Was ist Radiobiologie – Strahlenbiologie – Definition

Strahlenbiologie (auch bekannt als Radiobiologie) ist eine medizinische Wissenschaft, die die Untersuchung der biologischen Auswirkungen ionisierender Strahlung auf lebendes Gewebe beinhaltet. Strahlung ist überall um uns herum. In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist eine natürliche Energiekraft, die uns umgibt. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, der seit der Geburt unseres Planeten hier ist. Ob die Strahlungsquelle natürlich oder künstlich ist, ob es sich um eine große Strahlungsdosis oder eine kleine Dosis handelt, es wird einige biologische Auswirkungen geben. Im Allgemeinen ist ionisierende Strahlung schädlich und potenziell tödlich für Lebewesen, kann jedoch in der Medizin gesundheitliche Vorteile haben, beispielsweise in der Strahlentherapie zur Behandlung von Krebs und Thyreotoxikose. Dieses Kapitel fasst kurz die kurz- und langfristigen Folgen zusammen, die sich aus der Strahlenbelastung ergeben können.

Zellschädigung – Radiobiologie

Alle biologischen Schädigungseffekte beginnen mit der Folge von Strahlungswechselwirkungen mit den Atomen, die die Zellen bilden. Alle Lebewesen bestehen aus einer oder mehreren Zellen. Jeder Teil Ihres Körpers besteht aus Zellen oder wurde von ihnen gebaut. Obwohl wir dazu neigen, biologische Effekte in Bezug auf die Wirkung von Strahlung auf lebende Zellen zu betrachten, interagiert ionisierende Strahlung definitionsgemäß nur mit Atomen durch einen Prozess, der Ionisation genannt wird. Für ionisierende Strahlung ist die kinetische Energie von Teilchen (Photonen, Elektronen usw.) ionisierender Strahlung ist ausreichend und das Teilchen kann ionisieren (um Ionen zu bilden, indem Elektronen verloren gehen) Zielatome, um Ionen zu bilden. Einfach ionisierende Strahlung kann Elektronen aus einem Atom klopfen.

Es gibt zwei Mechanismen, durch die Strahlung letztendlich Zellen beeinflusst. Diese beiden Mechanismen werden allgemein als Direkte Effekte bezeichnet. Direkte Effekte werden durch Strahlung verursacht, wenn Strahlung direkt mit den Atomen des DNA-Moleküls oder einer anderen zellulären Komponente interagiert, die für das Überleben der Zelle entscheidend ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Strahlung mit dem DNA-Molekül interagiert, ist sehr gering, da diese kritischen Komponenten einen so kleinen Teil der Zelle ausmachen.

Eine große Anzahl von Zellen eines bestimmten Typs wird als Gewebe bezeichnet. Bildet dieses Gewebe eine spezialisierte Funktionseinheit, spricht man von einem Organ. Die Art und Anzahl der betroffenen Zellen ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Einige Zellen und Organe im Körper reagieren empfindlicher auf ionisierende Strahlung als andere.Die Empfindlichkeit verschiedener Zelltypen gegenüber ionisierender Strahlung ist sehr hoch für Gewebe, die aus Zellen bestehen, die sich schnell teilen, wie sie in Knochenmark, Magen, Darm, männlichen und weiblichen Fortpflanzungsorganen und sich entwickelnden Föten vorkommen. Dies liegt daran, dass sich teilende Zellen korrekte DNA-Informationen benötigen, damit die Nachkommen der Zelle überleben können. Eine direkte Wechselwirkung von Strahlung mit einer aktiven Zelle könnte zum Tod oder zur Mutation der Zelle führen, während eine direkte Wechselwirkung mit der DNA einer ruhenden Zelle eine geringere Wirkung hätte.Infolgedessen können lebende Zellen nach ihrer Reproduktionsrate klassifiziert werden, was auch ihre relative Empfindlichkeit gegenüber Strahlung anzeigt. Infolgedessen reagieren aktiv reproduzierende Zellen empfindlicher auf ionisierende Strahlung als Zellen, aus denen Haut-, Nieren- oder Lebergewebe besteht. Die Nerven- und Muskelzellen regenerieren sich am langsamsten und sind die am wenigsten empfindlichen Zellen.

Die Empfindlichkeit der verschiedenen Organe des menschlichen Körpers korreliert mit der relativen Empfindlichkeit der Zellen, aus denen sie bestehen. In der Praxis wird diese Empfindlichkeit durch den Gewebegewichtungsfaktor wT dargestellt, mit dem die Äquivalentdosis in einem Gewebe oder Organ T gewichtet wird, um den relativen Beitrag dieses Gewebes oder Organs zum gesamten Gesundheitsschaden darzustellen, der sich aus einer gleichmäßigen Bestrahlung des Körpers ergibt (ICRP 1991b).

Wenn eine Person nur teilweise bestrahlt wird, hängt die Dosis stark von dem Gewebe ab, das bestrahlt wurde. Beispielsweise ist eine Gamma-Dosis von 10 mSv für den gesamten Körper und eine Dosis von 50 mSv für die Schilddrüse in Bezug auf das Risiko dieselbe wie eine Ganzkörperdosis von 10 + 0, 04 x 50 = 12 mSv.

Hohe und niedrige Strahlung

Wie geschrieben wurde, interagiert jede Art von Strahlung auf unterschiedliche Weise mit Materie. Zum Beispiel können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Alphateilchen sind ziemlich massiv und tragen eine doppelte positive Ladung, so dass sie dazu neigen, nur eine kurze Strecke zurückzulegen und wenn überhaupt nicht sehr weit in das Gewebe einzudringen. Alphateilchen lagern ihre Energie jedoch über ein kleineres Volumen ab (möglicherweise nur wenige Zellen, wenn sie in einen Körper gelangen) und verursachen mehr Schaden an diesen wenigen Zellen.

Betateilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alphateilchen. Sie tragen eine einzige negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen. Sie können mehrere Meter zurücklegen, lagern aber an einem Punkt entlang ihrer Wege weniger Energie ab als Alphateilchen. Dies bedeutet, dass Beta-Partikel dazu neigen, mehr Zellen zu schädigen, jedoch mit jeweils geringerem Schaden. Auf der anderen Seite interagieren elektrisch neutrale Teilchen nur indirekt, können aber auch einige oder alle ihre Energien auf die Materie übertragen.

Es würde die Sache sicherlich vereinfachen, wenn die biologischen Wirkungen der Strahlung direkt proportional zur absorbierten Dosis wären. Leider hängen biologische Effekte auch davon ab, wie sich die absorbierte Dosis entlang des Strahlungsweges verteilt. Studien haben gezeigt, dass Alpha- und Neutronenstrahlung bei einer gegebenen Energieablagerung pro kg Gewebe größere biologische Schäden verursachen als Gammastrahlung. Es wurde entdeckt, dass die biologischen Wirkungen jeglicher Strahlung mit der linearen Energieübertragung (LET) zunehmen. Kurz gesagt, der biologische Schaden durch hochfrequente Strahlung (Alphateilchen, Protonen oder Neutronen) ist viel größer als der durch niedrigfrequente Strahlung (Gammastrahlen). Dies liegt daran, dass das lebende Gewebe Schäden durch Strahlung, die über eine große Fläche verteilt ist, leichter reparieren kann als die, die auf einer kleinen Fläche konzentriert ist. Natürlich können Gammastrahlen bei sehr hoher Exposition immer noch große Gewebeschäden verursachen.Da mehr biologische Schäden für die gleiche physikalische Dosis verursacht werden (d. H. Die gleiche Energie, die pro Masseneinheit des Gewebes abgeschieden wird), ist ein Grau von Alpha- oder Neutronenstrahlung schädlicher als ein Grau von Gammastrahlung. Diese Tatsache, dass Strahlungen unterschiedlicher Art (und Energien) unterschiedliche biologische Wirkungen für dieselbe absorbierte Dosis ergeben, wird anhand von Faktoren beschrieben, die als relative biologische Wirksamkeit (RBE) und Strahlungsgewichtungsfaktor (wR) bekannt sind.

Akute Dosis und chronische Dosis

Die biologischen Auswirkungen der Strahlung und ihre Folgen hängen stark von der Höhe der erhaltenen Dosisleistung ab. In der Radiobiologie ist die Dosisleistung ein Maß für die Strahlendosisintensität (oder -stärke). Niedrige Dosen sind für den Alltag üblich. In den folgenden Punkten gibt es einige Beispiele für Strahlenbelastung, die aus verschiedenen Quellen erhalten werden können.

• 05 µSv – Neben jemandem schlafen
• 09 µSv – Ein Jahr lang innerhalb von 30 Meilen von einem Kernkraftwerk leben
• 1 µSv – Eine Banane essen
• 3 µSv – Ein Jahr lang innerhalb von 50 Meilen von einem Kohlekraftwerk leben
• 10 µSv – Durchschnittliche Tagesdosis aus natürlichem Hintergrund
• 20 µSv – Röntgenaufnahme des Brustkorbs

Aus biologischer Sicht ist es sehr wichtig, zwischen Dosen zu unterscheiden, die über kurze und längere Zeiträume erhalten werden. Daher werden biologische Wirkungen von Strahlung typischerweise in zwei Kategorien unterteilt.

• Akute Dosen. Eine „akute Dosis“ (kurzfristige Hochdosis) ist eine Dosis, die über einen kurzen und endlichen Zeitraum, d. H. Innerhalb eines Tages, auftritt.
• Chronische Dosen. Eine „chronische Dosis“ (Langzeit-Niedrigdosis) ist eine Dosis, die über einen längeren Zeitraum, d. H. Wochen und Monate, anhält, so dass sie besser durch eine Dosisleistung beschrieben wird.

Hohe Dosen neigen dazu, Zellen abzutöten, während niedrige Dosen dazu neigen, sie zu schädigen oder zu verändern. Hohe Dosen können visuell dramatische Strahlenverbrennungen und / oder einen schnellen Tod durch akutes Strahlensyndrom verursachen. Akute Dosen unter 250 mGy haben wahrscheinlich keine beobachtbaren Auswirkungen. Akute Dosen von etwa 3 bis 5 Gy haben eine 50% ige Chance, eine Person einige Wochen nach der Exposition zu töten, wenn eine Person keine medizinische Behandlung erhält.

Niedrige Dosen, die über lange Zeiträume verteilt werden, verursachen kein unmittelbares Problem für ein Körperorgan. Die Auswirkungen niedriger Strahlendosen treten auf der Ebene der Zelle auf, und die Ergebnisse können viele Jahre lang nicht beobachtet werden. Darüber hinaus zeigen einige Studien, dass die meisten menschlichen Gewebe bei längerer Exposition eine ausgeprägtere Toleranz gegenüber den Auswirkungen niederfrequenter Strahlung aufweisen als bei einmaliger Exposition gegenüber einer ähnlichen Dosis.

Deterministische und stochastische Effekte

In der Radiobiologie werden die meisten gesundheitsschädlichen Auswirkungen der Strahlenexposition normalerweise in zwei große Klassen unterteilt:

• Deterministische Effekte sind Schwellengesundheitseffekte, die direkt mit der absorbierten Strahlendosis zusammenhängen und deren Schweregrad mit zunehmender Dosis zunimmt.
• Stochastische Effekte treten zufällig auf und treten im Allgemeinen ohne Dosisschwelle auf. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens stochastischer Effekte ist proportional zur Dosis, der Schweregrad der Wirkung ist jedoch unabhängig von der erhaltenen Dosis.

Deterministische Effekte

In der Radiobiologie sind deterministische Effekte (oder nicht-stochastische Gesundheitseffekte) Gesundheitseffekte, die direkt mit der absorbierten Strahlendosis zusammenhängen und deren Schweregrad mit zunehmender Dosis zunimmt. Deterministische Effekte haben einen Schwellenwert, unterhalb dessen keine nachweisbaren klinischen Effekte auftreten. Die Schwelle kann sehr niedrig sein (in der Größenordnung von 0,1 Gy oder höher) und kann von Person zu Person variieren. Bei Dosen zwischen 0,25 Gy und 0,5 Gy können leichte Blutveränderungen durch medizinische Untersuchungen festgestellt werden, und bei Dosen zwischen 0,5 Gy und 1,5 Gy werden Blutveränderungen festgestellt und es treten Symptome von Übelkeit, Müdigkeit und Erbrechen auf.

Sobald der Schwellenwert überschritten wurde, nimmt der Schweregrad einer Wirkung mit der Dosis zu. Der Grund für das Vorhandensein dieser Schwellendosis ist, dass Strahlenschäden (schwerwiegende Fehlfunktionen oder Tod) einer kritischen Zellpopulation (hohe Dosen neigen dazu, Zellen abzutöten) in einem bestimmten Gewebe aufrechterhalten werden müssen, bevor die Verletzung in einer klinisch relevanten Form exprimiert wird. Daher werden deterministische Effekte auch als Gewebereaktion bezeichnet. Sie werden auch als nicht-stochastische Effekte bezeichnet, um sie mit zufallsähnlichen stochastischen Effekten (z. B. Krebsinduktion) zu kontrastieren.

Deterministische Effekte sind nicht unbedingt mehr oder weniger gravierend als stochastische Effekte. Hohe Dosen können visuell dramatische Strahlenverbrennungen und / oder einen schnellen Tod durch akutes Strahlensyndrom verursachen. Akute Dosen unter 250 mGy haben wahrscheinlich keine beobachtbaren Auswirkungen. Akute Dosen von etwa 3 bis 5 Gy haben eine 50% ige Chance, eine Person einige Wochen nach der Exposition zu töten, wenn eine Person keine medizinische Behandlung erhält. Deterministische Effekte können letztendlich zu einer vorübergehenden Belästigung oder auch zu einem Todesfall führen. Beispiele für deterministische Effekte:

Beispiele für deterministische Effekte sind:

• Akutes Strahlensyndrom, durch akute Ganzkörperbestrahlung
• Strahlenverbrennungen, durch Bestrahlung einer bestimmten Körperoberfläche
• Strahleninduzierte Thyreoiditis, eine mögliche Nebenwirkung der Strahlenbehandlung gegen Hyperthyreose
• Chronisches Strahlensyndrom, durch Langzeitbestrahlung.
• Strahleninduzierte Lungenschädigung, von z.B. Strahlentherapie bis zur Lunge

Letale Strahlendosen

Die letale Strahlendosis (LD) ist ein Hinweis auf die letale Strahlungsmenge. Im Strahlenschutz wird üblicherweise die mittlere letale Dosis LDXY verwendet. Beispielsweise beträgt die Strahlendosis, von der erwartet wird, dass sie bei 50% der bestrahlten Personen innerhalb von 30 Tagen zum Tod führt, LD50 / 30. LD1 ist die Dosis, von der erwartet wird, dass sie 1% der bestrahlten Personen zum Tod führt, folglich ist LD99 für alle (99%) bestrahlten Personen tödlich. Es ist auch sehr wichtig, ob eine Person eine medizinische Behandlung erhält oder nicht. Je größer eine akute Strahlendosis ist, desto größer ist die Möglichkeit, dass sie das Individuum tötet. Für einen gesunden Erwachsenen wird die LD50 irgendwo zwischen 3 und 5 Gy geschätzt.

• 2,5 Sv – Dosis, die einen Menschen mit einem Risiko von 1% (LD1) tötet, wenn die Dosis über einen sehr kurzen Zeitraum erhalten wird.
• 5 Sv – Dosis, die einen Menschen mit einem 50% igen Risiko innerhalb von 30 Tagen tötet (LD50/30), wenn die Dosis über einen sehr kurzen Zeitraum erhalten wird. Todesursache wird der Verlust der Knochenmarkfunktion sein.
• 8 Sv – Dosis, die einen Menschen mit einem 99% igen Risiko (LD99) tötet, wenn die Dosis über einen sehr kurzen Zeitraum erhalten wird. Bei etwa 10 Gy kann eine akute Entzündung der Lunge auftreten und zum Tod führen.

Die oben angegebenen Daten zur letalen Dosis gelten für akute Gamma-Dosen, die in sehr kurzer Zeit, z. B. wenigen Minuten, abgegeben werden. Es ist mehr Dosis erforderlich, um die oben aufgeführten Wirkungen zu erzielen, wenn die Dosis über einen Zeitraum von Stunden oder länger eingenommen wird.

Stochastische Effekte

In der Radiobiologie treten stochastische Effekte ionisierender Strahlung zufällig auf, im Allgemeinen ohne Dosisschwelle. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens stochastischer Effekte ist proportional zur Dosis, der Schweregrad der Wirkung ist jedoch unabhängig von der erhaltenen Dosis. Die biologischen Auswirkungen von Strahlung auf Menschen können in somatische und erbliche Wirkungen eingeteilt werden. Somatische Effekte sind die, unter denen die exponierte Person leidet. Erbliche Wirkungen sind solche, unter denen die Nachkommen des exponierten Individuums leiden. Das Krebsrisiko wird normalerweise als stochastischer Haupteffekt ionisierender Strahlung erwähnt, aber auch Erbkrankheiten sind stochastische Effekte.

Gemäß ICRP:

(83) Auf der Grundlage dieser Berechnungen schlägt die Kommission nominale Wahrscheinlichkeitskoeffizienten für das schadenbereinigte Krebsrisiko als 5,5 x 10-2 Sv-1 für die gesamte Bevölkerung und 4 vor.1 x 10-2 Sv-1 für erwachsene Arbeitnehmer. Für vererbbare Wirkungen wird das schadenbereinigte nominale Risiko in der Gesamtbevölkerung auf 0,2 x 10-2 Sv-1 und bei erwachsenen Arbeitnehmern auf 0,1 x 10-2 Sv-1 geschätzt .

Spezielle Referenz: ICRP, 2007. Die Empfehlungen der Internationalen Strahlenschutzkommission von 2007. ICRP Veröffentlichung 103. Ann. ICRP 37 (2-4).Die SI-Einheit für die effektive Dosis, die Sievert, stellt den äquivalenten biologischen Effekt der Ablagerung eines Joule Gammastrahlenenergie in einem Kilogramm menschlichen Gewebes dar. Als Ergebnis stellt ein Sievert eine 5 dar.5% Chance, an Krebs zu erkranken. Beachten Sie, dass die effektive Dosis nicht als Maß für deterministische Auswirkungen auf die Gesundheit gedacht ist, dh für den Schweregrad einer akuten Gewebeschädigung, die mit Sicherheit eintreten wird und an der Menge der absorbierten Dosis gemessen wird.

Es gibt drei allgemeine Kategorien von stochastischen Effekten, die sich aus der Exposition gegenüber niedrigen Strahlendosen ergeben. Dies sind:

• Genetische Effekte. Der genetische Effekt wird von den Nachkommen des exponierten Individuums erlitten. Es handelt sich um die Mutation sehr spezifischer Zellen, nämlich der Spermien oder Eizellen. Strahlung ist ein Beispiel für ein physikalisches mutagenes Mittel. Beachten Sie, dass es auch viele chemische Mittel sowie biologische Mittel (wie Viren) gibt, die Mutationen verursachen. Eine sehr wichtige Tatsache ist, dass Strahlung die spontane Mutationsrate erhöht, aber keine neuen Mutationen hervorruft.
• Somatische Effekte. Somatische Effekte sind die, unter denen die exponierte Person leidet. Die häufigste Auswirkung der Bestrahlung ist die stochastische Induktion von Krebs mit einer Latenzzeit von Jahren oder Jahrzehnten nach der Exposition. Da Krebs das primäre Ergebnis ist, wird es manchmal als krebserzeugende Wirkung bezeichnet. Strahlung ist ein Beispiel für ein physikalisches Karzinogen, während Zigaretten ein Beispiel für ein chemisches krebserregendes Mittel sind. Viren sind Beispiele für biologische krebserregende Stoffe.
• In-Utero-Effekte beinhalten die Produktion von Missbildungen bei sich entwickelnden Embryonen. Dies ist jedoch eigentlich ein Sonderfall der somatischen Wirkung, da der Embryo / Fötus der Strahlung ausgesetzt ist.

Somatische Effekte infolge der Strahlenbelastung werden von den meisten als stochastisch angesehen. Das am weitesten verbreitete Modell geht davon aus, dass die Inzidenz von Krebserkrankungen aufgrund ionisierender Strahlung linear mit einer effektiven Strahlendosis von 5,5% pro Sievert zunimmt. Dieses Modell wird als lineares schwellenfreies Modell (LNT) bezeichnet. Dieses Modell geht davon aus, dass es keinen Schwellenwert gibt und das Risiko linear mit einer Dosis steigt. Wenn dieses lineare Modell korrekt ist, ist die natürliche Hintergrundstrahlung die gefährlichste Strahlungsquelle für die allgemeine öffentliche Gesundheit, gefolgt von der medizinischen Bildgebung an zweiter Stelle. Die LNT ist nicht allgemein akzeptiert, da einige eine adaptive Dosis–Wirkungs-Beziehung vorschlagen, bei der niedrige Dosen schützend und hohe Dosen schädlich sind. Es muss betont werden, dass eine Reihe von Organisationen mit der Verwendung des linearen No-Threshold-Modells zur Schätzung des Risikos durch umwelt- und berufsbedingte Strahlenexposition auf niedrigem Niveau nicht einverstanden sind.

Radiobiologie und Dosisgrenzwerte

Im Strahlenschutz werden Dosisgrenzwerte festgelegt, um stochastische Effekte auf ein akzeptables Maß zu begrenzen und deterministische Effekte vollständig zu verhindern. Beachten Sie, dass stochastische Effekte solche sind, die sich aus dem Zufall ergeben: je größer die Dosis, desto wahrscheinlicher ist die Wirkung. Deterministische Effekte sind solche, die normalerweise einen Schwellenwert haben: Darüber steigt der Schweregrad der Wirkung mit der Dosis. Dosisgrenzwerte sind ein grundlegender Bestandteil des Strahlenschutzes, und das Überschreiten dieser Grenzwerte verstößt in den meisten Ländern gegen die Strahlenregulierung. Beachten Sie, dass die in diesem Artikel beschriebenen Dosisgrenzwerte für Routineoperationen gelten. Sie gelten nicht für Notsituationen, in denen Menschenleben gefährdet sind. Sie gelten nicht in Notfallsituationen, in denen eine Person versucht, eine katastrophale Situation zu verhindern.

Die Grenzwerte werden in zwei Gruppen eingeteilt: die Öffentlichkeit und beruflich exponierte Arbeitnehmer. Gemäß ICRP bezieht sich die berufliche Exposition auf alle Expositionen, die Arbeitnehmern im Laufe ihrer Arbeit entstehen, mit Ausnahme von

1. ausgeschlossenen Expositionen und Expositionen aus freigestellten Tätigkeiten mit Strahlung oder freigestellten Quellen
2. jede medizinische Exposition
3. die normale lokale natürliche Hintergrundstrahlung.

Die folgende Tabelle fasst die Dosisgrenzwerte für beruflich exponierte Arbeitnehmer und für die Öffentlichkeit zusammen:

Entsprechend der Empfehlung des ICRP in seiner Stellungnahme zu Gewebereaktionen vom 21. April 2011 wurde der Äquivalentdosisgrenzwert für die Augenlinse für die berufliche Exposition in geplanten Expositionssituationen von 150 mSv / Jahr auf 20 mSv / Jahr gesenkt, gemittelt über definierte Zeiträume von 5 Jahren, wobei keine Jahresdosis in einem einzigen Jahr 50 mSv überschritt.

Die Grenzwerte für die wirksame Dosis beziehen sich auf die Summe der relevanten wirksamen Dosen aus der externen Exposition im angegebenen Zeitraum und der zugesagten wirksamen Dosis aus der Aufnahme von Radionukliden im selben Zeitraum. Bei Erwachsenen wird die maximal wirksame Dosis für einen Zeitraum von 50 Jahren nach der Einnahme berechnet, bei Kindern für den Zeitraum bis zum Alter von 70 Jahren. Der effektive Ganzkörperdosisgrenzwert von 20 mSv ist ein Durchschnittswert über fünf Jahre. Die wirkliche Grenze ist 100 mSv in 5 Jahren, mit nicht mehr als 50 mSv in einem Jahr.