Radontherapie und Strahlenrisiko Alexander Kaul, Menzenschwand, 7.10.2006 1. Allgemeine Kriterien für den Schutz von Patient und Personal 2. Strahlendosis des Patienten bei der Radontherapie 2.1 Biokinetik des Radons und seiner Zerfallsprodukte 2.2 Zelluläre Dosis und biologische Strahlenwirkung 2.3 Effektive Dosis im Vergleich zur natürlichen Strahlenexposition 2.4 Lungendosis einmaliger und mehrmaliger Inhalationskuren im Vergleich zur Dosis durch natürliches Radon in Wohnungen und im Freien 3. Vergleichende Bewertung der Ergebnisse 4. Quantifizierung des Strahlenrisikos 4.1 Ergebnisse epidemiologischer Untersuchungen an Kollektiven Strahlenexponierter 4.2 Mechanismen der biologischen Strahlenwirkung im Niedrigdosisbereich und deren Einfluss auf die Dosiswirkungsbeziehung 4.3 Strahlenrisiko im Niedrigdosisbereich unter dem Vorsorgeaspekt des Strahlenschutzes 4.4 Hypothetisches Lungenkrebsrisiko des Patienten der Radoninhalationstherapie 5. Strahlendosis des Personals 6. Zusammenfassende Bewertung von Strahlendosis und –risiko der Radontherapie 1. Allgemeine Kriterien für den Schutz von Patient und Personal Patientenschutz • Die mit der therapeutischen Anwendung des Radons verbundene Strahlendosis des Patienten und das daraus möglicherweise re- sultierende Strahlenrisiko sind gegen den Nutzen der Therapie abzuwägen (= Aufgabe des Arztes) • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Schutz des Personals AAAAAAAAA • Die• Strahlenschutzmassnahmen bei der therapeutischen Anwendung Radons sind so zu optimieren, dass beim Personal die ge• des AAAAAAAAA setzlich geforderten Grenzwerte der Dosis möglichst weit unterschritten werden, ohne den Nutzen der therapeutischen Massnahme in Frage zu stellen (= Aufgabe der für den Strahlenschutz verantwortlichen Personen) Aufgaben des Strahlenschutzes bei der Radontherapie 2. Strahlendosis des Patienten bei der Radontherapie Über die Haut (Diffusion durch die Epidermis) Wannenbad mit radonhaltigem Wasser Radon-Trockengasbad Radon-Dunstbad • Thermal-Heilstollen AAAAAAAAA • die BBBBBBBBBB Über Lunge (Diffusion durch die Lungenepithelien) • Heilstollen AAAAAAAAA Thermal-Heilstollen • AAAAAAAAA Radongas-Therapie Über den Magen-Darm-Trakt (Diffusion durch die Magenschleimhaut) Die wesentlichen Diffusionswege des Radons bei unterschiedlichen Arten der Radontherapie Biokinetik des Radons und seiner kurzlebigen Zerfallsprodukte physikalische Diffusion von Rn in die Epidermis, das subbasale Hautgewebe und die Blutkapillaren des Hautgewebes • AAAAAAAAA Adsorption von kurzlebigen Zerfallsprodukten an der Epidermis • BBBBBBBBBB Lösung Radons im Blut, Verteilung im gesamten Körper • des AAAAAAAAA entsprechend seiner spezifischen Löslichkeit in den einzelnen Geweben, Transport der durch Zerfall im Organismus • AAAAAAAAA gebildeten Zerfallsprodukte Ausscheidung des Rn durch Exhalation und Diffusion über die Haut Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Radon und Zerfallsprodukten im Organismus (Biokinetik) am Beispiel der Radon-Badekur • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Exhalation von Radon während der Therapie im Wannenbad (v. Philipsborn, 2000) Fluenz (Alphateilchen von 5 MeV Anfangsenergie, Energiedosis in der Epidermis ≤ 2 mGy): 80/mm2 Zellquerschnitt: 100 μm2 = 0,0001 mm2 →bei diesen sehr niedrigen Energiedosen werden die weitaus meisten Zellen von keinem Alphateilchen getroffen • AAAAAAAAA BBBBBBBBBB LET (α, 5• MeV): 750 keV/μm • 5AAAAAAAAA Zelldicke: μm →etwa 25 •000AAAAAAAAA Ionisationsprozesse, d.h. sehr hohe lokale Energiedeposition und damit starke biologische Wirkungen in den getroffenen Zellen und in deren Nachbarschaft (Reichweite der α-Teilchen etwa 35 μm und Bystander-Effekt durch Botenstoffe) Energiedeposition von Alphateilchen in Zellen der Epidermis Energiedeposition von Alphateilchen in einem kleinen Bruchteil der Zellen der Epidermis • AAAAAAAAA Herunterregulierung der transendothelialen Leukozy• BBBBBBBBBB tenmigration durch die zelluläre Innenauskleidung der Blutgefässwände sowie der Makrophagen- und Neutro• AAAAAAAAA philenaktivitäten, d.h. des enzymatischen Abbaus von phagozytierten Zellen zu kleineren Molekülen mit Hilfe • AAAAAAAAA antiinflammatorischer Zytokine mit einer schützenden Rolle bei Entzündungen Molekularer und zellulärer Reaktionsweg der Schmerztherapie chronischer Entzündungen bei der Radon-Badetherapie Wannenbad-Kur Thermal-Heilstollen-Kur 662 Bq 222Rn/L, 10x20 min 44 kBq 222Rn/m3, 10x1h 0,1 μGy 1,6–2,2 μGy Muskeln, Gonaden, Knochen 3,3-8,8 μGy rotes Knochenmark, Nebenniere, Leber, 0,3-0,5 μGy 3 μGy Knochen • • • 800 μGy (425 μGy Leber,Muskel, AAAAAAAAA Blut, Gonaden, Niere BBBBBBBBBB Lunge, tracheobronchialer AAAAAAAAA Bereich Epidermis • AAAAAAAAA Haut) effektive Dosis 0,2 mSv Blut 22 μGy Niere 410 μGy Lunge, tracheobronchialer Bereich 495 μGy Epidermis (265 μGy Haut) effektive Dosis 1 mSv Werte der Energiedosis in Organen/Geweben (berechnet nach Daten von Hofmann, 1999) und der effektiven Dosis einer Kur Bruchteil der Applikationsform Äquivalentdosis Effektive jährl. nat. (mSv) Dosis Strahlendosis (mSv) von 2,1 mSv (%) Lunge Epidermis • AAAAAAAAA Badekur, 10x20 min Bad Gastein, 662 Bq/L • 0,05 20 0,2 50 BBBBBBBBBB 0,1 0,5 10 25 Bad Schlema, 1 550 Bq/L • AAAAAAAAA Inhalationskur, 10x1h Bad Gastein, 44 kBq/m3 10 10 1 50 0,0001 4 0,05 2 • AAAAAAAAA Luftbadekur Bad Gastein, 140 kBq/m3 Äquivalentdosis von Lunge und Epidermis sowie effektive Dosis von Patienten bei unterschiedlichen Arten der Radon-Therapie (1-malige Kur) im Vergleich zur natürlichen Strahlenexposition Diffusion von Radon in Häuser und Verteilung in Wohnungen (Radon-Handbuch Deutschland, Stand 9.8.2001) 70 Anteil von Gebäuden mit 1 und 2 Wohnungen in % 62 60 50 40 30 27 20 8,9 10 1,7 0,40 0,07 400 bis 1000 über1000 0 bis 50 50 bis100 100 bis 200 200 bis 400 Radonkonzentration in Aufenthaltsräumen in Bq/m³ Bis 100 Bq/m3: 90% der untersuchten Aufenthaltsräume Häufigkeitsverteilung der Radonkonzentration in Aufenthaltsräumen von Gebäuden mit 1 oder 2 Wohnungen (Radon-Handbuch Deutschland, Stand 9.8.2001) Deutschlandkarte der Radonaktivitätskonzentration in der Bodenluft Haus ungenutzt und geschlossen Übliche Nutzung Übliche Nutzung Fenster gekippt Auswirkung verschiedener Nutzungszustände auf die Radonkonzentration in einem Raum (Ettenhuber, 2006) 3. Vergleichende Bewertung der Ergebnisse Vergleich der effektiven Dosen Badekur: maximal 0,5 mSv Thermalstollen-Inhalationskur: maximal 2 mSv Jährliche natürliche Strahlendosis: 2,1 mSv • (Variationsbreite AAAAAAAAA 1 – 10 mSv) • BBBBBBBBBB Vergleich der Radonexpositionen • AAAAAAAAA Thermalstollen-Inhalationskur: 3,5 x 105 Bqh/m3 • AAAAAAAAA Aufenthalt in Wohnungen und im Feien: jährlich 2,8 x 105 Bqh/m3 Vergleichende Bewertung der Strahlenexposition des Patienten durch 1malige Radonkuren mit der natürlichen Strahlendosis bzw. Radon in Wohnungen und im Freien Patienten 6 Kuren (Mittelwert) 8 Stunden mittl. Aufenthaltsdauer im Stollen pro Kur 44 kBq/m3 Radon-Aktivitätskonzentration (Mittelwert) Exposition: 6 x 8 x 44 000 Bq/m3 = 2,1 x 106 Bq h/m3 Bevölkerung 75 Jahre mittlere Lebenserwartung • AAAAAAAAA • 19 h/d Aufenthaltsdauer in Wohnungen BBBBBBBBBB 5 h/d Aufenthaltsdauer im Freien • AAAAAAAAA 40 Bq/m3 in Wohnungen (Median) 10 Bq/m3 im Freien (Median) • AAAAAAAAA Exposition: 75 x 365 x (19 x 40 + 5 x 10) Bq h/m3 = 2,2 x 107 Bq h/m3 Verhältnis der Radon-Exposition Patient/Bevölkerung: < 10 % Vergleichende Bewertung der Radon-Exposition des Patienten (mehrmalige Thermalstollen-Inhalationskuren) Die effektive Dosis des Patienten einer 1-maligen radon-balneotherapeutischen Kur liegt mit 0,05 bis 2 mSv deutlich unter bzw. maximal bei dem Wert der mittleren effektiven jährlichen Strahlendosis von 2,1 mSv (Variationsbereich: 1-10 mSv). • AAAAAAAAA Die Radonexposition einer 1-maligen Inhalationskur im ThermalHeilstollen entspricht etwa derjenigen durch Inhalation von Radon in • BBBBBBBBBB Wohnungen und im Freien (3,5 bzw. 2,8 x 105 Bqh/m3). • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Die Gesamtexposition des Patienten einer mehrmaligen Inhalationskur imThermal-Heilstollen beträgt maximal 10 % der Radon-Exposition von Personen der Bevölkerung über eine Lebenszeit von 75 Jahren durch Aufenthalt in Wohnungen und im Freien. Zusammenfassende vergleichende Bewertung der Expositionen durch therapeutisches und natürliches Radon 4. Quantifizierung des Strahlenrisikos Effektive Dosis (mSv) Bezeichnung* 1 sehr niedrig (very low) 10 niedrig (low) 100 mittel (moderate) 1000 mäßig hoch (moderately high) *Definition hängt vom Blickwinkel ab: Umweltkontaminationen, berufliche Strahlenexposition, Strahlentherapie Krebsrisiken niedriger Dosisraten (ICRP Committee 1 Task Group Report 2005; nach Jacob, 2006) Zusätzliches relatives Risiko der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki, nach einer Dosis von 0-1 Sv an einem soliden Krebs zu sterben (Preston et al., 2004) 0,04 Leukämien zusätzliches absolutes Risiko 0,03 0,02 0,01 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Dosis [Sv] -0,01 Zusätzliches relatives Risiko der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki, an Leukämie zu sterben (nach Breckow, 2006) Oben: Häufigkeitsverteilung der Radonkonzentration in Wohnräumen in der Bundesrepublik Deutschland (Wichmann et al. 1998). Unten: Relatives Risiko für Lungenkrebs in 13 europäischen Ländern mit 95-%Vertrauensintervallen in Abhängigkeit von der korrigierten Radonkonzentration in Wohnungen (nach Darby et al., 2004). Linear ohne Schwelle Linear mit Schwelle Lineare Anpassungskurve: ohne Schwelle nach Darby, mit Schwelle von Harder, 2006. In x-Richtung eingetragene Unsicherheitsintervalle: Breite der von Darby verwendeten Expositionsklassen. Adaptive response (2,3) Anzahl benötigter Mutationen (3) Apoptose (2,3) Bystander Effekt (5) Genetische Prädisposition (5) Genomische Instabilität (5) Immunabwehr (3) Reparatur (2,3,4) Anzahl strahlenbedingter Tumorfälle im Nierigdosisbereich durch Extrapolation aus dem Bereich höherer Dosen (in Anlehnung an Müller, 2006) Adaptive response (2,3): Eine Vorbestrahlung mit niedriger Dosis kann eine nachfolgende Exposition mit höherer Dosis weniger wirksam machen Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Anzahl benötigter Mutationen (3): Mehrere Mutationen können notwendig sein, um aus einer normalen Zelle eine Tumorzelle zu machen Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Apoptose (2,3): Biologischer Prozess, d.h. ein in jeder Zelle vorhandenes Programm, das auf Grund eines bestimmten Signals in Gang gesetzt wird und zu einem für den Organismus weitgehend unproblematischen Sterben der betroffenen Zelle führen kann Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Bystander Effekt (5): Nicht nur direkt von der Strahlung getroffene Zellen zeigen einen Schaden, sondern es können auch „unbeteiligte Zuschauer“ geschädigt werden Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Genetische Prädisposition (5): Es liegen im Genom bestimmte Veränderungen vor, die die Wahrscheinlichkeit einer Tumorauslösung nach Einwirkung ionisierender Strahlung deutlich erhöhen können Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Genomische Instabilität (5): Ionisierende Strahlung kann dafür sorgen, dass das Genom anfälliger wird gegenüber äusseren Einwirkungen, also „instabil“ Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Immunabwehr (3): Niedrige Strahlendosen können die Immunabwehr stimulieren, damit effektiver Tumorzellen erkennen und biologischen „Schutzmechanismen“ zuführen, z.B. Reparatur, Apoptose Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Reparatur (2,3,4): Niedrige Strahlendosen können Reparaturmechanismen (Enzyme) anstossen Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen können Zu komplex sind die Zusammenhänge, zu widersprüchlich viele Ergebnisse, zu unvollständig unser Wissen über die biologischen Mechanismen, als dass wir konkrete Rückschlüsse auf den Verlauf der Dosis-Wirkungsbeziehungen im Niedrigdosisbereich ziehen könnten. Es ist deshalb angezeigt, dass strahlenbedingte Risiko einer Exposition mit ionisierenden Strahlen im Bereich niedriger Strahlendosen durch den Vergleich mit der natürlichen Strahlendosis und deren Schwankungsbreite oder konservativ abzuschätzen wie im Strahlenschutz unter dem Vorsorgeaspekt üblich, nämlich unter Annahme der Gültigkeit einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung ohne Schwellenwert der Dosis (LNT: Linear Non Threshold) im Bereich niedriger Dosen und Dosisleistungen. Bewertung der biologischen Mechanismen und Konzept der Abschätzung strahlenbedingter Risiken Medianwert der 222Rn – Aktivitätskonzentration: 40 Bq/m3 Mittlere jährliche Aufenthaltsdauer: 7 000 h/a • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Exposition während einer Zeit von 75 Jahren: 2,1 x 107 Bq h/m3 • AAAAAAAAA Lungenkrebsrisiko bis zum Alter von 75 Jahren (berechnet auf der • AAAAAAAAA Grundlage der LNT-Hypothese und nach Angaben von S. Darby et al., 2005) Nichtraucher: 0,41% + 0,0007% (Bq/m3)-1 x 40 Bq/m3 = 0,413% (~0,5%) Raucher: 10,1% + 0,0147% (Bq/m3)-1 x 40 Bq/m3 = 10,7% (~11%) Exposition und rechnerisches Lungenkrebsrisiko durch 222Rn in Wohnungen 6 Kuren, 8h mittlere Aufenthaltsdauer im Stollen pro Kur, mittlere 222Rn-Aktivitätskonzentration 44 kBq/m3 • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Zusätzliches Lungenkrebsrisiko durch Radon-Balneotherapie • AAAAAAAAA und Radon in Wohnungen: • AAAAAAAAA Nichtraucher : (0,413 + 0,04)% = 0,417% (~0,5%) Raucher: (10,7 + 1,07)% = 11,77% (~12%) 222Rn-Exposition und rechnerisches Lungenkrebsrisiko von Patienten nach mehrmaligen Kuren in einem Radon-Thermalstollen 5. Strahlendosis des Personals Applikationsform Eff. Jahresdosis (mSv) Bruchteil des Grenzwertes berufl. Strahlenexp. von 20 mSv/a (%) Badekur • AAAAAAAAA Sibyllenbad 800 Bq/m3 Raumluft, 2 000 h/a Aufenthalt 450 Bq/m3 Raumluft, 400 h/a Aufenhalt 260 Bq/m3 Raumluft, KohlesäuerlingMischbad • max 2,5 BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA 10 0,25 1 0,2 1 • AAAAAAAAA Inhalationskur Bad Gasteiner Thermalstollen, 44 kBq/m3 Bad Schlema, Rn-GasTherapie, 500 Bq/m3 Raumluft 8 (Ärzte) - 15 (Lokführer) 1,5 < 50 – 75 < 10 Effektive Jahresdosis des Personals bei verschiedenen therapeutischen Applikationsformen von Radon Die jährliche effektive Dosis des Personals liegt abhängig vom Therapieverfahren und der Aufenthaltsdauer im Therapieraum zwischen 0,2 • AAAAAAAAA (Radon- Badekur) und 15 mSv (Radon-Thermalstollen-Kur) und damit zwischen 10%•undBBBBBBBBBB maximal bei 75% des Grenzwertes der gesetzlichen jährlichen beruflichen Strahlenexposition. Die Strahlendosis des Personals • AAAAAAAAA kann bei der Radon-Balneotherapie im Thermal-Heilstollen im Sinne der • AAAAAAAAA Optimierung des Strahlenschutzes durch einfache Strahlenschutzmassnahmen weiter reduziert werden. Zusammenfassende Bewertung der Strahlenexposition des Personals 6. Zusammenfassende Bewertung der Strahlendosis und des Strahlenrisikos von Patienten der Radontherapie Bei einer Energiedosis in der Epidermis von weniger als 2 mGy bedingt die hohe Energiedeposition der Alpha-Teilchen in einem kleinen Bruchteil der Zellen der Epidermis die Herunterregulierung der transendothelialen Leukozytenmigration, d.h. des enzymatischen Abbaus von phagozytierten Zellen mit Hilfe antiinflammatorischer Zytokine mit einer schützenden Rolle bei Entzündungen. Die mittlere effektive Dosis einer Wannenbad-Kur beträgt 0,2 mSv, die einer Thermalheilstollen-Kur 1 mSv. D.h., die Dosis liegt deutlich unter oder höchstens bei 50% der jährlichen natürlichen Strahlendosis von etwa 2,1 mSv (Schwankungsbreite: 1 – 10 mSv/Jahr). Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (1) Die Radonexposition des Patienten einer einmaligen Thermalstollen-Inhalationskur entspricht mit 3,5 x 105 Bqh/m3 dem Medianwert von 2,8 x 105 Bqh/m3 durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien während eines Jahres. Die Radonexposition eines Patienten durch 6 Kuren beträgt im Mittel insgesamt 2,1 x 106 Bqh/m3, die aus der Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien während 75 Lebensjahre resultierende Exposition errechnet sich zu 2,2 x 107 Bqh/m3, d.h., sie ist 10 mal höher. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (2) Epidemiologische Untersuchungen an Strahlenexponierten erlauben es aus statistischen Gründen (zu geringe Fallzahlen und Einfluss von Confoundern) nicht, im Bereich niedriger Dosen (1 – 10 mSv) den Beweis zu erbringen, dass auch in diesem Dosisbereich wie bei hohen Dosen eine lineare Korrelation zwischen Dosis und Wirkung besteht. Vielmehr können biologische Mechanismen wie Adaptive response, Apoptose, Bystander Effekt, Genomische Instabilität, Reparatur im Niedrigdosisbereich, eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen. Zu komplex, zu widersprüchlich sind die Ergebnisse, zu unvollständig unser Wissen, als dass wir konkrete Rückschlüsse auf den Verlauf der Dosis-Wirkungsbeziehungen im Niedrigdosisbereich ziehen könnten. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (3) Es ist deshalb angezeigt, das strahlenbedingte Risiko einer Exposition mit ionisierenden Strahlen im Bereich niedriger Strahlendosen durch den Vergleich mit der natürlichen Strahlendosis und deren Schwankungsbreite oder konservativ abzuschätzen wie im Strahlenschutz unter dem Vorsorgeaspekt üblich, nämlich unter Annahme der Gültigkeit einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung ohne Schwellenwert der Dosis im Bereich niedriger Dosen und Dosisleistungen. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (4) Unter der konservativen Annahme des Strahlenschutzes, nämlich der Gültigkeit der LNT-Hypothese auch im Niedrigdosisbereich, errechnet sich die Erhöhung des Lungenkrebsrisikos eines Patienten nach 6maliger Radontherapie in einem Radon-Thermalheilstollen gegenüber dem mittleren Lungenkrebsrisiko durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien für Nichtraucher von 0,41 % um 0,03 % zu 0,44 % Raucher von 10,1 % um 0,59 % zu 10,69 %. Unter Berücksichtigung der geogen und durch Nutzung der Räume bedingten Schwankungsbreite der Radonkonzentration in Wohnungen und im Freien ist diese hypothetisch abgeschätzte Erhöhung des Lungenkrebsrisikos von Patienten der Radoninhalationstherapie irrelevant. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (5) Die jährliche effektive Dosis des Personals liegt abhängig vom Therapieverfahren und der Aufenthaltsdauer im Therapieraum zwischen 0,2 (Radon- Badekur) und 15 mSv (Radon-Thermalstollen-Kur) und damit zwischen 10% und maximal bei 75% des Grenzwertes der gesetzlichen jährlichen beruflichen Strahlenexposition. Die Strahlendosis des Personals kann bei der Radon-Balneotherapie im Thermal-Heilstollen im Sinne der Optimierung des Strahlenschutzes durch einfache Strahlenschutzmassnahmen weiter reduziert werden. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (6)