Strahlenschutz , biologisch und natürliche Belastung. Unterschiedliche strahlenempfindlichkeit einzelner Zellen des Menschen bis Faktor 100 , wie etwa Lymphbahnen und Blutzellen, sehr sensibel im vgl. zu Nervenzellen sehr resistent = biologische Strahlenwirkung. Weitergabeskript

1. Strahlenschutz:
biologische Grundlagen
Franz Rödel
Klinik für Strahlentherapie und Onkologie
Folien unter: Homepage Strahlentherapie/lehre/downloads
QB 11 – Strahlenschutz und Strahlentherapie/ Grundlagen des Strahlenschutzes

2. Strahlentherapie:
Tumorinaktivierung
Strahlenschutz:
Strahlenschäden: akut/chronisch
Teratogene Effekte
Mutationen/Tumorinduktion
Warum Strahlenschutz ?

3. Strahlendosen: wovon sprechen wir
Absorbierte Dosis in Sv

4. Mittlere effektive Jahresdosis durch
ionisierende Strahlung im Jahre 1999
Natürliche Strahlenquellen
~ 2,4 mSv/a
Künstliche Strahlenquellen
~ 2,1 mSv/a

5. Strahlenbelastung durch medizinische
Anwendungen

6. Beispiele für Körperdosen und deren Wirkung
Quelle: Radioaktivität und Strahlenschutz, Informationskreis Kernenergie 2007

7. Tumorkontrolle und Komplikationsrisiko
Holthusen 1936

8. Quelle: Radioaktivität und Strahlenschutz, Informationskreis Kernenergie 2007
Arten von Strahlenschäden

9. ist abhängig
 von der Art des bestrahlten Gewebes
 von der Art der Strahlung (Photonen, –, –Teilchen)
 von den Umständen der Bestrahlung (Dosisleistung,
zeitliche Verteilung etc.)
Auftreten von Strahlenschäden

10. Faktoren der Strahlenwirkung
Quelle: Radioaktivität und Strahlenschutz, Informationskreis Kernenergie 2007

11. Zeitlicher Verlauf und Dosisabhängigkeit von
akuten und chronischen Strahlenschäden
Akute Strahlenfolgen Chronische Strahlenfolgen

12. Effekte der Strahlenwirkung
2 prinzipelle Möglichkeiten

13.  erfolgen nach dem Zufallsprinzip
 Schädigung des Genmaterials mit den Folgen einer
Kanzerogenese oder der Entstehung von
genetischen Defekten,
 evtl. nur an einzelnen Zellen
 es gibt keine „unschädliche“ Dosis und keine
Schwellendosis
 Wahrscheinlichkeit der Wirkung = Funktion der
Dosis
Stochastische Wirkungen ionisierender
Strahlung

14. Korrelation Mutationen und Strahlendosis
Dosis (Gy)
Mutationshäufigkeit
(%)

15. Organdosis (Sv)
Zusätzliche
Fälle
pro
10
4
Personen
und
Jahr
Tumorinduktion nach Bestrahlung

16. Erwartetes relatives Krebsrisiko in
Abhängigkeit von der Dosis
Dosis

17. Beobachtete und erwartete Todesfälle durch
solide Tumoren (Karzinome) in Hiroschima und
Nagasaki 1950- 1997
Preston et al, Radiat Res. 2003

19. Die LNT-Hypothese
LNT = Linear No Threshold
Krebsrisiko
Dosis
Schwellendosis
Hormesis
LNT
Supralinear
LQ = Linear Quadratic
LQ

20. Stochastische Strahlenwirkung
• Keine Schwellendosis
• Wahrscheinlichkeit der
Wirkung = Funktion der Dosis
Deterministische Strahlenwirkung
• Schwellendosis
• Ausmaß des Schadens
= Funktion der Dosis

21.  Schädigung an einer Mehrzahl von Zellen
Direkter Schaden mit Zelltod
Indirekter Schaden an den Gefäßen des
betroffenen Gewebes
 Auftreten nach Erreichen einer Schwellendosis
 Mit der verabreichten Dosis nimmt der
Schweregrad des Schadens zu
Deterministische Wirkung
ionisierender Strahlung

22. Zeitanhängigkeit der Normalgewebsreaktion
frühe (akute)
Reaktion
späte (chronische)
Reaktion
innerhalb der ersten 90
Tage nach RT
klinische Ausprägung
Wochen bis Jahre
 Erythem
 Pigmentierung
 trockene, feuchte
 Epithelioloyse
 Nekrosen
 Fibrose
 Teleangiektasien
 Atrophie

23. Pathophysiologie akuter Strahlenfolgen
Betroffenes Gewebe Schädigung
Stammzellen Stammzellverlust
Kompensation durch erhöhte
Proliferation
kleine Gefäße Mikrozirkulationsstörungen durch
Vasodilation der Kapillaren und
Konstriktion der Venolen
Permeabilitätssteigerung
Immunsystem Induktion einer akuten
Entzündungsreaktion

24. Modifiziert nach
Archambeau et al.
Int. J. Rad. Oncol.
Biol. Phys. 1995
Wochenende
Wochenende
Tage
Kontrolle
basale
Kontrolle
basale
Zell-
dichte
Mitose-
Index
2 Gy /Tag 30 Gy 60 Gy
Basalzelldichte und Mitoseindex während
fraktionierter Bestrahlung

25. Schleimhauttoxizität nach Bestrahlung

26. Pathophysiologie chronischer Strahlenfolgen
Betroffenes Gewebe Schädigung
Bindegewebe Fibroseinduktion (Fibroblasten)
Kapillaren und postkapilliäre
Venolen
Atonie, Teleangiektasien
Kleine und mittlere Arterien Intimafibrose, Lipidablagerungen,
Wandsklerose und Lumeneinengung

27. Pathophysiologie der Strahlenschaden
Beispiel Lungengewebe
normal akut chronisch

28. Nichtmaligne Spätschäden
Deterministische Strahlenfolgen
Organ Schaden Schwellendosis
(Gy)
Augenlinse Linsentrübung 5
Permanente Sterilität 10
Niere Nephrosklerose 23
Lunge Pneumonitis, Fibrose 40
Hirn Nekrose 50
Haut Fibrose 55
Harnblase 60
Schrumpfung
Keimdrüsen

29. Deterministische Strahlenfolgen
Relative Anzahl Lymphozyten nach Ganzkörper-
Bestrahlung in Anhängigkeit von Zeit und Dosis
Zeit nach Exposition (Tage)

30. Deterministische Strahlenfolgen
Blutbildveränderungen nach Ganzkörper-Bestrahlung in
Abhängigkeit von der Zeit

31. Teratogene Effekte ionisierender Strahlung

32. Teratogene Effekte ionisierender Strahlung
Quelle : E. Hall Radiobiology for the Radiologist 2007

34. Endothelzellen
Tumorzellen
Immunzellen
Tumorzellen Fibroblasten
Modifiziert nach Hanahan D, Weinberg A. The Hallmarks of Cancer Cell 2000, 100: 57
Veränderte Sichtweise des Tumorgewebes

35.  DNA Schäden treten während
oder kurz nach Bestrahlung im
Zellkern der Zielzellen auf
 Potential für biologische Kon-
sequenzen innerhalb einer
oder weniger Zellgenerationen
 Klonale Effekte
Klassisches Paradigma
der Strahlenbiologie
„Targeted“ Effekte
Neue Kenntnisse
 Bystander Effekte
 genomische Instabilität
 Low-dose Hypersensitivity
 Adaptive Antwort
 oftmals diskontinuierliche
Dosisabhängigkeit
 nicht klonale Effekte
„Non-targeted“ Effekte
Ein „neues Paradigma“ der Strahlenbiologie

36. Kommunikation von Zellen nach Bestrahlung
Lösliche Faktoren
Zell-Zell-Kontakte

37. Immunsystem
&
ionisierende Strahlung
Modulation der Antwort Initiation der Antwort
• Toxische Effekte der
Strahlentherapie (Bsp.
Strahlendermatitis)
• Induktion einer
entzündlichen Anwort
(NF-kB, Zytokine)
• Chronische Entzündung
als Stimulus für eine
Tumorentwicklung
• Anti-entzündliche
Effekte bei akuter and
chronischer Entzündung
• Lokale and systemische
(abskopale) Effekte
• Einfluss auf aktivierte
Immunzellen
• Induktion von Tumor-
Zelltod; Gefahrensignale
• Modulation der Tumor-
mikroumgebung
• Modulation der
Leukozyteninfiltration
(TILs und TAMs)
Niedrig-Dosis Bestrahlung
(Einzeldosen ≤ 1.0 Gy)
Hoch-Dosis Bestrahlung
(Einzeldosen > 1.0 Gy)
modifiziert nach Frey et al. Cancer Lett 2015

38. modifziert nach Fridman et al. Nat Rev Cancer 2012
Die Immun-Umgebung humaner Tumore
Tumorkern
Invasionsrand
Tumorbett
Stroma
Mastzellen
Makrophagen
B-Zellen
T-Zellen
NK-Zellen
Dendritische
Zellen

39. Nachweis Tumor-infiltrierender
Lymphozyten (TiLs)
CD8 intratumoral CD8 peritumoral
hohe
Expression
geringe
Expression

40. Prognostische Relevanz von CD8-positiven TILS
Zeit (Monate)
Gesamtüberleben
Metastasenfreies
Überleben
Lokale
Tumorkontrolle
Zeit (Monate) Zeit (Monate)
CD8 hoch
CD8 gering
CD8 hoch
CD8 hoch
CD8 gering
CD8 gering

41. Die Zukunft der Strahlentherapie
Optimale Sequenz der
Therapieoptionen
Mechanismen der
Strahlenresistenz
„Next Generation
drugs“
Selektion geeigneter
Patienten/Tumorentitäten
(individualisierteTherapie)
sinnvolle
Kombination mehrerer ziel-
gerichteter Medikamente
und Immuntherapie
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