche Daten zur Erfassung, Behandlung und zur Vermeidung von Srahlenschäden. Sie legt somit auch die Basis für die Ableitung von Strahlenschutzgrenzwerten sowie für praktisch-organisatorische Massnahmen des Strahlenschutzes. Des weiteren liebensprozesse und zur Erforschung der Vererbung und Evolution der Lebenwesen.

Wir leben in einem „Strahlenraum”. In Industrieländern beträgt die mittlere jährliche Strahlenbelastung der Bevölkerung nach Tschernobyl etwa 3.0 mSv. Etwa 2/3 stammen aus natürlichen und 1/3 aus künstlichen Strahlenquellen /IAEA, UNSCEAR, ICRP/.

Die wichtigeren fachteilen der Radiobiologie aind:
Allgemeine, experimentelle, klinische, militärische /kosmische/ und umweltmedizinische Richtungen.

Die Energieübertragung der Strahlung auf das biologische Objekt ist von grosser Bedeutung. Dafür gilt das Grotthus-Drapersche Gesetz. Von einer auf ein biologisches Objekt treffended ionisierenden Strahlen wir nur der absorbierte Anteil wirksam. Ohne Strahlungsabsorption haben wir keine biologische Wirkung.

Die „elementare Wirkung von Strahlen” hat, als Prozess, die nächsten 4 Phasen: 1./ physikalische,
2./ physikochemische, 3./ chemisch-biochemische und 4./ biologische Phase. Die biologische Strahlenwirkung kann : a./ bionegative, b./ biopositive und c./ kumulative sein.
Eine Energieübertragung kann entweder direkt auf das biologische Molekül erfolgen, oder es können Zwischenstufen eingeschaltet sein. In diesem Falle kommt es erst zur Energieübergabe an diffusible Radikale. Es liegt hier alsó ein indirekter Weg vor. Die direkte Wirkung einer ionisierenden Strahlung ist dadurch, gekennzeichnet, dass die Energieabsorption im empfindichen biologischen Molekül selbst erfolgt. Bei der indirekter Wirkung enstehen durch die ionisierende Strahlung diffusible Radikale. Erst sekunderwird die Strahlen energie an die Makromileküle weitergegeben. Energieabsorption und biologische Wirkung erfolgen also in verschiedenen Molekülen /Th.Hermann, 1978., J.Kiefer, 1981., G.G.Steel, 1993./. Die indirekte Wirkung wird durch die Erzeugung diffusibler Radikale ausgelöst.

Eine weitere, heute vielfach verwendete Einteilung der ionisierenden Strahkungseffekten ist die deterministische /d.h. nicht-stochastische/ und stochastische. Die deterministischen Strahlenschäden sind solche Schäden, deren Schweregrad mit der Dosisbelastung zunimmt und die erst oberhalb bestimmter Werte der Strahlenbelastung klinisch nacheisbar werden. Die stochastischen Strahlenwirkungen sind solche Schäden, für die die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens mit der Strahlenbelastung zunimmt und deren Schweregrad nicht dosisabhängig ist. Derartige Schäden sind z.B. Tumoren, u.s.w..
Die Strahleneffekte werden im weiteren zwei Kategorien eingeteilt: 1./ in somatische und 2./ genetische Effekte. Somatische Schäden manifestieren sich direkt im bestrahlten Organismus während genetische Schäden erst bei den Nachkommen sichtbar werden.

Es gibt keine Srahlensensibilität und Resistenz, die absolute sind. Bergonié und Tribondeau /1906/ stellten fest, dass die Strahlenempfindlichkeit einer Zelle /eines Gewebes/ ist direkt proportional deren Vermehrungsbereitschaft /reproduktiver Aktivität/ und indirekt proportional dem morphologischen Differenzierungsgrad der Zellen /des Gewebes/. Die Regel von Bergionié und Tribondeau ist aus historischen Gründen allein auf morphologische Veränderungen orientiert /Zelltod, als Kriterium! /, /Th.Herrmann, 1978./.Dennoch, einige Zahl von Ausnahmen sind bekannt,/J.Keifer, 1981./.

Wegen ihrer Funktion als Träger der genetischen Information nehmen die DNS in der Radiobiologie eine bevorzugte Stellung ein. In der Strahlenwirkung ist die DNS das primäre Zielobjekt /primary target/. Die wichtigsten Schädigungen von Molekül sind: 1./ Verlust und Veränderung von Basen, 2./ Bruch der Wasserstroffbindungen zwischen den Polynukleotidketten, 3./ Polynukleotidkettenbrüche /Einsel- und Dopplerstragbrüche, 4./ Vernetzunger der verschiedenen Moleküle, 5./ partielle Denaturierungen und 6./ multiplex laesio /bulky laesio/. Die Zellen sind in der Lage durch spezielle enzymatische Systeme Strahlenschädigungen an diesen Molekülen zu reparieren, Die strahlenbiologischen Konsequenzen besser verstehen zu können, hilft uns der folgende Algorytmus:

DNS RNS Polypeptidkette Struktur Funktion

Genotypus Phenotypus

 
Als charakteristische Angabe wird die Ionisationsdichte- d.h. die Zahl der Ionisationsereignisse entlang der bahn des Teilchens /Photons/ verwendet.
Ein Mass für die Energieabgabe der Teilchen pro Wegstrecke dient der lineare Energietransfer /LET/, deren Einheit in einet bestimmten Stoff keV/ um ist.”… Für die Charakterisierung der biologischen mit höheren LET weisen grössere biosept, haben wir zweerleie Strahlungsart: 1./ als locker ionisierende und 2./ dicht ionisierende Strahlen.

Die Untersuchungen über die biologische Wirkung zeigen, dass sich trotz gleicher Dosis deutliche quandtitative Unterschiede bei den verschiedenen Strahlenarten erkennen lassen. Die Relative Biologische Wirkensamkeit /RBW, RBE/ lässt sich die unterschiedliche biologische Wirkung nach Exposotion mit verschiedenen Strahlenarten quantitativ beschreiben. Für diesen Zweck haben wir die sogenannten Qualitätsfaktoren /QF/. Die QF-Werte sind: Röntgen-, Gamma- und Beta-Strahlen l, schnelle Neutronen 10, Alpha-Strahlung 20.

Der Sauerstoffeffekt ist in der Strahlen biologie ein ausserst wichtiges phenomän. Durch Sauerstoff kann eine Strahlen sensibilisierung auftreten. Eine Hypoxie führt zu einer Verminderung dder Reaktionen. Dieser Effekt hängt wahrscheinlich mit seiner reaktionsbegünstigenden Wirkung auf strahlenchemische Prozesse zusammen. Die Sauerstoff-Sensibilisierung wird durch den oxygen-enhancement-radio /OER/ ausgedrückt.

Die bekannten Verlaufsformen der akuten /frühen/ Strahlensyndromen sind: 1./ hämatologische, 2./ gastrointestinale, 3./ kutane und 4./ neurologische /ZNS/ Stahlenkrankheit. Die prognostische Kategorien zeigen vier Variationen: 1./ Heilung sicher, 2./ wahrscheinliche, 3./ unwahrscheinliche, vielleicht mögliche und 4./ Rekonvaleszenz, oder Terminal-Phase. Die Intensität und das Ausmass des Verlaufes sind dosisabhängig /V.P.Bond, Th.M.Fliedner und J.O.Archambeau, 1965./.
Die hämatologische Form der Strahlenkrankheit ist von grosser Beeutung, weil sie ein solches Desisbereich determiniert, in dem der Strahlenbiologe-Arzt mit Hoffnung von Erfolg sich eingreifen kann.
Strahlenschäden, die erst nach einer Latenzzeit von Monaten oder Jahren nach der Bestrahlung klinisch manifest werden oder die die natürlichen Lebenserwartungen des Lebenwesens verkürzen, bezeichnet man als späte oder verzögerte somatische Effekte / unspezifische Lebenverkürzung, Leukämien, maligne Tumoren, hautveränderungen, Katarakta, Dermatitis, Atrophie, Teleangiektasie, Ulzerationen, Keratosen, u.s.w./.

Teratogene Effekte sind in höherem Masse vom Bestrahlungszeitpunkt abhangig. Sie werden vor allem während der Organogenese induziert. Sämtliche heranwaschsenden Lebenwesen zeigen eine Strahlensensibilität, die grösser als bei den erwaschsenen Individuum ist. Die in utero Entwicklung hat drei Phasen, in denen die Strahlung meist kopmlexe Schaden lösen kann. 1./ Die Blastogenese bis 15.Tag./Alles- oder Nichts Gesetz!/, 2./ die Organogenese in 16.-42.Tag /Missbildungen, Tod von Embryos ist seltener/ und 3./ die Fetogenese von 43. Tag bis Geburt /Missbildungen in Zentralnervensystem und Augen/.

Die laboratorische Diagnostik der akuten Strahlenkrankheit hat innenmedizinischen Charakter. Neuere Ergebnisse der markerdiagnoszik bedeuten weitere Erleichterungen /Zytogenetik, Mikronukleus, Komet-assay, in situ hybridisation, Denaturation-Gelelektrophorese, DNS Sequentia-Analyse, u.s.w./. Die Sammlung ind die Lagerung der Untersuchungsmaterialien sind von grösster Bedeutung /Blut, Urin, Faeces, Erbrechen, Haar, Nagel, Schweiss, Speichel, u.s.w./.
Die therapeutischen Grundprinzipien sind: 1./ sorgfaltige, Indikation, 2./ individuelle Planung, 3./ Beseitigung der Zytopenien und der Ursachen. Die klinische Einteilung und Therapie hängt erster Stelle von führenden Symptomen ab.

 
1./ V..P.Bond, Th.M.Fliedner and J.O:Archameau: Mammalian radiation lethality.Acad.Press, new York, 1965.

2./ Várterész, V.: Strahlenbiologie.Akad.Verlag, Budapest, 1966.

3./ IAEA: Manual on Radiation Hematology. Technical Report Series No.123., A Joint undertaking by IAEA and WHO, IAEA, Vienna, 1971.

4./ B.Choné: Hämatologische Funkcionsdiagnostik in der Radiologie. Urban et Schwarzenberg, München-Berlin-Wien, 1974.

5./ Th.Herrmann: Klinische Strahlenbiologie – kurz und bündig. VEB G.Thieme Verlag, Jena 1978.

6./ J.Kiefer: Biologische Strahlenwirkung, Springer Verlag, Berlin-Heiddelberg-New York, 1981.

7./ NRC: Biologic marker sin immunozoxicology. National Research Council, Washington, D.C. /USA/, 1992.

8./ G.G.Steel: Basio Clinical Radiology for Radiation Oncologist. E.Arnold Publ., London-Boston-Melbourne-Aokland, 1993.

9./ M.Wetzke und Ch.Happle: Basics Bildgebende Verfahren. Urban et Fischer Verlag, München, 2009.

 
1./ Wieviel Phasen hat die elementare Strahlenwirkung?

2./ Was versteht man unter LET? RBW und OER?

3./ Was versteht man unter Stochastik der der Strahlenwirkung?

4./ Nennen Sie strahlenbedingte Schädigungsformen der DNS und erklärren Sie diese!

5./ Welcher Latenzzeit treten die strahleninduzierten Katarakten auf?

6./ In wechler zwei Kategorien teilt man die Strahleneffekte ein?

7./ Erklären Sie die Begriffe stochastische und deterministische /non-stochastische/ Strahleneffekte!

8./ Durch welche Kategorien des Krankheitsverlaufs wird das akute Strahlensyndrom charakterisiert?

9./ Was versteht man unter kombinierten Strahlenschäden?

10./ Wie gross ist die natürliche Strahlenbelastung des Menschen?

11./ Welche Schäden sind nach Bestrahlung von Embryonen und Föten zu erwarten?

12./ Beschreiben Sie die Strahlenwirkung von Energieabsorption bis zum sichtbaren biologischen /klinischen/ Effekt!

13./ Die Regel von Bergonié und Tribondeau /1906/.

14./ Welche biologischen Faktoren beeinflussen die biologische Strahlenwirkung?

15./ Das Grotthus-Drapersche Gesetz.

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