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Biologische Wirkungen ionisierender Strahlung und Risiko durch niedrige Strahlendosen Alexander Kaul • AAAAAAAAA • 1 Eine neue Art von Strahlen BBBBBBBBBB 2 Strahlenarten und Strahlenwirkungen • AAAAAAAAA 3 Zelluläre Strahlenwirkungen • AAAAAAAAA 4 Deterministische Effekte 5 Stochastische Effekte 6 Strahlenwirkungen in utero 7 Natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition und deren Risiken 41. Radiometrisches Seminar Theuern, 27. Mai 2005 • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Vorläufige Mitteilung Röntgens „Über eine neue Art von Strahlen“ ( am 28. Dez. 1895 dem Vorsitzenden der Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft Würzburg als Manuskript überreicht) • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Aufnahme der Hand von Frau Röntgen am 22.12.1895 und von Prof. von Kölliker am 23.1.1896 am Phys. Inst. der Univ. Würzburg • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Zusammengesetztes Röntgenphoto eines Patienten, Zehnder, 1896 Bericht über die Sitzung des ärztlichen Vereins in Hamburg am 7. Oktober 1902: „Herr Frieben demonstriert ein Cancroid des rechten Handrückens, das sich nach einer langjährigen Einwirkung von Röntgenstrahlen bei einem 33-jährigen Mann entwickelt hat. • AAAAAAAAA Derselbe gebrauchte als Angestellter einer hiesigen RöntgenröhBBBBBBBBBB renfabrik vier• Jahre hindurch seine Hände als Testobjekt. … Im Juni 1901 bildeten sich am rechten Handrücken kleine Ulzerationen, • AAAAAAAAA die als Röntgenulkus gedeutet wurden. … • AAAAAAAAA Auf dringenden Rath fand Aufnahme ins Eppendorfer Krankenhaus statt, wo der Herr Oberarzt Dr. Sick die Diagnose auf Karzinom gestellt hat. …Die histologische Untersuchung der Geschwulstränder ergab ein typisches Cancroid. … “. (Cancroid: Plattenepithelkarzinom) Bereits 1902 erkannte Gefahr von hohen Röntgenstrahlendosen • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Arzt in Strahlenschutzkleidung um 1910 1 Strahlenarten und Strahlenwirkungen AAAAAAAAAunterschiedlicher Strahlenarten →• Wechselwirkung biologischen Strukturen • mit BBBBBBBBBB AAAAAAAAAbiologischer Strahlenwirkungen: →• Systematisierung Deterministische Strahlenwirkungen • AAAAAAAAA Stochastische Strahlenwirkungen → Zusammenfassung 2-dimensionale Darstellung der Wechselwirkungsprozesse von geladenen Teilchen mit biologi- • AAAAAAAAA scher Materie: • obere Spur: Elektronen, BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA 2 nm Anfangsenergie 500 eV; untere Spur: Alphateilchen, Anfangsenergie 4 MeV; offene Kreise: Ionisationen geschlossene Kreise: Anregungen Wechselwirkung unterschiedlicher Strahlenarten: Elektronen, Alphateilchen Art und Energie LET der Teilchen (keV/μm) • AAAAAAAAA Lin. Energy Transfer LET: Elektronen, 0,2 – 10 BBBBBBBBBB 1 MeV - 1 keV • (locker ionisierend) Protonen, Alphateilchen, 10 – 100 • AAAAAAAAA Neutronen (dicht ionisierend) schwere geladene 2 000 • AAAAAAAAA Teilchen (dicht ionisierend) wie Kerne des C, Ne, Si Strahlenbiologie verwen- In der experimentellen dete Grösse, um die Strahlenqualität mit der zellulären Wirkung der Strahlung zu korrelieren Mittlerer Energieverlust LET von geladenen Teilchen entlang der Bahn der Teilchen durch Materie Direkte Wechselwirkung: Ionisation und Anregung Indirekte Wechselwirkung: Bildung reaktiver freier Radikale • AAAAAAAAA Sofortwirkungen: Veränderung der Struktur und Funktion von Biomolekülen • BBBBBBBBBB Frühwirkungen: • Funktionsstörungen von Organen, AAAAAAAAA Stoffwechselstörungen, Blutbildveränderungen • AAAAAAAAA Spätwirkungen: • • somatisch: Funktionsstörungen von Organen, Entstehung von Malignomen genetisch: Auftreten von Erbschäden in späteren Generationen Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit biologischer Materie (Biomoleküle, Zellen) und Folgen Tissue and whole body effects Physikalisch-chemische Ereignisse laufen sehr schnell ab (Ionisationen, Anregungen: grössenordnungsmässig 10-12 s; Bildung von Radikalen und Radikalwechselwirkungen: 10-6 s bis maximal Sekunden); Cellular effects • AAAAAAAAAenzymatische Wirkungen wie Reparatur Enzymatic actions ( repair/fixation of damage ) • bzw. Induktion des Schadens verlaufen BBBBBBBBBB nach Strahlenexposition bis zu Minuten; Formation of radicals • AAAAAAAAAzelluläre Effekte entstehen in Stunden and radical interactions Ionisations and excitations 1 min 1 year und bis zu Tagen; • AAAAAAAAA Seconds biologische Manifestationen von Schäden in Geweben, Organen oder Organismen können über Jahre verzögert oder erst in zukünftigen Generationen auftreten. Zeitlicher Verlauf der physikalischen und biologischen Strahlenwirkungen Deterministische Effekte Verlust der Organfunktion als Folge der strahlenbedingten letalen Schädigung von Zellen oder des Verlustes des Proliferationsvermögens der Zellen und damit der Zellrepopulation. Oberhalb einer Schwellendosis wird dieser Verlust der Organfunktion klinisch beobachtbar und nimmt mit steigender Dosis • AAAAAAAAA zu. • BBBBBBBBBB Stochastische Effekte (somatisch, genetisch) Nicht-letale • strahlenbedingte AAAAAAAAA Schädigung einer Zelle in Form einer Modifikation der Eigenschaften der Zelle ohne EinschränAAAAAAAAA kung des •Proliferationsvermögens. Folge der Modifikation kann eine maligne Entartung der Zelle sein (somatische Strahlenwirkung) oder eine Änderung der Erbinformation (genetische Strahlenwirkung). Die Wahrscheinlichkeit der Induktion einer derartigen Strahlenwirkung nimmt im allgemeinen ohne Schwellenwert poportional dem Betrag der Dosis zu. Definition der biologischen Strahlenwirkungen Wechselwirkung von Strahlung mit biologischer Materie: Ionisation und Anregungen Der Lineare Energie-Transfer LET beschreibt den mittleren Energieverlust geladener Teilchen entlang der Bahn durch Materie • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Der zeitliche Verlauf der physikalischen und biologischen Strahlenwirkungen•reicht von Pikosekunden bis zu Jahren AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Biologische Strahlenwirkungen sind deterministische Effekte, d.h. Verlust von Organfunktionen, und stochastische Effekte, d.h. maligne Entartung einer Zelle bzw. Änderung der Erbinformation Strahlenarten und Strahlenwirkungen: Zusammenfassung 2 Zelluläre Strahlenwirkungen • AAAAAAAAA → Schädigung der Zellteilungsfähigkeit in Abhängigkeit • von BBBBBBBBBB der Strahlenart, Dosisrate und Relativen BioloWirksamkeit • gischen AAAAAAAAA → DNA - Schäden AAAAAAAAA →• Reparaturmechanismen → Fraktionierung → Dosis -Wirkungsbeziehungen → Zusammenfassung 1: 250 kVp – Röntgenstrahlen (2,5 keV/μm) 3: 3,0 MeV – Deuteronen (20 keV/μm) 5: 8,3 MeV – Alphateilchen (60 keV/μm) 8: 2,5 MeV – Alphateilchen (165 keV/μm) • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA Gesetzmässigkeit: Die Dosis-Effekt-Kurve für die dünn ionisierenden Röntgenstrahlen verläuft am flachsten und • stark AAAAAAAAA zeigt eine ausgeprägte Schulterregion. Sie ist Hinweis für Zellreparatur und anschliessende Repopulation durch Zellproliferation. Mit zunehmendem LET werden die Kurven steiler, wobei die Schulter kleiner wird und schliesslich ganz verschwindet (keine nennenswerte Reparatur!). Inaktivierung menschlicher Nierenzellen mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten bzw. LET-Werten • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Spaltneutronen: 0,5 dizentrische Chromosomen pro Zelle bei einer Energiedosis von 0,5 Gy 250 kVp Röntgenstrahlen: 0,5 dizentrische Chromosomen pro Zelle bei einer Energiedosis von 2,5 Gy Relative Biologische Wirksamkeit RBW: 2,5:0,5 = 5 d.h.Quotient der Energiedosen einer Referenzstrahlung von niedrigem LET (250 kVp Röntgenstrahlung) und der Teststrahlung (hier: Spaltneutronen) bei identischem biologischem Effekt (hier: Zahl dizentrischer Chromosomen pro Zelle). Relative Biologische Wirksamkeit RBW • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA DNA: • AAAAAAAAA Polynukleotidkette, die meist als Doppelstrang (Ausnahme: einzelsträngige DNA-Viren) durch Basenpaarung (Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin) die Konformation einer Doppelhelix annimmt; die Basenfolge in einem Strang bestimmt die genetische Information. DNA -Doppelhelixstruktur Durch Röntgenstrahlen werden pro Gy in jeder Zelle 4 400 – 5 600 DNA-Schäden erzeugt: Die häufigsten Läsionen sind Basenschäden mit 3 000 – 4 000 pro Zelle und Gy (70%). • AAAAAAAAA Die zweithäufigsten Schäden sind Einzelstrangbrüche mit etwa 1 000 Schäden pro Zelle und Gy (20%). • BBBBBBBBBB Seltene Ereignisse sind Doppelstrangbrüche mit 40 Schäden pro Zelle und• GyAAAAAAAAA (1%). Gehäufte• Läsionen (2 oder mehr Basenschäden, Kombinationen AAAAAAAAA aus Basenschäden und Strangbrüchen): 200 – 400 Schäden pro Zelle und Gy (5%). DNA–DNA und DNA-Protein-Vernetzungen: 150 - 200 Schäden pro Zelle und Gy (4%). DNA – Schäden: Erzeugung • AAAAAAAAA • Basenschäden: Exponentielle Abnahme der Schäden mit einer Halbwertszeit HWZ von 20 - 40 min und möglicherweise einer langsamen Komponente von 200 min. Abschluss der Reparatur 10 - 12 h nach Bestrahlung; 92 - 97% der Schäden werden repariert. BBBBBBBBBB Einzelstrangbrüche: 3 -phasige Repara- • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA turkinetik, HWZ 2 - 4 min, 20 - 30 min, 150 - 250 min. Abschluss der Reparatur 10 - 12 h nach Bestrahlung; 99% der Brüche werden repariert. Bis zu 98% der Doppelstrangbrüche werden 10 - 12 h nach Bestrahlung repariert. DNA – Schäden: Reparaturkinetik • • • • Basenexzisionsreparatur: Erkennung und Reparatur einfacher strahleninduzierter DNA - Schäden wie Einzelstrangbrüche, Basenschäden, Verlust einzelner Basen Ablauf: AAAAAAAAA • Enzymatische Abtrennung des Basenschadens BBBBBBBBBB • Einschneiden der Zuckerphosphatkette durch ein Enzym und AAAAAAAAA Entfernen des verbleibenden Zuckerrestes AAAAAAAAA • Enzymatische Reparatursynthese • Abschluss der Reparatur: Verknüpfung des neu synthetisierten Teilstücks mit dem alten DNA – Strang durch eine Ligase Reparaturmechanismen: Einfache DNA - Schäden Reparatur von Doppelstrangbrüchen und anderen lokal gehäuften Läsionen, die beide DNA - Stränge betreffen: • AAAAAAAAA Rekombination durch direkte Verknüpfung des Doppel• BBBBBBBBBB strangbruches mit Hilfe verschiedener Proteine • AAAAAAAAA Rekombination mit Hilfe eines mit der geschädigten Stelle AAAAAAAAA Abschnitts des Genoms als Maexakt• übereinstimmenden trize Reparaturmechanismen: Komplexe DNA - Schäden • • • • Die Reparatur eines Doppelstrangbruches ist nicht in jedem Fall fehlerfrei. AAAAAAAAA So kommt es im Mittel bei jedem 40. Doppelstrangbruch zu einer VerknüpBBBBBBBBBB fung von falschen Bruchenden, was zur Entstehung von ChromosomenaberraAAAAAAAAA tionen wie dizentrische Chromomen und symmetrische Translokationen AAAAAAAAA führt. DNA – Schäden: Reparaturgenauigkeit • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Durch DNA - Reparatur von subletalen Strahlenschäden erholen • AAAAAAAAA sich die Zellen. • AAAAAAAAA Die Erholung findet bei Fraktionierung der Bestrahlungsdosis im therapeutischen Sinne und bei Bestrahlung mit niedriger Dosisleistung statt. Die Erholung ist umso stärker ausgeprägt, je breiter die Schulter der Dosis-Wirkungs-Kurve ist. Fraktionierungseffekt bei Zellen unterschiedlicher Strahlensensitivität Neutronen (1) sind für die Induktion dizentrischer Chromosomenaberrationen wirksamer als Röntgenstrahlen (6). • AAAAAAAAA Niederenergetische Neutronen (1), • (2) sind wirksamer als hochenergetische Neutronen BBBBBBBBBB (3). 60Co-γ-Strahlung etwa 30-fach höherer • AAAAAAAAA Dosisleistung (4) mit ist bei identischer Dosis • AAAAAAAAA deutlich wirksamer für die Induktion dizentrischer Chromosomenaberrationen als bei Exposition der Chromosomen mit 60Co- γStrahlung niedriger Dosisleistung (5). Dosis-Wirkungs-Beziehung für die Induktion dizentrischer Chromosomen in peripheren Lymphozyten durch verschiedene Strahlenqualitäten • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Protrahierte Exposition von Zellen mit Strahlung von niedrigem LET führt zu insgesamt geringerer Zellschädigung durch vermehrte Zellreparatur subletaler Schäden mit anschliessender Repopulation von Zellen als Folge von Proliferation reparierter Zellen. Dosisrateneffekt von Strahlung mit niedrigem LET bei der Zellreparatur mit anschliessender Repopulation durch Zellproliferation Koloniebildungstest: Bestrahlung von Zellen aus Geweben mit relativ hohen Anteilen teilungsfähiger Zellen und Bestimmung der Koloniebildungsrate in einer Zellkultur nach Bestrahlung. • AAAAAAAAA • • Aus dem Quotienten der Koloniezahlen mit mindestens 50 Tochterzellen mit BBBBBBBBBB und ohne Bestrahlung ergibt sich die AAAAAAAAAÜberlebensfraktion S. • AAAAAAAAA 2 lnS = lnN/N0 = -αD –βD D: applizierte Dosis α, β: Proportionalitätskonstanten Linear-quadratisches Modell lineare Komponente –αD: Anfangsneigung der Dosis-Wirkungs-Kurve quadratische Komponente –βD2: Krümmung der Kurve Dosis-Wirkungs-Kurve der Zellinaktivierung Die „Schulter“ bei der Inaktivierung der Zellproliferation ist Hinweis für Zellreparatur DNA – Schäden sind Basenschäden, Einzelstrang- und Doppelstrangbrüche sowie Proteinvernetzungen in der • AAAAAAAAA DNA– Helix , die zu weit über 90% enzymatisch repariert werden • BBBBBBBBBB Abschluss Reparatur 10 bis 12 Stunden nach Bestrahlung • der AAAAAAAAA Chromosomenabberrationen • AAAAAAAAA sind Folgen fehlerhafter Reparatur Fraktionierung der Bestrahlung und niedrige Dosisrate unterstützen die Reparatur von zellulären Strahlenschäden Zelluläre Strahlenwirkungen: Zusammenfassung 4 Deterministische Effekte AAAAAAAAA →• Zellerneuerung durch Teilung von Stammzellen BBBBBBBBBB →• Dosis-Wirkungsbeziehung • AAAAAAAAA → Schwellenwerte der Dosis für Strahlenschutzzwecke • AAAAAAAAA → Toleranzdosen in der Strahlentherapie → Akutes Strahlensyndrom → Zusammenfassung • Die Anzahl Stammzellen im Vergleich zur Anzahl differenzierter Zellen ist von Gewebe zu Gewebe unterschiedlich und liegt in der Grössenordnung von AAAAAAAAAeinigen Prozent. • BBBBBBBBBB programmiertes Absterben • AAAAAAAAAGenetisch von differenzierten Zellen (Apoptose) die Stammzellen über einen • AAAAAAAAAstimuliert feed-back-Mechanismus zur Teilung und damit zur Nachbildung von differenzierten Zellen. Bildung differenzierter Zellen aus einer sich selbst erneuernden Stammzelle • AAAAAAAAA • Die Wahrscheinlichkeit der Beobachtung des Verlustes der Funktion eines Gewebes oder Organs nach Strahlenexposition wächst nach Überschreitung einer Schwelle steil mit der Dosis an und erreicht ein Maximum (sigmoides Verhalten). BBBBBBBBBB Protrahierung der Dosis gegenüber • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA akuter Applikation derselben Dosis resultiert in weniger häufig auftretenden und weniger schweren Symptomen mit wachsender Dosis. Dieses Verhalten der Zellen eines Gewebes oder Organs verdeutlicht die Stammzellen-Repopulation nach Zellschädigung. Dosisabhängigkeit deterministischer Effekte Gewebe und Effekte Äquivalentdosis bei Kurzzeitexposition (Sv) Testes • AAAAAAAAA temporäre Sterilität 0,15 • BBBBBBBBBB permanente Sterilität 3,5 – 6,0 Ovarien, Sterilität • AAAAAAAAA 2,5 – 6,0 Augenlinse, Katarakt nachweisbare Trübung 0,5 – 2,0 • AAAAAAAAA visuelle Einschränkung 5,0 (2-10) Knochenmark, Abnahme der Blutzellen 0,5 Äquivalentdosisleistung bei protrahierter Exposition (Sv/a) 0,4 2,0 >0,2 >0,1 >0,15 >0,4 Für Strahlenschutzzwecke von der ICRP empfohlene Schwellenwerte der Dosis für deterministische Effekte bei Erwachsenen Organ Effekt • AAAAAAAAA Gesamtes Abnahme der Blutzellen Knochenmark • BBBBBBBBBB Ovarien permanente Sterilität • AAAAAAAAA Testes permanente Sterilität Auge Katarakt • AAAAAAAAA Lunge Pneumonitis Schilddrüse Hypoplasie Toleranzdosis (Gy) 1–2 2–6 3–4 5 – 10 40 > 45 Toleranzdosen für deterministische Effekte nach fraktionierter Strahlentherapie von Erwachsenen Syndrome Cerebral • AAAAAAAAA Kritisches Gehirn • Organ BBBBBBBBBB Latenzzeit 20 min • AAAAAAAAA Schwellenwert der Dosis (Gy) • AAAAAAAAA Syndrom 20 Tod 50 Eintritt des Todes 2d Intestinal Knochenmark Dünndarm 3 – 5 Tage Knochenmark 2 – 3 Wochen 3 10 2 Wochen 1 2 3 – 8 Wochen Akutes Strahlensyndrom Genetisch programmiertes Absterben von differenzierten Zellen (Apoptose) stimuliert die Stammzellen zur Teilung und damit zur Nachbildung differenzierter Zellen • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Deterministische Effekte sind durch Schwellenwerte der Dosis charakterisiert • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Diese Schwellenwerte der Dosis sind mitbestimmend für die Fraktionierung bei der Strahlentherapie Deterministische Effekte: Zusammenfassung 5 Stochastische Effekte → Mechanismen und Kollektive zur Ermittlung des • strahlenbedingten AAAAAAAAA Risikos bei der Krebsentstehung BBBBBBBBBB →• Dosis-Wirkungsbeziehungen AAAAAAAAA →• Quantifizierung des strahlenbedingten Krebsrisikos und des genetischen Risikos • AAAAAAAAA → Genomische Instabilität → Genetische Prädisposition → Zusammenfassung Strahlenbedingte Veränderungen der DNA (Strahlenschäden) Partielle Elimination dieser Schäden durch Reparaturprozesse Nicht-reparierte Zellen speichern die strahlenbedingten • AAAAAAAAA Veränderungen als Mutationen • BBBBBBBBBB Bildung einzelner maligne transformierter Zellen • AAAAAAAAA Proliferative Prozesse führen zu einem Klon maligner Zellen • AAAAAAAAA Entwicklung eines Tumors (= monoklonales Wachstum) Schematische Darstellung des Mechanismus der Krebsentstehung durch ionisierende Strahlung Ein durch Strahlung verursachtes Karzinom ist bisher weder zell- oder molekularbiologisch noch klinisch von denjenigen zu unterscheiden, die durch natürliche oder zivilisatorische Einflüsse hervorgerufen werden. Da es also keine strahlen• AAAAAAAAA spezifischen Krebserkrankungen gibt, ist es im Einzelfall nicht möglich, einen kausalen Zusammenhang zwischen einer • BBBBBBBBBB vorangegangenen Strahlenexposition und einer klinisch • AAAAAAAAA manifestierten Krebserkrankung im strengen Sinne nachzuweisen. Deshalb kann eine quantitative Aussage über das • AAAAAAAAA Strahlenkrebsrisiko immer nur für ein grosses Kollektiv betrachteter Personen nach Strahlenexposition mit bekannten Dosen getroffen werden. Strahlenbedingter und spontan auftretender Krebs Ursache der Exposition Atombomben Medizinische Diagnose • AAAAAAAAA Kollektiv Japanische Überlebende, Bewohner der Marshall-Inseln Mehrfache röntgen-fluoroskopische Untersuchung der weiblichen Brust, pränatale Bestrahlung, Thorotrastpatienten Medizinische Therapie • BBBBBBBBBB Strahlentherapie des Cervixkarzi- • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Berufliche Strahlenexposition Strahlenunfälle noms, spinale Strahlentherapie (Morbus Bechterew), Strahlentherapie des Halses und der Brust (Schilddrüse), Strahlentherapie der Kopfhaut (Tinea Capitis), Radium-Therapie Uran-Bergarbeiter, Radium-Zifferblattmaler/innen, Strahlenarbeiter u.a. Reaktorunfall von Tschernobyl Kollektive menschlicher Populationen zur Ermittlung des strahlenbedingten Risikos A,B,C,D: Strahlung mit niedrigem LET • AAAAAAAAA • A: Korrelation bei hohen Energiedosen und -dosisraten BBBBBBBBBB B: Lineare Korrelation ohne Schwelle • AAAAAAAAA C: Korrelation bei niedriger Dosisrate • AAAAAAAAA D: Steigung der Korrelation bei niedriger Dosisrate im Bereich geringer Energiedosen Dosis – Wirkungsbeziehung für strahlenbedingten Krebs Quellen DDREF • AAAAAAAAA ICRP, 1977 • BBBBBBBBBB NCRP, 1980 UNSCEAR, 1986 • AAAAAAAAA UNSCEAR, 1988 BEIR, 1990 • AAAAAAAAA ICRP, 1991 UNSCEAR, 1993 UNSCEAR, 2000 2 2 – 10 bis 5 2 – 10 2 2 <3 <3 Dosis- und Dosisraten- Effektivitätsfaktor DDREF für Strahlung von niedrigem LET Leukämien treten bereits nach einer Latenzzeit von etwa 2 Jahren nach Bestrahlung auf. Die Häufigkeit erreicht etwa 5 – 15 Jahre nach Exposition ein Maximum und verringert sich anschliessend wieder. • AAAAAAAAA • • • Die Häufigkeit solider Tumoren nimmt BBBBBBBBBB nach einer Latenzzeit von 10 – 15 Jahren auch 30 – 45 Jahre nach Exposition zu AAAAAAAAAund entspricht weitgehend dem altersAnstieg der Tumorhäufigkeit AAAAAAAAAabhängigen ohne Bestrahlung (Strahlung ist im wesentlichen ein initiierendes Agens, Promotion und Progression sind durch andere, stark altersabhängige Faktoren bestimmt). Zeitliche Änderung der zusätzlichen Krebsmortalitätsrate bei den Überlebenden nach den Atombombenabwürfen in Hiroshima und Nagasaki Organ/Gewebe Risikokoeffizient (%/Sv) Magen 1,1 Dickdarm 0,85 Lunge 0,85 rotes Knochenmark 0,5 • AAAAAAAAA Oesophagus 0,3 Blase 0,3 • BBBBBBBBBB Brust 0,2 Leber 0,15 • AAAAAAAAA Ovar 0,1 Schilddrüse • AAAAAAAAA 0,08 Knochenoberfläche 0,05 Haut 0,02 Restkörper 0,5 Gesamt Mit den Risikokoeffizienten können Strahlenrisiken abgeschätzt werden, wenn die Äquivalentdosen bekannt sind. Wegen der im Strahlenschutz unter dem Vorsorgeprinzip angenommenen Linearität der Dosis-Wirkungs-Kurven ohne Schwelle kann das Risiko einer Ganzkörper- oder Teilkörperexposition durch einfache Multiplikation von Dosis und Risikokoeffizient ermittelt werden. 5,0 Zusätzliches Lebenszeitkrebsrisiko (Mortalität) durch ionisierende Strahlen bei Ganzkörperexposition mit niedriger Einzeldosis (ICRP, 1991) Klassifizierung der Erkrankungen Inzidenz (%/Gy) Chromosomenanomalien • AAAAAAAAA dominante und an das X-Chromosom gebundene • BBBBBBBBBB Mutationen • AAAAAAAAA Rezessive Mutationen multifaktorielle Effekte 0,04 1,0 Gesamt 2,4 • AAAAAAAAA 0,15 1,2 Inzidenz genetischer Erkrankungen im Gleichgewicht als Folge der Exposition der Elterngeneration (niedrige Strahlendosen und Dosisraten; niedriger LET) Ionisierende Strahlen induzieren Schäden an der DNA. Wirkungsvolle Reparaturprozesse eliminieren einen erheblichen Teil dieser Schäden. Verbleibende Veränderungen in einzelnen Zellen führen zu Mutationen. Auf diese Weise können maligne transformierte Zellen gebildet wer• proliferative AAAAAAAAA den, die über Prozesse zu einem Klon maligner Zellen und schliesslich zu einem Tumor führen. • BBBBBBBBBB Am Anfang dieser Mutationskaskade dürften Gene betroffen sein, die als sog. „caretaker genes“ an der Reparatur von DNA-Schäden betei• AAAAAAAAA ligt sind und somit für die Aufrechterhaltung der Integrität des Genoms AAAAAAAAA wesentlich•sind. Eine Mutation eines caretaker-Gens dürfte zu einer Verschlechterung der Reparatur von DNA-Schäden führen und damit zu einer genetischen Instabilität. Dies zieht eine erhöhte Mutationsrate aller Gene nach sich (genom. Instabilität). Genomische Instabilität Klinische Erfahrungen in der Strahlentherapie haben gezeigt, dass die individuelle Strahlenempfindlichkeit in unserer Bevölkerung ausserordentlich unterschiedlich ist. • AAAAAAAAA Hypersensitivität gegenüber ionisierenden Strahlen sind Folge • BBBBBBBBBB von genetischen Prädispositionen. • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Einschränkungen der DNA-Reparatur und Veränderungen in der Regulation des Zellzyklus sind Ursachen der erhöhten Strahlenempfindlichkeit. Genetische Prädisposition Stufen der Krebsentstehung sind: Veränderung der DNA, Mutation, maligne Transformation, Klon, monoklonales Wachstum Es gibt keine strahlenspezifischen Krebserkrankungen, deshalb bedarf es Untersuchungen an Kollektiven strahlenexpo• AAAAAAAAA nierter menschlicher Populationen • BBBBBBBBBB Das zusätzliche Lebenszeitkrebsmortalitätsrisiko ist bei Ganzkörperexposition mit niedriger Einzeldosis 5% pro Sievert, • AAAAAAAAA die Inzidenz genetischer Erkrankungen beträgt etwa 2,5% pro Sievert • AAAAAAAAA Die Integrität des Genoms und eine ggf. vorhandene genetische Prädisposition beeinflussen die Strahlenempfindlichkeit eines Individuums Stochastische Effekte: Zusammenfassung 6 Strahlenwirkungen in utero • →AAAAAAAAA Somatische Wirkungen: allgemein • →BBBBBBBBBB Deterministischer Effekt: Intelligenzquotient • AAAAAAAAA Stochastischer Effekt: • →AAAAAAAAA Krebsrisiko → Zusammenfassung Tod des Embryo • AAAAAAAAA • Missbildungen BBBBBBBBBB Wachstumshemmungen • AAAAAAAAA Funktionelle Störungen • AAAAAAAAA Maligne Neoplasien (Krebs) Somatische Wirkungen nach pränataler Strahlenexposition Geistige Ratardierung bei Kindern nach Bestrahlung in utero durch Atombombenexplosionen*) Maligne Neoplasien bei Kindern nach Bestrahlung bei pränataler Röntgendiagnostik Inzidenz/100 000 Kinder Mittlere Dosis (cGy) 0 5 23 65 138 • Fälle geistiger Retardierung AAAAAAAAA (%) • 0,8 BBBBBBBBBB • • 4,8 AAAAAAAAA 1,6 18,8 AAAAAAAAA 75 Nichtexponierte Ne RöntgenDiagnostik Rö Verhältnis Rö:Ne Krebs: 27 Leukämie: 23 39 35 1,4 1,5 *)Exposition 8 – 15 Wochen p.c. Koeffizient: 30 IQ-Punkte/Sv Mortalitäts-Risikokoeffizient Krebs: 1,75 %/Gy Leukämie: 1,25 %/Gy) Geistige Ratardierung und maligne Neoplasien bei Kindern als Folge von Strahlenexpositionen in utero Folgen pränataler Strahlenexposition können beim Neugeborenen deterministische und somatische Strahlenwirkungen sein • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Deterministischer Effekt ist eine geistige Retardierung mit einer Reduktion des Intelligenzquotienten um 30 Punkte pro • AAAAAAAAA Sievert • AAAAAAAAA Somatische Effekte sind Leukämie und Krebsmortalität mit etwa 1 bzw. 2% pro Sievert Strahlenwirkung in utero: Zusammenfassung 7 Natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition und deren Risiken • AAAAAAAAA →• Quellen und Höhe der mittleren jährlichen BBBBBBBBBB Strahlenexposition • AAAAAAAAA → Mittlere jährliche zivilisatorische und künstliche • Strahlenexposition AAAAAAAAA → Medizinisch bedingte Strahlenexposition → Zusammenfassung Quelle der Exposition Mittlere effektive jährliche natürliche Strahlendosis (μSv/a) (%) Variationsbreite (μSv/a) Kosmische Strahlung • BBBBBBBBBB und kosmogene Radionuklide 307 • Strahlung AAAAAAAAA Terrestrische 486 Inhalation (222Rn, 220Rn) 1 255 Ingestion • AAAAAAAAA 310 222 220 Blut ( Rn, Rn) 45 Industrielle Aktivitäten <10 12,7 20,2 51,9 12,9 1,9 <0,4 300 – 2 000 300 – 600 200 – 10 000 200 – 800 10 – 400(?) 1 - 10 Gesamt (gerundet) 100,0 1 000 – 10 000 • AAAAAAAAA 2 400 Mittlere effektive jährliche natürliche Strahlendosis der Weltbevölkerung Quelle der Exposition Mittlere effektive jährliche Strahlendosis (μSv/a) (%) Zivilisationsbedingte natürliche Quellen AAAAAAAAA Fossile• Primärenergieträger, mineralische Naturprodukte • BBBBBBBBBB Zivile Luftfahrt in grossen Höhen Zivilisationsbedingte künstliche Quellen Ionisierende Strahlen und radioaktive • AAAAAAAAA Stoffe in der Medizin Atmosphärische Tests von Kernwaffen • AAAAAAAAA Kernkraftwerksunfall in Tschernobyl Kernenergieerzeugung 20 2 4,7 0,5 400 5 2 0,2 93,2 1,2 0,5 0,05 Gesamt (gerundet) 430 100,0 Mittlere effektive jährliche zivilisatorische und künstliche Strahlendosis der Weltbevölkerung Untersuchungsart Effektive Dosis (mSv) • AAAAAAAAA • (%) der nat. Strahlendosis (2,4 mSv/a) Strahlenbedingtes 8 8 8 100 200 250 415 415 bis zu 4 000 1 1 1 12,5 25 30 50 50 bis zu 500 Risiko pro 100 000 untersuchte Patienten BBBBBBBBBB Schädel Thorax Magen Mammographie BWS Durchleuchtung MDP DSA Nieren CT Thorax Schrittmacher-Implantation 0,2 0,2 0,2 2,5 5 6 10 10 bis zu 100 • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Eff. Strahlendosen bei einigen Untersuchungsarten in der Röntgendiagnostik und rechnerisches strahlenbedingtes Krebsmortalitätsrisiko Die mittlere effektive jährliche natürliche Strahlendosis der Weltbevölkerung von 2,4 Millisievert schwankt regional zwischen 1 und 10 Millisievert Die zusätzliche mittlere effektive jährliche zivilisatorisch bedingte AAAAAAAAA Strahlendosis• beträgt etwa 1/5 der natürlichen Strahlendosis und resultiert zu mehr als 90% aus der medizinischen Anwendung • BBBBBBBBBB ionisierender Strahlen und radioaktiver Stoffe • AAAAAAAAA Das hypothetische, rechnerisch ermittelte strahlenbedingte Risiko • AAAAAAAAA medizinischer Röntgenuntersuchungen liegt in der Mehrzahl der Fälle weit unter 100/100 000 untersuchter Patienten und ist bei ärztlich indizierter Untersuchung gegenüber dem Nutzen zu vernachlässigen Natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition und Risiken: Zusammenfassung
