Fritz-Albert Popp und Walter Rüther
Die Strahlenschutzgesetze werden von zwei grundlegenden Konzep- ten getragen, die sich in allen Ein- zelvorschriften direkt oder indirekt niederschlagen:
O das Konzept des akzeptablen Risikos,
O die Festlegung der höchstzuläs- sigen Toleranzdosen.
Das Konzept des akzeptablen Risi- kos besagt, daß niemand Strahlung ausgesetzt werden darf, soweit dies im Rahmen seiner Obliegen- heiten nicht unbedingt erforderlich ist.
In diesem Konzept kommt unsere Unkenntnis über die exakt vorher- sehbaren Folgen der Strahlenein- wirkung zum Ausdruck. Es muß da- von ausgegangen werden, daß schon ein einziges Photon eine Schädigung hervorrufen kann, de- ren Ursache und Wirkung nach dem heutigen Stand des Wissens nicht zu erfassen ist. Oft wird die
Auslegung des akzeptablen Risikos zur Ermessensfrage. Deshalb, und weil immer verhindert werden soll, daß durch Strahlenexpositionen si- gnifikante Schädigungen auftreten, bedient sich der Gesetzgeber zu- sätzlich der Toleranzdosiswerte.
Werden diese Dosisgrenzwerte un- terschritten, schließt man auf Grund des bisherigen Wissens, daß keine darauf beruhende signifikan- te Änderung der strahlenexponier- ten Personen nachweisbar ist.
Durch Bestrahlung lebender biolo- gischer Materien kommt es zu viel- fältigen Erscheinungsformen von Einzelmechanismen, deren Deu- tung das Ziel der Strahlenbiologie ist; gegenwärtig befinden wir uns noch in der Entwicklungsphase. Es ist zweckmäfYig, das Gesamtge- schehen einerseits als zeitliche Folge der Reaktionsmechanismen zu behandeln und andererseits die Veränderung der strahlengeschä- digten Objekte, Biomoleküle, Zel- len, Organe und das Lebewesen als Gesamtheit zu betrachten.
Atropin, Ajmalin und Procainamid.
Die medikamentöse Unterdrückung dieser Antesystolie kann aus dia- gnostischen Gründen, zum Beispiel bei Verdacht auf einen frischen oder alten Infarkt, wichtig sein. We- gen möglicher Komplikationen sollte die intravenöse Injektion von Ajmalin aber nie ohne fortlaufende Elektrokardiogramm-Schreibung erfolgen. Eine dauernde Unterdrük- kung der vorzeitigen Erregung der Kammern durch orale Applikation von Antiarrhythmika ist im Regel- fall nicht möglich.
Da das WPW-Syndrom überwie- gend bei Patienten ohne Herzer- krankung vorkommt, ist die Pro- gnose recht gut. Sie wird aber durch die Art und Häufigkeit der Rhythmusstörungen beeinträchtigt.
Häufig auftretende schwere ventri- kuläre Tachykardien können unter Umständen lebensverkürzend wir- ken.
Die zum WPW-Syndrom gehören- den regelmäßig zu beobachtenden Rückbildungsstörungen im Elektro- kardiogramm nehmen unter Bela- stung noch zu, ohne daß daraus eine Koronarinsuffizienz abgeleitet werden darf, worauf noch in einem späteren Kapitel eingegangen wird.
Bei den sogenannten inkompletten Formen des WPW-Syndroms ist als einziges Leitsymptom im Elektro- kardiogramm die PQ-Zeit verkürzt.
Die Delta-Welle kann fehlen oder nur angedeutet vorhanden sein.
Ein nur intermittierend auftreten- des WPW-Syndrom kann schwer zu erkennen sein. Gelegentlich wird es durch eine Belastungsuntersu- chung zum Vorschein gebracht.
Das Umgekehrte, nämlich das WPW-Syndrom durch eine Bela- stungsuntersuchung zu beseitigen, gelingt dagegen praktisch nie.
Anschrift der Verfasser:
Dr. med. Hans Jürgen Becker Dr. med. Gisbert Kober 6 Frankfurt am Main 70 Theodor-Stern-Kai 7
Biologische Grundlagen des Strahlenschutzes
Aus dem Radiologiezentrum
(Direktoren: Professor Dr. med. Dr. rer. nat. Emil Heinz Graul und Professor Dr. med. Friedhelm Hess)
der Universität Marburg (Lahn)
Unter optimaler Schonung von Patient und untersuchendem Arzt ist
es heute möglich, fast alle menschlichen Organe und ihre Funktio-
nen radiologisch zu untersuchen. Jede technische Entwicklung
kann allerdings auch zu einer Störung der natürlichen Lebensbe-
dingungen führen und zu einer Gefahr für die menschliche Gesund-
heit werden. Der Arzt muß deshalb auch über die Probleme des
Strahlenschutzes informiert sein, um den Gefahren begegnen zu
können, die mit dem Umgang von ionisierenden Strahlen bezie-
hungsweise radioaktiven Stoffen verbunden sind.
Zeitlicher Ablauf
der Reaktionsmechanismen In der ersten Phase der Wechsel- wirkung von Strahlung und Mate- rie, der „physikalischen Phase", werden Biomoleküle angeregt oder ionisiert. In wäßriger Lösung dau ert dies etwa 10- 13 sec (Darstel- lung 1).
In der physikalisch-chemischen Phase versucht das aus dem Gleichgewicht gebrachte System von angeregten Molekülen, sich in Wechselwirkung mit der Umge- bung durch Energietransport und Umlagerung von Atombestandtei- len zu stabilisieren. Bis zum Errei- chen des thermischen Gleichge- wichts sind in wäßriger Lösung etwa 10— '' sec erforderlich.
Danach kann durch chemische Re- aktionen eine weitere Stabilisie- rung des Systems erfolgen, die als
„chemische Phase" schließlich zu Molekülen führt, die stabile Verän- derungen gegenüber ihrem Aus- gangszustand aufweisen. In wäßri- ger Lösung dauert die chemische Phase ungefähr 10-4 sec.
Die Stoffwechselvorgänge des bio- logischen Systems werden durch die veränderten Moleküle gestört.
Dadurch kann es zu Mutationen oder biochemischen Veränderun- gen kommen, die von submikro- skopischen Schäden bis zur Entar- tung oder dem Tod der Zellen rei- chen. In dieser biologischen Pha- se, die Sekunden bis Jahre anhal- ten kann, reagiert der Gesamtorga- nismus mit Veränderungen, die möglicherweise nicht nachweisbar sind, bis mit Schäden, die eventu- ell den Tod herbeiführen.
Man unterscheidet zwischen „di- rektem" und „indirektem" Effekt, je nachdem, ob Energieabsorption und Primärschaden im gleichen Molekül auftreten oder durch Ener- gietransport eine Schädigung der Umgebung, beispielsweise von Wassermolekülen in der Zelle, auf ein Biomolekül übertragen wird. In Zellen sind beide Effekte von glei- cher Größenordnung. Der zeitliche
Ablauf der Strahlenfolgen ist in Darstellung 1 wiedergegeben. Soll der Gesamtablauf der biologischen Strahlenreaktion gedeutet werden, sind verschiedene Objekte auf eine Strahlenschädigung zu untersu- chen (Darstellung 2).
Die Strahlenwirkung auf Biomoleküle
Von den Biomolekülen, deren Strahlenschäden zu untersuchen sind, stehen die Nukleinsäuren im Mittelpunkt des Interesses. Neben der fundamentalen Bedeutung der Desoxyribonukleinsäure (DNS) für das biologische Geschehen spricht dafür die Tatsache, daß gegenüber Nukleinsäureschäden die Verände- rungen der übrigen Biomoleküle von sekundärer Bedeutung zu sein scheinen. Strahlendosen, die die DNS-Synthese empfindlich verzö- gern, brauchen keine unmittelbar nachweisbare Wirkung auf säure- lösliche Komponenten, Proteine oder Phosphoproteine, Phospholi- pide, neutrale Fette und Fettsäu- ren, auch auf zytoplasmische Ribo- nukleinsäure (RNS) zu haben. Es läßt sich aber nicht ausschließen, daß einige Enzymsysteme, speziell Kinasen und Polymerasen der DNS-Synthese empfindlich gestört werden. Letztlich dürfte sowohl beim indirekten als auch direkten Effekt die Schädigung der DNS zu den bestimmenden Strahlenwirkun- gen gehören.
Dabei führen Nukleotidschäden und Brüche der Wasserstoffbrük-
ken möglicherweise zu Strangbrü- chen, wobei Nukleotidsequenzen abgetrennt oder neu eingeführt werden können. 40 rad reichen aus, um im Mittel einen Chromoso- menbruch pro menschlicher Zelle hervorzurufen. Einzelstrangbrüche werden bei etwa 250 rad beobach- tet. Durch Repairmechanismen las- sen sich die gesetzten Schäden der DNS teilweise wieder rückgän- gig machen.
In der Schädigung der Nukleinsäu- ren ist auch die Ursache für Muta- tionen zu suchen, die weitreichen- de biologische Veränderungen nach sich ziehen können.
Die Strahlenwirkung auf die Zelle Insgesamt führen die Schäden der Zellbestandteile zu zwei wesentli- chen Änderungen der Zellfunktio- nen, die weitgehend unabhängig voneinander sind, nämlich
O zur Verminderung der „repro- duktiven Integrität" und
O zur Änderung der Zellzykluszei- ten.
Unter „reproduktiver Integrität"
versteht man die Fähigkeit der Zel- len, Kolonien zu bilden. Durch Strahlenwirkung kann die Zelle in vitro möglicherweise die Fähigkeit verlieren, in einem definierten Nährmedium unter wiederholten Teilungen zur Zellkolonie heranzu- wachsen. Diese Eigenschaft ist auch für das Zellwachstum in vivo von grundlegender Bedeutung.
Deshalb wird die reproduktive Inte- grität von Zellen unter verschiede- nen Bedingungen nach Bestrah- lung untersucht. Dabei erweist sich, daß die Fähigkeit, Kolonien zu bilden, von folgenden Merkmalen abhängig ist, und zwar von
O Zellmerkmalen: Zellart, Prolife- rationsphasen, Zellzyklusphasen;
O Agensmerkmalen: Gesamtdosis, Fraktionierung (Protrahierungs)- Modus, Strahlenqualität"
physikalische Phase
phys. 4 chem.
Phase
chem. Phase
Anregung und Ionisation
Umlagerung
Chemische Reaktionen
Stabile molekulare Veränderungen Mutationen Biochem.Veränderungen biologische
Phase
Submikroskopische Schäden
bis Zelltod und Tod des Organismus
Darstellung 1: Schematische Darstellung der zeitlichen Phasen der Strah- lenwirkung (Dertinger und Jung, 1969)
Umgebungsmerkmalen: Medium und äußere physikalische Bedin- dingungen.
Allgemeine Gesetzmäßigkeiten, nach denen die Strahlenempfind- lichkeit von der Zellart abhängt, sind nicht bekannt. Die Dosis, die notwendig ist, um die reproduktive Integrität auf den e-ten Teil (etwa 37 Prozent) zu vermindern, bewegt sich in Abhängikeit von der Zell- art für locker ionisierende Strah- len im allgemeinen zwischen 50 und 200 rad. Soweit eine zusam- menfassende Darstellung über- haupt möglich ist, hängt die Strah- lenwirksamkeit von den Prolifera- tionsphasen ab; Zellen in der Pla- teau-Phase, also nach geschlosse- ner Koloniebildung, sind im allge- meinen strahlenempfindlicher als die entsprechenden Zellen in der log-Phase, also während der Kolo- nieausbildung.
Zur reproduktiven Integrität in Ab- hängigkeit der Dosis während den
verschiedenen Zellzyklusphasen kann generell gesagt werden: Die Zellen sind in der Mitose und meist auch während der Prämitose (G2)- Phase am empfindlichsten. Wäh- rend der Präsynthese (Gi-)Phase kann sich die Empfindlichkeit er- heblich ändern. In der Synthese (S)-Phase steigt die Strahlenresi- stenz im allgemeinen bis zu einem Maximum am Ende der S-Phase an. Das ist in der Regel der resi- stenteste Teil des Zellzyklus. Wäh- rend Dosiswerte in der Größenord- nung von 100 rad notwendig sind, um die reproduktive Integrität einer Zellpopulation auf 37 Prozent zu vermindern, braucht man etwa 100 000 rad, um eine Zellkultur so- fort abzutöten.
Daß die reproduktive Integrität vom Fraktionierungsmodus abhängt, ist bei locker ionisierenden Strahlen (zum Beispiel "Co-Gamma-Strah- len) am sogenannten Fraktionie- rungseffekt zu erkennen: Fraktio- nierte Bestrahlung ist weit weniger
wirksam als die Einzelbestrahlung gleicher Gesamtdosis. Dieser Ef- fekt ist auf die Erholungsfähigkeit der Zellen von subletalen Strahlen- schäden zurückzuführen. Am Bei- spiel der Überlebensrate von Zel- len chinesischer Hamster läßt sich die Größenordnung des Fraktionie- rungseffektes ermessen. Nach 2600 rad, in fünf Einzelfraktionen verab- reicht, kann die Überlebensrate 1600mal höher sein, als wenn die gleiche Dosis auf einmal appliziert wird.
Der durch Bestrahlung erzielte Fraktionierungseffekt hängt von der Änderung der Zellzykluszeiten ab. Er führt zusammen mit der un- terschiedlichen Strahlensensibilität der Zellen in den verschiedenen Zellzyklusphasen zu teilsynchroni- sierten Zellpopulationen. Das macht verständlich, daß die repro- duktive Integrität keine monotone Funktion der Erholungszeit nach der jeweils letzten Bestrahlung sein muß. Vielmehr kann die Strah- lenempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Zeit, die zwischen den Ein- zelapplikationen liegt, ihr jeweili- ges Maximum und Minimum auf- weisen.
Bei Strahlen hohen LET's') (zum Beispiel Neutronen) ist kein Frak- tionierungseffekt mehr festzustel- len. Für die reproduktive Integrität sind äußere Bedingungen der Zell- population maßgebend, die etwa durch chemische Agentien und Temperatur bewirkt werden. Dies hat zur Entwicklung von Strahlen- schutzstoffen (etwa Zysteamin) und Sensibilisierungsstoffen (wie Brom- Uracil) geführt. Sauerstoff kann zu- dem die reproduktive Integrität von hypoxischen Zellen empfindlich be- einflussen.
Neben der veränderten reprodukti- ven Integrität werden nach Be- strahlung auch die Zellzykluszeiten verzögert; sie wiederum können beispielsweise eine empfindliche Mitoseverzögerung nach sich zie- hen. Für locker ionisierende Strah- len kann sich das bereits nach 20
1) LET = linearer Energie-Transfer.
Zellbausteine
DNA, RNA,Ffeeine Mutationen
biochemische Veränderungen
Stoffwechselstörungen Zelltod
Funktionsstörungen Organausfall
Organismus Lebewesen
Darstellung 2: Schematische Darstellung der verschiedenen Objekte, die bei der Analyse des Strahlenschadens zu berücksichtigen sind
Anregung - Ionisation bis 25 rad deutlich bemerkbar ma-
chen. Bis zu Dosen von 1000 rad läßt sich eine nahezu lineare Ab- hängigkeit von der Strahlendosis erkennen. Die Größenordnung der Mitoseverzögerung liegt bei 1 min/
rad. An der Mitoseverzögerung bei Dosen bis zu 3000 rad scheinen drei Effekte beteiligt zu sein:
O verlängerte G,-Phase, O verlängerte S-Phase,
e temporärer Block in der G2- Phase.
Nach Bestrahlung sterben Zellen, die ihre Fähigkeit, Kolonien zu bil- den, verlieren, zum größten Teil erst zwischen dem zweiten und vierten Zellzyklus ab.
Die Strahlenwirkung auf Gewebe und Organe
Am häufigsten treten Strahlenschä- den in Form lokaler Reaktionen auf. Nach Bestrahlung von außen ist die Haut, vornehmlich an den Fingern, relativ oft betroffen. Derar- tige Schäden können nach einmali- ger starker Strahlenbelastung zu akuten Hautentzündungen bis zur Geschwürbildung führen. Nach mehrmaligen Hautbelastungen kann es zu chronischen Hautent- zündungen (Trockenheit, Haaraus- fall) oder zu Malignomen kommen.
Neben Hautschäden sieht man zu- weilen pathologische Veränderun- gen an der Augenlinse, dem strah- lensensibelsten Teil des Auges, die je nach Dosishöhe von leichten Eintrübungen bis zu maturen Kata- rakten reichen können. Bei Ein- strahlung von schnellen Neutronen genügen 80 rad, um diese Verän- derungen hervorzurufen. Durch io- nisierende Strahlung hervorgerufe- ne pathologische Veränderungen an der Linse zählen zu den Spät- schäden; sie können noch nach Jahren auftreten.
Gewebe und Organe des menschli- chen Organismus reagieren auf Strahlen verschieden empfindlich.
Während beispielsweise die Emp- findlichkeit von Knochenmark und
Keimdrüsen besonders hoch ist, ist die von Muskel-, Knochen- und Knorpelgewebe relativ gering. We- gen der vielfältigen biologischen Auswirkungen ist es nicht möglich, ein einfaches Schema der Sensibi- lität aufzustellen; zur ersten Orien- tierung können die Angaben in Ta- belle 1 dienen.
Während bei einer Ganzkörperbe- strahlung nur eine bestimmte Dosis (LD5o = 400 rad) angewandt wer- den darf, kann man je nach Feld- größe bei einer Teilkörperbestrah- lung (Gewebe oder Organ) unter Umständen ein Vielfaches der töd- lichen Ganzkörperdosis verabrei-
chen, ohne daß es zu einer schwe- ren Beeinträchtigung des gesam- ten Organismus kommt.
Beim Strahlensyndrom treten ne- ben subjektiven Beschwerden, wie Schwindel, Kopfschmerzen, Übel- keit, Durstgefühl und Apetitlosig- keit, noch nach Tagen oder Wo- chen je nach Dosishöhe Fieber, Störungen der Magen-Darm-Tätig- keit (Sensibilität des Duodenums) auf; außerdem besteht eine Blu- tungsneigung.
Schädigungen der blutbildenden Organe sind durch Abweichungen des Blutbildes von der Norm (Leu- kozyten, Lymphozyten) nachzuwei- sen. i>
Lymphatisches
Gewebe, Lymphknoten, Milz, Thymus
25-50 400-600
Lymphozyt Lymphopenie
Erythroblast Knochenmark 50-100 500 Anämie
Granulozytopenie 50-100
Knochenmark 500-600
Myeloblast
50 300-400
Hoden
Spermatogonie Aspermie
Sterilität
Eizelle Eierstock 50 350-400 Sterilität
100-200 800 Dünndarm
Dünndarm- kryptenzellen
Gastrointestinale Erscheinungen
Linsenepithelzellen Auge 300-400 800-1000 Katarakt
Nervenzellen Nervensystem 1000 3000-4000 Funktionsstörun-
gen, atrophische, degenerative Prozesse Erste Schäden Schwere Schäden
(Untergang (Zelltod fast einzelner Zellen) aller Zellen)
Strahlendosis Strahlendosis in rad in rad
Zellart Organ
Folgen
des Zellunterganges
Befruchtete Ei- und Organdifferenzierung, 25-50 300-600 Mißbildungen Embryonalzellen bis
zur 6. Schwanger- schaftswoche
Zentralnervensystem Abort
Zellen des
Stratum germinativum
800-1800 Hautatrophie, Ulkus
Haut 300
Osteoblasten wachsender Knochen 400-600 800-1000 Hemmung der Knochenbildung Tabelle 1: Strahlensensibilität einiger Körperzellen
Aus dem Blickwinkel des Strahlen- schutzes müssen mittlere Gesamt- körperdosis, Dosis im kritischen Organ sowie Knochenmarks- und Gonadendosis getrennt betrachtet werden. Für die Gonadendosis ist keine genaue Dosisschwelle be- kannt. Die Auswirkungen sind frü- hestens in der übernächsten Gene-
2) mren = Dosis in mrad Oh000 rad), divi- diert durch einen Faktor, der die rela- tive biologische Wirksamkeit der Strah- len charakterisiert. 1 mrem ruft etwa die gleiche biologische Wirkung hervor wie 1 mR konventioneller Röntgen- strahlen.
ration sichtbar, weshalb letztlich das Integral der Gonadendosis in der gesamten Population maßgeb- lich ist. Der Anteil der medizinisch- diagnostischen Strahlenbelastung ist an diesem Integral wesentlich geringer als derjenige der natürli- chen Strahlenbelastung (mittlere Dosis um 130 mrem , ) pro Jahr).
Auch für das Leukämierisiko ist keine Dosisschwelle bekannt, nur die individuelle mittlere Knochen- marksdosis gilt als relevant. Aller- dings wird beim Erwachsenen be-
reits durch 1 R die Zahl dieser Krankheitsfälle auf 1/1 000 000 ver- mehrt, wobei die Verdoppelungs- dosis 50 R beträgt und unter Ver- doppelungsdosis die Dosis zu ver- stehen ist, bei der die Anzahl der Krankheitsfälle sich verdoppelt.
Literatur bei den Verfassern Anschrift der Verfasser:
Dozent Dr. rer. nat. F.-A. Popp Dr. rer. nat. Walter Rüther 355 Marburg an der Lahn Lahnstraße 4 a
