Biologie Wirkung Beziehung der Strahlentherapie, Strahlentherapie, Strahlentherapeutische Maßnahmen bei Tumoren, Ionisierende Strahlung und biologische Wirkung, Strahlenwirkmechanismus auf Gewebe, Allgemeine Strahlentherapie, Weitergabeskript

1. Biologische Wirkungen
ionisierender Strahlung
PD Dr. Jürgen Füller
Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie
der Friedrich-Schiller-Universität Jena

2. Strahlenwirkmechanismus
Physikalische Primärprozesse
Chemische Veränderungen
Biologische Reaktionen
(Anregung, Ionisation)
(Nukleinsäuren, Proteine, Lipoide)
Körperzellen Keimzellen
Deterministische
Schäden
Stochastische
Schäden

3. Strahlenwirkmechanismus
Physikalische Primärprozesse
Chemische Veränderungen
Biologische Reaktionen
(Anregung, Ionisation)
(Nukleinsäuren, Proteine, Lipoide)
Körperzellen Keimzellen
Deterministische
Schäden
Stochastische
Schäden

4. Grundstruktur
tierischer Zellen

5. Arten der Energieabsorption
Direkte Strahlenwirkung:
Indirekte Strahlenwirkung:
• Energieabsorption und Strahlenwirkung im
biologischen Molekül
• Energieabsorption im Wasser mit Radiolyse
• Entstehung diffusibler Radikale und H2O2
• Energietransfer an Biomoleküle (Oxidation)

6. Strahlenwirkmechanismus
Physikalische Primärprozesse
Chemische Veränderungen
Biologische Reaktionen
(Anregung, Ionisation)
(Nukleinsäuren, Proteine, Lipoide)
Körperzellen Keimzellen
Deterministische
Schäden
Stochastische
Schäden

7. Schematischer
Aufbau eines
DNA - Moleküls

8. Interaktion von
Replikation,
Transkription
und
Translation

9. Nukleinsäureschäden (1)
REVERSIBEL „IRREVERSIBEL“
• Basenschäden
• Einzelstrangbrüche
• H-Brückenbrüche
• DNA-Protein-Verbindg.
• Doppelstrangbruch
• Vernetzungen
- Intramolekular
- Intermolekular

10. Nukleinsäureschäden (2)
1 Sv (Mutationsverdopplungsdosis)
führt pro Zelle etwa zu:
• 3000 Basenschäden, -verlust
• 1000 Einzelstrangbrüchen
• 40 Doppelstrangbrüchen
Doppelstrangbrüche (nicht oder falsch
repariert) = wichtigster Mechanismus
der biologischen Strahlenwirkung.

11. Biomolekülwirkungen
Proteine:
Lipide/Lipoide:
Kohlenhydrate:
• Reakt. d. Aminosäuren
• enzymatische Funktion
• Denaturierung
• kataboler Stoffwechsel
• Immunsuppression
• FS-Peroxidbildung
• Membranstörungen
• oxid. Phosphorylierg.

12. Strahlenwirkmechanismus
Physikalische Primärprozesse
Chemische Veränderungen
Biologische Reaktionen
(Anregung, Ionisation)
(Nukleinsäuren, Proteine, Lipoide)
Körperzellen Keimzellen
Deterministische
Schäden
Stochastische
Schäden

13. Grundstruktur
tierischer Zellen

14. Hierarchie des
chromosomalen
Aufbaus

15. Chromosomenaberrationen
NUMERISCH STRUKTURELL
• Chromosomenbrüche
• Deletion / Fragmente
• Inversion
• Translokation
• Ringchromosomen
• Dizentrische Chrom.
• Azentrische Chrom.
• Polyploidie
Vervielfachung d. gesamten
Chromosomensatzes
• Aneuploidie
Vervielfachung oder Fehlen
einzelner Chromosomen

16. Zellzyklusempfindlichkeit
• G1/S- u. G2/M-Übergang
• G1- und G2-Phase
• Synthesephase
• G0-Phase
HOCH
NIEDRIG

17. Mitoseverlauf
B - Prophase
C - Metaphase
D - Anaphase
D - Telophase

18. Radiogene Zelleffekte
• Interphasetod:
• Reproduktiver Tod:
• Zellerholung:
• Kein Effekt:
keine Teilungs-
fähigkeit mehr
verlangsamte Teilung,
späterer Tod
subletaler Strahlen-
schaden, Mutationen
ungestörte Teilung,
keine Mutationen

19. Strahlenwirkmechanismus
Physikalische Primärprozesse
Chemische Veränderungen
Biologische Reaktionen
(Anregung, Ionisation)
(Nukleinsäuren, Proteine, Lipoide)
Körperzellen Keimzellen
Deterministische
Schäden
Stochastische
Schäden

20. Deterministische Strahleneffekte
Wirkungen
akut:
• Nekrose (Parenchym)
• Entzündungen
(Mesenchym)
chronisch:
• Fibrose (degenerativ-
chronische Prozesse)
Merkmale
• Zunahme des Schwere-
grades mit steigender
Dosis
• Schwellendosis etwa
200 - 500 mSv
• Strahlenkrankheit bei
Ganzkörperbestrahlung

21. Gewebe-Strahlensensibilität
Hoch:
Mittel:
Gering:
• Knochenmark
• Lymphatisches Gewebe
• Ovarien, Hoden
• Dünndarmschleimhaut
• Haut, Schleimhaut
• Drüsengewebe
• Augenlinse
• Bindegewebe
• Muskulatur
• Nervengewebe

22. Akute Strahlenkrankheit (1)
Kurzzeitige Einwirkung von ionisierender
Strahlung mit > 1 Sv auf den gesamten
Organismus oder größere Teile von ihm
Systematik: 1 - 10 Sv: hämatolog. Form
10 - 50 Sv: intestinale Form
50 - 100 Sv: toxische Form
> 100 Sv: cerebale Form
I: 1 - 2 Sv 0%
II: 2 - 4 Sv 20%
III: 4 - 6 Sv 50%
IV: > 6 Sv 100%
Schweregrad/
Letalität:

23. Akute Strahlenkrankheit (2)
Prognosekriterien für die Einstufung
Schweregrad Erbrechen Lymphozyten Haarausfall Biologische Letalität
(3. Tag) (2 Wochen) Dosimetrie (3 Monate)
Leicht (1)
Mittel (2)
Schwer (3)
Extrem (4)
Nein
1 - 2 h
0,5 - 1 h
< 0,5 h
> 600
300 - 600
100 - 300
< 100
Nein
nein
ja
ja
< 2 Sv
2 - 4 Sv
4 - 6 Sv
6 - 16 Sv
0 / 105
8 / 53
10 / 23
19 / 22
Akute Strahlenkrankheit (203) nach Tschernobyl, UNSCEAR 1989

24. Akute Strahlenkrankheit (3)
1.Primärperiode: Mattigkeit, Übelkeit, Erbrechen
2.Latenzperiode: Relatives Wohlbefinden
3.Gipfelperiode: Toxisch-febriles Krankheitsbild
4.Genesungsp.: Minderleistung, Krebsrisiko
Pathogenetische Merkmale
• Panhämozytopenie
• Gastrointestinalsyndrom

25. Akute Strahlenkrankheit (4)
Therapie der Gipfelperiode:
Leukopenie:
Thrombopenie:
Anämie:
Darmschädigung:
Symptomatisch:
Knochenmarktransplantationsversuch
Infektprophylaxe
Leukokonzentrat, GMCSF
Thrombokonzentrat
Gerinnungsfaktoren, Vit. K
Erythrozytenkonzentrat
Erythropoetin, Vit. B6, B12
Infusionstherapie (Schock)
Sepsisbehandlung
Psychopharmaka, Analgetika
Hautexterna

26. Akute Strahlenkrankheit (5)
Kombinierte Strahlenschädigung
Syndrom der gegenseitigen Komplizierung:
• Radiogene Schädigung
• Traumatische Schädigung
• Thermische Schädigung
Erhöhte Letalität ! Chirurgische Eingriffe
nur in der Latenzperiode durchführen !

27. Chronische Strahlenkrankheit (1)
Merkmale:
• Folgezustand einer überlebten akuten Strahlenkrh.
• Häufige / chron. Einwirkung von Dosen < 1 Sv
• Exposition / Kontamination / Inkorporation
Charakteristik:
• kein phasenhafter Verlauf
• allgemeine Leistungsinsuffizienz
• reversible / irreversible Organstörungen
• chronische Immunschwäche
• Kanzerogeneserisiko

28. Isotopenmigration im Organismus
Lunge Respirator.
Lymphkn.
Körperflüssigkeit Gewebe
Leber
Stuhl Urin
Ingestion Inhalation Exhalation
Magen-Darm-Trakt
Haut
Schweiß
Wunde
Resorption
Niere Skelett

29. Chronische Strahlenkrankheit (2)
Therapeutische Aspekte
• Nuklidentfernung (Dekontamination / Dekorporation)
• Vermeidung weiterer chronischer Exposition durch
Evakuierung aus kontaminierten Arealen sowie
Vermeidung kontaminierter Lebensmittel
• organabhängige symptomatische Maßnahmen
• effektive Dispensairebetreuung hinsichtlich
Immuninsuffizienz, Kanzerogeneserisiko und
genetischer Keimzelleffekte

30. Strahlenwirkmechanismus
Physikalische Primärprozesse
Chemische Veränderungen
Biologische Reaktionen
(Anregung, Ionisation)
(Nukleinsäuren, Proteine, Lipoide)
Körperzellen Keimzellen
Deterministische
Schäden
Stochastische
Schäden

31. Stochastische Strahleneffekte
Wirkungen
• Erbschäden durch
Keimzellmutation
• Kanzerogenese
durch
somatische Mutation
Merkmale
• Zunahme der Wahr-
scheinlichkeit mit
steigender Dosis
• Schweregrad
dosisunabhängig
• Kein Schwellenwert

32. Strahlenkanzerogenese
Historische und aktuelle Beispiele
• Schneeberger Lungenkrebs (Radon)
• Hautkarzinome bei Röntgenoderm
• Radioaktive Leuchtfarben (GI-Trakt)
• Röntgenkontrastmittel Thorotrast
• Leukämien der Atombombenopfer
• Schilddrüsenkarzinome (Tschernobyl)

33. Jährliche natürliche Radioaktivität in
Mitteldeutschland (2,4 mSv)
Radon
terrestrisch
kosmisch
Organismus
1,3 mSv (53%)
0,5 mSv (21%)
0,3 mSv (13%) 0,3 mSv (13%)

34. Mittlere zivilisatorische
Strahlenexposition (2,0-2,5 mSv)
Medizin:
• Radiol. Diagnostik
• Radiol. Therapie
Sonstiges:
• Berufl. Exposition
• Flugreisen
• Fernsehen
• Leuchtfarben
• Kernkraftwerke
• Rad. Fallout
1,9 mSv Medizin
0,1 mSv Sonstiges

35. Effektive Ganzkörperbelastungen
radiologischer Diagnostik (mSv)
0
2
4
6
8
10
12
Natürl.
Radioaktivität
Zivilisat.
Radioaktivität
Tschernobyl
1986
(D)
Atlantikflug
Rö-Thorax
Rö-Becken
KM-Niere
KM-Colon
CT-Abdomen
2,4 2,0
<0,1 0,05 0,05
1,5
5,0
9,0
12,0

36. Strahlenkanzerogeneserisiko
5 x 10 x Sv entspricht:
5/100 der mit 1 Sv Exponierten
sterben statistisch an einer Krebserkrankung.
Krebsmortalität steigt von ca. 28% auf ca. 33%.
Lineare Extrapolation auf 1 mSv:
5/100.000 pro 1 mSv
Krebsmortalität „steigt“ von 28% auf 28,005%
(ist aber epidemiologisch nicht nachweisbar !)
-2 -1

37. Hiroshima und Nagasaki
76.000 strahlenbelastete Überlebende
• 58.000 < 100 mSv
• 11.500 100 - 500 mSv
• 3.500 500 - 1000 mSv
• 2.000 1.000 - 2000 mSv
• 1.000 > 2000 mSv
Bis 1986 sind 6000 Menschen an Krebs
verstorben, davon 340 strahlenbedingt.

38. Risikovergleich durch Verlust
an Lebenserwartung (Tage)
0
500
1000
1500
2000
2500
Rauchen (30 Jahre)
Herz-Kreislauf-Erkr.
Krebserkrankungen
Übergewicht (15%)
Arbeitsunfälle
1 mSv/Jahr lebenslang
10 mSv einmalig
0,3
19
777
1247
2043
2405
60

39. Keimzellschädigung
Genetisches Risiko von Fehlbildungen
potentieller Nachkommen fertiler Pat.
( BEIR -Report, USA, 1990 ):
2 genetische Defekte pro 1.000.000 Geborene
und 1 mSv effektiver Ganzkörperbelastung
Beachte: Spontan 60.000 genetische Defekte
pro 1.000.000 Geborene ( 6% )
Risiko steigt bei 1 mSv von 6 auf 6,0002% !

40. Strahleneffekte und Gravidität
Stadium Strahlenwirkungen
Blastogenese
(0. - 9. Tag)
Embryogenese
(10. - 42. Tag)
Fetalperiode
(43. Tag -Geburt)
Resorption
(„Alles-oder-Nichts“-
Gesetz)
Fehlbildungen
(Wachstumsstörungen,
pränataler Tod)
Wachstumsstörungen
(Fehlbildungen,
pränataler Tod)

41. Strahlenschutzaspekte
Fragen in bildgebender Diagnostik
1. Nutzen oder Konsequenzen der
diagnostischen Aussage ?
2. Diagnostische Aussage auch ohne
ionisierende Strahlung möglich ?
3. Welche Methodik bringt bei kleinster
Strahlenbelastung größten Nutzen ?

42. Strahlenschutz heißt:
• Vermeidung deterministischer
Strahlenwirkungen
• Minimierung stochastischer
Strahlenwirkungen