Strahlenbiologie

Strahlenschäden

Strahlung kann auf vielfältige Weise auf den Organismus einwirken. Grundsätzlich kann als erster Schritt der Wirkung eine Energieabgabe durch die Strahlung an eine biologische Struktur angesehen werden. Eine solche Energieabgabe findet in der Regel an einer molekularen Struktur in der Zelle oder im Zellkern statt. Die Strahlung kann direkt auf die DNA (die informationstragende Struktur jeder Zelle) treffen und dort Veränderungen erzeugen. Energieabgaben können aber auch (sehr viel häufiger) in der Zellflüssigkeit stattfinden und dort reaktive Moleküle, wie z.B. Radikale erzeugen, die in der Zelle weitere Schäden anrichten können. Als relevante molekulare Schäden werden in der klassischen Strahlenbiologie allerdings lediglich bestimmte Veränderungen an der DNA betrachtet.

Reparaturmechanismen

Jeder Organismus besitzt praktisch für alle DNA-Schäden spezifische Reparaturmechanismen, da all diese Schäden auch durch alltägliche biologische Vorgänge oder auch natürliche Umwelteinflüsse erzeugt werden können. Diese Reparatursysteme sind extrem genau und effizient. Dennoch können sehr selten Fehler bei der Reparatur auftreten und sich manifestieren. Als einer der folgenschwersten DNA-Schäden werden Fehlreparaturen infolge von so genannten Doppelstrangbrüchen an der DNA betrachtet. Hierbei handelt es sich um molekulare Brüche an den jeweils gegenüberliegenden Phosphor-Zucker-Strängen der DNA-Doppelhelix.  

Um Doppelstrangbrüche zu erzeugen, ist jedoch ein gewisser Aufwand notwendig. Bei einer Strahlenart mit geringer Ionisationsdichte (ausgedrückt durch den Linearen Energietransfer, LET), wie z.B. Röntgenstrahlung, ist die Wahrscheinlichkeit klein, dass ein einziges "Strahlungsteilchen" beide Teile der DNA-Doppelhelix trifft, oder dass ausreichend viele Radikale erzeugt werden, um mehrere Schäden an einem Ort der DNA zu erzeugen. In diesem Fall müssen also sehr viele Photonen gleichzeitig die DNA treffen, um Doppelstrangbrüche erzeugen zu können.

Dagegen durchschlägt Strahlung mit großem LET (z.B. Alpha-Strahlung) sehr oft direkt beide Stränge der DNA bzw. erzeugt gleichzeitig sehr viele Radikale. Strahlung mit großem LET ist demnach also biologisch wirkungsvoller als Strahlung mit kleinem LET. Da ein großer LET jedoch auch bedeutet, dass die Strahlung, die von außen auf den Organismus trifft, nicht sehr weit in die Materie eindringen kann, kann uns die Haut vor inneren Strahlungsschäden weitgehend schützen. Wird allerdings beispielsweise radioaktives Material, das Alpha-Strahlung (großes LET) aussendet, verschluckt oder eingeatmet, kann es jedoch schwere Schäden anrichten (mehr dazu hier).

Klassen von Strahlenschäden

Aufgrund der unterschiedlichen zellulären Wirkungsmechanismen unterscheidet man, insbesondere auch für konzeptionelle Zwecke des Strahlenschutzes, qualitativ zwei Klassen von Strahlenwirkun­gen: Deterministische und Stochastische Effekte. Diese beiden Klassen unterscheiden sich hinsichtlich der zugrunde liegenden interzellulären und organischen Effekte, der Dosis-Wir­kungs­beziehungen, sowie der ihnen zugeordneten Strahlenschutzgrundsätze.

Zellen, deren durch Strahlung erzeugte DNA-Schäden nicht repariert werden, sterben ab. Auch Zellen, bei denen eine Reparatur fehlerhaft verlaufen ist, können dies erkennen und einen "kontrollierten Selbstmordprozess" (Apoptose) auslösen. Biologische Wirkungen, deren Ursache in solchen Zelluntergängen bestehen, heißen deterministische Strahlenwirkungen (demnächst "gewebliche Effekte" genannt). Zu dieser Klasse von Strahlenwirkungen gehören Blutbildveränderugen (Untergang von Blutzellen), Hautveränderugen (Dermatosen), Hautrötungen (Erytheme), andere Zellveränderungen (z.B. Fibrosen), Übelkeit, Erbrechen (Zelluntergang im Magen-Darm-Trakt) bis hin zum Tod (Funktionsverlust von Organen). Deterministische Strahlenwirkungen terten nur bei sehr großen Strahlendosen und nur bei massivem Zelluntergang auf.

Bei den deterministischen Strahlenwirkungen  handelt es sich also um gewebliche Effekte, denen ein durch Strahlenexposition hervorgerufener hoher Anteil von Zellunter­gang bzw. massive Zellschädigung zugrunde liegt. In einer strahlenexponierten Gruppe zeigt jeder Exponierte nach Überschreiten einer bestimmten (u.U. individuell verschiedenen) Dosisschwelle einen Effekt. Die Wirkung ist daher determiniert.

Deterministische Strahlenwirkungen:

Wirkung aufgrund von massivem Zelluntergang
  • Die Größe des Effekts ist abhängig von der Dosis
  • Es existiert eine Schwellendosis, unterhalb derer eine Wirkung vollkommen aus­bleibt
Deterministische Strahlenwirkungen können im Strahlenschutz grundsätzlich vermieden werden.

Auf dem Prinzip der Abtötung von Tumorzellen durch Strahlung, also deterministische Strahlungsschäden beruht die Wirkungsweise der Strahlentherapie. Im Strahlenschutz können determinitische Strahlenwirkungen grundsätzlich und vollständig vermieden werden.

Bei stochastischen Strahlenwirkungen handelt es sich um autonome Effekte als Folge der Verände­rung von genetischer Information an einer einzelnen (überlebenden) Zelle nach Strahlenexposition. Für diese Klasse von Strahlenwirkungen wird angenommen, dass das Auftreten eines Effekts statisti­schen (stochastischen) Gesetzmäßigkeiten und Verteilungen unterliegt. In einer strahlenexponier­ten Gruppe haben zwar alle Exponierten im Mittel ein gleichverteiltes Risiko, d.h. eine gewisse dosis­abhängige Wahrscheinlichkeit, dass ein stochastischer Effekt auftritt. Zur Ausprägung des Effekts (z.B. einer Krebserkrankung) kommt es jedoch nur bei sehr wenigen Exponierten, wäh­rend der Großteil der Betroffenen völlig unbeeinträchtigt bleibt.

Stochastische Strahlenwirkungen:
  • Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Effektes ist abhängig von der Dosis (mit der Dosis wächst die Anzahl der getroffenen Zellen)
  • Die Größe (Ausprägung) des Effektes ist unabhängig von der Dosis (Energie pro getroffene Zelle dosisunabhängig)
  • Es gibt keine Schwellendosis und es besteht ein linearer Dosiswirkungszusammen­hang für kleine Dosen
Für stochastische   Strahlenwirkungen gibt es keine Dosis, unterhalb derer die Strahlung  völlig unwirksam bleibt.

Der Schutz vor stochastischen Strahlenwirkungen steht beim Strahlenschutz im Vordergrund.

RBW

Nicht alle Zellen reagieren gleich auf eine Strahlenexposition. In Abhängigkeit von der Strahlenart, Energie, Gesamtdosis, Dosisleistung, Zellart und einigen anderen Parametern kommt es zu unterschiedlichen Strahlungsschäden. Um diese Unterschiede quantifizieren zu können, wird in der Strahlenbiologie die Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) verwendet. Die RBW gibt den Faktor an, um den eine Teststrahlung stärker auf das biologische System wirkt als eine Vergleichsstrahlung bzw. wieviel mehr Dosis einer Vergleichsstrahlung benötigt wird, um den gleichen biologischen Effekt zu erzielen.

Wichtungsfaktoren

Um den unterschiedlichen Wirkungen verschiedenen Strahlungsarten bei gleicher Dosis auch im Strahlenschutz Rechnung zu tragen, wurde der s.g. Strahlungs-Wichtungsfaktor eingeführt. Beispielsweise sind Alpha-Teilchen deutlich schädlicher als Photonen und haben daher einen Strahlungs-Wichtungsfaktor von 20, im Vergleich zum Strahlungs-Wichtungsfaktor von 1 für Photonen- oder Elektronenstrahlung. Für Neutronen wurden in verschiedenen Energiebereichen unterschiedliche Wichtungsfaktor festgelegt.

Die einzelnen Organe und Zelltypen sind unterschiedlich empfindlich gegenüber Strahlung. Diese Unterschiedlichkeit wird im Strahlenschutz mittels der Gewebe-Wichtungsfaktoren berücksichtigt. Beispielsweise ist die Leber deutlich strahlenunempfindlicher als die Zellen des Magens (Wichtungsfaktoren 0,04 bzw. 0,12).