Strahlenbiologische Wirkungen

Strahlenbiologische Wirkungen
Bence Tamás dr. Szabó
26. September 2016.
Definition
 allgemeine Strahlenbiologie: Wissenschaftszweig der
sich mit der auf lebendige Stoffe ausgeübten Wirkung
der (ionisierenden oder nicht ionisierenden) Strahlung
beschäftigt (allgemeine Gesetzlichkeiten der
morfologischen, funktionellen, somatischen, genetischen
und biochemischen Wirkungen)
 spezielle Zielen
=> angewendete Strahlungsbiologie
(ärtztliche, tierärtztliche, militärische, industrielle...)
ärtztliche Strahlungsbiologie
 beschäftigt sich mit der auf den Menschen ausgeübten
Strahlungswirkungen
Marie Curie (1867 - 1934)
Pierre Curie (1859 - 1906)
1903: Nobelpreis für Physik
1911: Nobelpreis für Chemie
Antoine-Henri Becquerel
(1852-1908)
1903: Nobelpreis für Physik
Quellen der ionisirenden Strahlen
natürliche
ausser
Erdkruste
Gesteine
künstliche
inner
kosmische
Universum
jedes Isotop,
das in die
Körper gelangt
Atomexplosion,
Kernwaffen,
radioaktiver
Abfall
ärtztliche
Untersuchung,
Therapie
Wie wirkt die Strahlung auf uns?
ioisierende
Strahlung
physische
Wirkung
Chemische
Wirkung
biologische
Wirkung
•α,β.γ, usw.
•Ionisation
•Anregung
•WASSERmoleküle!
•Bildung
von freien
Radikalen
•DNS, ungesättigt
Fettsäuren der
Zellmembran
•direkte & indirekte
Wirkung
10-17 -10-12 sec
10-10 - 103 sec
1 s - Jahre
Biológiai hatás
direkte Strahlenwirkung
• Energieabsorbtion und Schädigungen an
demselben Molekül
indirekte Strahlenwirkung
• Energieabsorption durch ein (Wasser)Molekül
(als Freiwurzel) das ein anderes
(Makro)Molekül schädet
DNS im Rampenlicht?
 wörtlich!
 Strahlenempfindlichkeit: DNS > RNS > Proteine > Lipide
 DNS-Schäden:
 Einzelstrangbruch
 Doppelstrangbruch
 Basenschaden
 Kreuzverkopplung
 DNS-Protein Quervernetzung
 Protein-Protein Quervernetzung
 Chromosomenaberrationen:
 Deletion
 Translokation
 dizentrische und Ringchromosomen: biologische Dosimetrie
Dizentrische und Ringchromosom:
biologische Dosimetrie
Biologische Wirkungsmechanismus
Schicksal der
Zellen
DNS-Reparatur:
GENÜGEND
Störungen von
Zellenzyklus
Apoptose
(Lymphozyten)
reproduktiver
Zelltod
(am meistens)
DNS-Reparatur:
nicht
GENÜGEND
Mutationen
Erbschaden???
malignere
Umwandlung
Strahlungsempfindlichkeit der Natur
Die Wirkungen sind beeinflussbar!
physische
chemische
biologische
Qualität der
Strahlung
Sauerstoff-Effekt
Geschlecht
Wassergehalt
Lebensalter
freie Radikale
Zellzyklus
Dosisleistung
Dosisfraktionierung
Temperatur
Qualität der Strahlung:
Qualitätsfaktoren
LET= Linear Energy Transfer = linearer Energietransfer
 der ΔE Energieverlust eines primären Teilchens pro Δs
Längeneinheit
 LET=ΔE/ Δs
 keV/μm
 abhängig: Masse, Ladung, Geschwindigkeit
 niedrig: Röntgen, γ, β- Strahlen, Photonen, Elektronen
(indirekte Wirkung)
 hoch: α Teilchen, schnelle Neutronen, Protonen (direkte
Wirkung)
 Ionisationsdichte ~ LET-Wert ~ biologische Wirkung
Qualitätsfaktoren
•relative biologische Wirksamkeit
•Sauerstoff-Verstärkungs-Faktor (OER = Oxygen Enhancement Ratio)
•1909: beobachtet, daß die Anwesenheit von Sauerstoff die Strahlwirkung erhöht
•durchschnittlicher OER-Wert für Gammastrahlung bzw 2-3
•Bei Strahlentherapie man muss beachten, dass die Strahlenresistenz durch die Strahlen
mit niedrigen LET-Werte in Hypoxie erhöht wird (Révész).
Qualitätsfaktoren
 Dosis-Modifizierungs-Faktor (DMF) : gebräuchlich in Strahlentherapie
ionisierende Strahlung
deterministische
Strahleneffekt
früh
Strahlenkrankheit
verspätet
Strahlenkrankheit
lokale
Strahlenschäden
stochastische
Strahleneffekt
maligne Tumoren
Erbschaden
Deterministische Strahleneffekt
• Wirkung erscheint immer über
Gewichtigkeit von
biologischer Wirkung
Schwellendosis und nie
darunter
• sigmoid Verhältnis
• Gewebe- und
Organveränderung mit Zelltod
• das Mass des Schadens ist
proportional zur Dosis
•Je kleiner der Schwellendosis
ist, desto strahlenempfindlicher
ist die bestrahlte Rauminhalt
• pl.:
Hautschäden,
Katarakt,
Verringerung der Blutkörperchen,
Oligo- és Aspermie
Dosis
Strahlenempfindlichkeit der
menschlichen Gewebe
 Lymphgewebe
 Knochenmark
 GI Schleimhaut
 Gamete - Keimzellen
 Haut – proliferative Zellschicht(stratum basale)
 Gefässe - Endolthelzellen
 Drüsengewebe, Leber
 Bindegewebe
 Muskelgewebe
 Nervengewebe
Gesetz von Bergonié-Tribondeau(1906) : die Strahlenempfindlichkeit der Zelle während Zellyklusses
S fázis < G1-G2 Phase< M Phase => Reproduktionspotenzial ~ Strahlenempfindlichkeit
Lymphatisches System
 ein paar hundert mGy: die Zahl der
Lymphozyten sich verringert: prognostische und
diagnostische Wert im Fall des
Strahlenschadenes
 ≥1500/mm3 : klein Dosis, braucht keine ärtztliche Behandlung
 1000-1500/mm3 : Transfusion der Granulozyten und
Thrombozyten kann notwendig
 500-1000/mm3 :schwerer Strahlenschaden, Hospitalisation!!
 <500/mm3 : kann fatal sein wegen der Komplikationen der
Panzytopenie
 0/mm3 : supraletale Strahlendosis zum Patient
 Lymphozyten würden sofort sterben
Lymphatisches System
normale menschliche
Lymphozyte
Lymphatisches System
nach der Apoptose
Knochenmark
 immer sich erneuernde Systeme
 multipotente Stammzellen (besonders strahlenempfindlich,
D0= 0,8-1,6 Gy) -> Granulozyten, Erythrozyten,
Macrophyagen, Megakaryozyten (letzte sehr
strahlenresistente, D0=50 Gy)
 Erythrozytenproduktionssystem sich beschädigt am stärksten
<= transiente Progenitorzellen sind strahlenempfindlich!!!
Knochenmark
 Granulozytopenie 5-8 Tagen
 Thrombozytopenie 3-4 Wochen
 Anaemie nur mehr Wochen später (Erythrozyten
durchschnittliche Lebensdauer: 120 Tage)
 nach subletaler Strahlendosis die intakte Knochenmarkinseln
fangen die Wiederbevölkerung der abgestorbenen Begreiche an
Gastrointestinale Systeme
 immer sich erneuernde Systeme
 die strahlenempfindlichste Abschnitte: der Dünndarm,
 Stammzellen tief in der Krypten woraus die Tochterzelle zur Ende der
Zotten wandern und ihre Strahlungsempfindlichkeit sich verringert
 Darmschleimhaut würde nach einer Woche absterben =>
Grenzebereich gegen Bakterien fehlt => Sepsis, Tod)
Gameten
 Frauen: keinen Unterschied in Fruchtbarkeit
zwischen der normalen und der Überlebenden
von Hiroshima beobachtet wurden
vorübergehende Unfruchtbarkeit: 1,5-2 Gy
endgültige: 3-10 Gy
 Männer:
Schwellendosis vorübergehender Unfruchtbarkeit: 0,5-4
Gy (nach 2-6 Gy Regeneration braucht 40-60 Monaten)
endgültige 5-9 Gy
bezüglich der Gesundheit der Nachkommen die
elterliche Keimdrüse sind die empfindlichste Organe
Haut
 strahlenempfindlichste Zellen:
 Zellen des str. basales in Epidermis <=
Gesetz von Bergonié –Tribondeau
 Wirkungen:
EPIDERMIS
DERMIS
From “Atlas de Histologia...”. J. Boya
 Erythem: 1-24 Stunden nach der
Bestrahlung után (3-5 Gy)
 Allopezie: 5 Gy- reversibel; 20 Gyirreversibel
 Pigmentierung: erscheint in acht Tagen
nach der Bestrahlung
 trockene und feuchte Abschuppung
(desquamatio):  20 Gy
 spät Wirkungen: Teleangiectasie,
Fibrose.
Gefäßsystem
 die empfindlichste: Endothelzellen (1,5 Gy)
 kleine Blutgefäße mehr als die Grosse
 Beschädigung der Kapillare und arteriolar System
 Gefäßreaktionen
 früh: vasoaktive Substanzen – geachsene Durchlässigkeit der Gefäße Ödem - Ernährung und Gasaustauschstörung
 spät: Verdickung der Endothelschicht, Anfälligkeit: Atherosklerose
Zentralnervensystem
 Neuronen: extreme Strahlenresistenz (100-1000 Gy)
 Schäden der Gliazellen => Demyelinisierung
 Endothel: strahlenempfindlicher
 1,5 Jahre später, funktionelle Störugen Nervenstörungen
durch Durchblutungsstörungen
10-50 Gy kann akute Strahlenkrankheit innerhalb von 2
Tagen verursachen => Tod
Linse des Auges
 Katarakt: Spätdeterministische Wirkungen,
Schwellendosis 2 Gy
 Epithelzellen des Linses enthält keine Kerne, sind
in Linsenfasern differenziert, deshalb haben sie
keine Reparatur
 in Jugendliche: Linse ist empfindlicher
Leber, Schilddrüse, Herz, Lunge
 Leber: wird geschädigt durch die Schäden ihres Gefäßsystem
 Schilddrüse: mässig strahlenempfindlich <= gut differenzierte
Zellen!!
 Lunge: Strahlenpneumonitis <= Schäden der Endothelschict der
Alveolen
 Herzmuskel: strahlenresistent, hohe Dosis: exsudative
Perikarditis
Ganzkörper-Bestrahlung
 Die Ursachen der akuten Strahlenkrankheit:
 Unfall - menschliche Unwissenheit / Fahrlässigkeit oder technisches Versagen
(Diebstall der 137Cs Quelle Strahlentherapie Diebstahl, Demontage, Verletzung
der Sicherheitsbestimmungen ...)
 Immunsuppression, Hälfte und Ganzkörperbestrahlung wegen therapeutischen
Zielen
 Militär
 Raumfahrt
 Späten klinischen Strahlenkrankheit (deterministischen und stochastischen
Phänomenen auch auftreten)






Lebensdauerverkürzung
Katarakt
Leukämie
degenerative Erkrankung
Tumor
Fehlbildungen
Szindroma típusok
Központi
idegrendszeri
Gastrointestinalis
Haematológiai
Determináns
szerv
Agy
Vékonybél
Csontvelő
Küszöbdózis
>100 Gy
5-12
2,5-5
Latentiaidő
1/4-3 óra
3-5 nap
2-3 hét
Klinikum
Temor
Ataxia
Convulsio
Hányinger, Hányás
Hasmenés, Étvágytalanság
Láz, Dehydratio,
Elektrolyvesztés, Collapsus,
Rossz közérzet
Septikaemia
Rossz közérzet, Láz
Dyspnoe, Leukopenia
Thrombopenia-purpura
Fáradtság, Infectio, Anaemia
Pathológia
Vasculitis
Encephalitis
Meningitis
Oedema
Bélepithelium depletio
Neutropenia, Infectio
Csontvelőatrophia
Pancytopenia
Haemorrhagia, Anaemia
Stochastische Strahleneffekt
 linear, ohne Schwellendosis
(ALARA!)
 stasztikai valószínűség szerint
megjelenő hatások
 maligner Tumor
Gewichtigkeit von
biologischer Wirkung
 ((genetische Schádigungen))
Dosis
Karzinogenese
 stochastische
 nur mit vielzahligelementer epidemiologischen Studie
 bestrahlten Populationen wegen therapeutische Zwecke und bei
der Verfolgung der Opfer von Atomwaffentests
 mindestens zwei / multi Genfehler-Akkumulation ist
notwendig:
 Fehler => instabile Genom => ein weiterer Fehler
 Latenzzeiten:
 Leukämie: 4-7 Jahre
 soliden Tumoren: min.10-15 Jahr
Genetische Strahlenwirkung
 stochastische
 natürliche Selektion eliminiert die dominante Mutation
(empirische Tatsache), aber die unsichtbare und
rezessive Mutationen können über Generationen
bestehen bleiben
 um die rezessive Mutationen der Gesamtbevölkerung zu
beseitigen, müssen wir die Strahlenbelastung reduziert
(ALARA-Prinzip = As Low As Reasonably Achievable)
Epidemiologische Studien
 Leukämie: Überlebende der Atombombe Angriff, verletzten
Personen während der Atombombentests, Tschernobyl-Reaktor
(Dampfexplosion)
 Lungenkarzinom: Überlebende der Atombombe Angriff, U Bergleute
 Bei Jungen schnell erhöhte Leukämieinzidenz nach der
Bestrahlung. Aber bei älteren Menschen nur nach 20-30 Jahren
zeigten die Erhöhung der Leukämieinzidenz mit soliden Tumoren.
Biologische Dosimetrie
 bőrpír: kezdeti próbálkozás
 nukleinsav és fehérje anyagcseretermékek
serumból és vizetletből való kimutatása:1950-es évek (nem
sugárspecifikus, gyorsan lecseng) :biológiai indikátorként nem használható
 lymphocyták száma
 mikronukleuszok száma a lymphocytákban
 kromoszóma dozimetria:
 1 Gy alatt az elszenvedett dózis mérésére csaknem kizárólagos módszer
 dicentrikus és ring kromoszómák (kialakulása egyértelműen dózisfüggő, és legtöbbször
sugárspecifikus)
 nincs prognosztikai értéke
 a beteg ellátását a klinikum határozza meg
 egyetlen minta elemzése is több napba telik
 termográfia (3-4 fok különbség van az ép és a sugársérülést szenvedett oldal között), ha csak
helyi sugársérülésről van szó, pl. végtag
Literaturquelle
 Sugárterápia, Springer, 2001, Németh György szerkesztésében
(Sugárbiológia fejezet: Gundy Sarolta)
 Sugáregészségtan, Medicina, 2002, Köteles György
szerkesztésében
 Az ionizáló sugárzások biológiai hatása, Dr. med. habil. Mózsa
Szabolcs
 IAEA Training Material on Radiation Protection in Diagnostic and
Interventional Radiology
 The 2007 Recommendations of the International Commission on
Radiological Protection. ICRP publication 103. Ann ICRP. 2007;37
(2-4): 1-332.
 Farr's physics for medical imaging. Saunders Ltd. (2007)
ISBN:0702028444.