Physik Dozent: Thorsten Nagel Vortrag: Radioaktive Strahlung

Physik
Dozent:ThorstenNagel
Vortrag:RadioaktiveStrahlung
SimonG.
14.12.2015
Radioaktive Strahlung und Materie - biologische Folgen und medizinische Anwendung
1. Begriffe:
Energiedosis: Gesamtwirkung von Strahlung auf Materie heißt Dosis. Die Energiedosis ist die
mittlere bei einer Bestrahlung mit ionisierender Strahlung von einem Medium lokal
absorbierte Energie geteilt durch die Masse des bestrahlten Mediums. Die Einheit:
1 Gy = 1J/kg („Gray“)
Reichweiten in Wasser bzw. organischem Gewebe (Luft: 1000x weiter):
Teilchen
Energie
Reichweite
α
5 MeV
40µm
β
1 MeV
7 mm
γ
1 MeV
65 m
2. In der Zelle:
-Die menschliche Zelle besteht zu 80% aus Wasser. Ansonsten aus Proteinen, Enzymen,
Lipiden und DNS, RNS.
-Radioaktive Strahlung ionisiert direkt (α,β-Strahlung) oder indirekt (γ-Strahlung) Atome und
Moleküle. Dabei entstehen chemisch aggressive Stoffe: Radikale, Zellgifte oder es werden
direkt chemische Verbindungen zerstört.
-Ionisierende Strahlung: Ionisierender Strahlung ist es möglich, Elektronen aus den
Atomhüllen der bestrahlten Atome zu lösen. Es sind zwischen 10-19 (Bindungsenergie innerer
Hüllenelektronen) und 10-16 (äußere) J Korpuskel- (Alpha- und Betazerfallà Stöße) oder
Photonenenergie (Gammastrahlung àEnergieübertragung) benötigt.
Ionisierung durch Gammastrahlung:
-Photoeffekt: Ein Photon setzt ein
negativ geladenes Elektron aus inneren
Schalen der Atomhülle frei. Das Atom
bleibt positiv geladen zurück, während
das Elektron e- durch seine kinetische
Energie das umliegende Gewebe
ionisiert und dadurch abgebremst wird.
-Comptomeffekt: Ein Elektron aus der
äußeren Schale wird durch Auftreffen
des Photons aus der Schale gelöst.
-Radikale:
Elektrisch
neutrale
Einzelatome mit einem ungepaarten Elektron.
-Am meisten ist das Zellplasma von der Ionisierung betroffen. (Radiolyse des Zellplasmas).
-Die entstehenden Radikale stehen in aggressiver Wechselwirkung mit Biomolekülen in der
Umgebung und verändern die chemische Struktur dieser Moleküle, da sie zum Beispiel
Wasserstoffbrückenbindungen zerstören. (Enzyme, Proteine, DNS)
[GebenSieTextein]
Auswirkungen direkter und indirekter Strahlenwirkung an der DNS:
Abb.2:HannoKrieger:GrundlagenderStrahlungsphysikunddesStrahlenschutztes.2.Aufl.S.382
A: Direkte Strahleneinwirkung an der DNS durch Elektronen und Alphateilchen.
B: Indirekte Strahleneinwirkung über die Bildung von Radikalen (OH), die die DNS-Struktur
zerstören.
-Schäden an der DNS sind gravierend, während Schäden an den Zellorganellen nur bei
quantitativ sehr hohem Vorkommen an allen Organellen zugleich den Zellstoffwechsel zum
Erliegen bringen.
-Veränderungen der DNS führen zu Mutationen und gegebenenfalls zu Veränderungen der
Zellstruktur, wenn diese Veränderungen auf genetischer Ebene (Einzelstrangbruch,
Doppelstrangbruch, Basenschaden) nicht vor oder nach der Mitose (Zellreplikation) durch
einen der zelleigenen Reparaturmechanismen korrigiert wurden.
3. Folgen der Strahlenexposition
-1900: Clarence Madison Dally, der Assistent von Thomas Alva Edison arbeitete an einem
Röntgengerät für die breite Masse. (siehe Spiegelartikel „Ich habe meinen Tod gesehen“,
12.11.2015) Folgen seiner Arbeit waren:
-Haarausfall, Verbrennungen an Händen, Geschwüre im Gesicht und an der Testhand,
die zum Teil sich als Karzinome erwiesen. Es folgten die Amputation von Fingern,
Händen und Armen.
Man unterscheidet deterministische und stochastische Schäden:
-Deterministisch: Durch die kollektive Zerstörung bestrahlter Zellen hervorgerufen.
Frühschäden: Hautrötung, Spätschäden: z.B Veränderungen der Gewebestrukturen,
Versagen der Drüsenfunktionen etc.
Stochastisch: Durch nicht direkt zum Zelltod führende Erbgutveränderungen
hervorgerufen.
-z.B. Karzinombildung und die Vererbung genetischer Defekte an Nachkommen wie
Trisomie 21 ( oder Doppelstrangbrüche à Ringchromosome)
-Meist durch Bestrahlung von Keimzellen bedingt.
- Die Bestrahlung von schwangeren Frauen ist höchst gefährlich, da die Zellteilung bei
Embryonen und Feten deutlich höher ist als bei Erwachsenen. Unabhängig von der
Intensität der Bestrahlung ist die Gefahr von Tumoren, Leukämien und vererbbaren
Defekten gegeben. (Abgesehen davon ab 100mSv ist mit letalen Wirkungen zu
rechnen)
-Die Abschätzung von stochastischen Schäden geschieht vor allem auf Basis von
Daten der überlebenden Atombombenopfer von Hiroshima und Nagasaki.
[GebenSieTextein]
4. Anwendung von radioaktiver Strahlung in der medizinischen Diagnostik und Therapie:
Beispiel für die diagnostische und therapeutische Anwendung von Iod-131 zur Behandlung von
u.a. Schilddrüsenüberfunktionen (Hyperthyreose).
Neben Röntgen oder der Computertomographie (ionisierende Gammastrahlung) und
Ultraschall oder Magnetresonanz (MR) (nicht ionisierende Strahlung) wird in der
Nuklearmedizin mit offenen Strahlungsquellen gearbeitet, welche meist inkorporiert werden
(eingeatmet, geschluckt, intravenös etc.).
-Die Radioiodbehandlung ist eine der ältesten therapeutischen Anwendung von radioaktiven
Substanzen. (Erstmals 1942 durch S. Hertz und A. Robert an einer Hyperthyreose)
-Heute wird Iod-131 zur Behandlung von Schilddrüsenüberfunktionen aber auch von -Tumoren und -Karzinomen verwendet.
-Iod-131 ist ein β--Strahler mit nachfolgender Gammastrahlung des Tochternuklids Xe-131.
-Der Betastrahler Iod wird zur Therapie von z.B. Tumoren verwendet, die Gammastrahlung
zur klassischen nuklearmedizinischen Diagnostik (Szintigraphie) eingesetzt.
-Das Iod wird meist oral in Kapseln eingenommen.
-Iod reichert sich ausschließlich in der Schilddrüse an. Das Iod wird dort zur Hormonsynthese
verwendet. Alle anderen Organe bleiben weitestgehend von der Strahlenbelastung
ausgenommen.
-Die Halbwertszeit im Körper beträgt ca. 6 Tage. (Bei starker Überfunktion 4 Tage)
-Die Behandlung geschieht in Deutschland stationär und dauert 48 Stunden, da das Iod bzw.
Xe weiterhin Gammastrahlung erzeugt.
1. Therapie:
-Der Therapie dient der betastrahlende Zerfall des Iods, der Gammazerfall der
diagnostischen Bildgebung.
-Betastrahler besitzen im Gewebe eine Reichweite von Millimetern: Im Falle des Iod131
2-3mm.
-Lokal treten bis zu 400Gy auf, die bei einer Bestrahlung von außen nicht erreicht werden
könnten (max. 50-70 Gy), ohne umgebenes Gewebe einer klinisch relevanten
Strahlenexposition auszusetzten.
-Da das Iod zur Hormonsynthese verwendet wird, reichert es sich im aktiven Bereich der
Schilddrüse besonders an. Dadurch werden die aktiven Stellen der Schilddrüse zerstört.
2. Diagnostik: Radioiod-Test
-Die Gammastrahlung des Tochternuklids kann zur Überprüfung der Anreicherung
genutzt werden, da genau beobachtet werden kann, in welchen Bereichen der Schilddrüse
sich das Iod angereichert hat und in wie weit es schon in der Hormonsynthese verbaut
wurde.
-Dazu wird eine Gammakamera verwendet, die auf dem Prinzip von Szintillationszählern
funktionieren.
-Nach der Therapie ist die Schilddrüse meist zum Großteil funktionsunfähig. Der Patient
muss mit künstlichen Schilddrüsenhormonen die Unterfunktion ausgleichen.