DEUTSCHES ÄRZTEBLATT
KURZMITTEILUNG
Das Strahlenrisiko
während der pränatalen Entwicklung des Menschen
Die Strahlenschutzkommission beim Bundesminister des Inneren und eine von ihr beauftragte Ex- pertengruppe haben in den Jah- ren von 1981 bis 1984 eine Studie über die Strahlenbelastung und das damit verbundene Risiko wäh- rend der pränatalen Entwicklung des Menschen veranstaltet. Deren Ergebnis liegt nunmehr vor. Dar- aus hat sich eine Empfehlung der Strahlenschutzkommission ent- wickelt, die zu dem Ergebnis kommt, daß die in der geltenden Strahlenschutzverordnung fest- gelegten Dosisgrenzwerte den Schutz des sich entwickelnden Lebens gewährleisten. Im einzel- nen heißt es in der Empfehlung:
Die pränatale Entwicklung des Säugers ist gekennzeichnet durch schnelle Zellproliferation, Zelldif- ferenzierung und Zellwanderung.
Aus einer befruchteten Eizelle re- sultiert nach Ablauf vielfältiger biologischer Reifungs- und Orga- nisationsvorgänge ein vollständi- ger, funktionsfähiger Gesamtor- ganismus. Die pränatale Entwick- lung wird aufgrund der verschie- denartigen biologischen Prozesse eingeteilt in die Embryonal- periode (sie umfaßt die Präim- plantationsperiode und die Or- ganbildungsperiode) und die an- schließende Fetalperiode.
Es hat sich gezeigt, daß der Em- bryo beziehungsweise Fetus wäh- rend der gesamten Entwicklungs- zeit strahlenempfindlicher ist als der erwachsene Organismus. Fol- gende Effekte können durch eine pränatale Strahlenexposition in- duziert werden:
1) Tod des Embryos, Feten oder Neugeborenen
2) Makroskopisch-anatomische Fehlbildungen
3) Wachstumsstörungen
4) Funktionelle Störungen 5) Fertilitätsstörungen 6) Maligne Erkrankungen 7) Vererbbare Defekte.
Das Auftreten dieser Effekte und ihr Verteilungsmuster ist in star- kem Maße abhängig von der Dosis und dem Zeitpunkt der Strahlen- exposition während der Entwick- lung. Strahlenqualität, Dosislei- stung und andere Bedingungen der Exposition können einen er- heblichen Einfluß haben.
Natürliche und
künstliche Strahlenexposition Bei der Bewertung von Strahlen- expositionen mit niedriger Dosis muß darauf hingewiesen werden, daß der Embryo bzw. Fetus wäh- rend der gesamten Entwicklung in utero der natürlichen Strahlenex- position ausgesetzt ist. Durch die kosmische sowie terrestrische Strahlung tritt eine Strahlenexpo- sition von außen auf, die in der Bundesrepublik Deutschland eine Äquivalentdosis von etwa 0,06 mSv (6 mrem) pro Monat verur- sacht.
Mit der Nahrung werden von der Mutter natürlich vorkommende Radionuklide, wie Tritium Kohlen- stoff-14, Kalium-40 sowie Nuklide der Uran-238-Zerfallsreihe und der Thorium-232-Zerfallsreihe, aufgenommen, die auch in den Embryo bzw. Feten gelangen. Das Ausmaß der Aufnahme und die Dauer des Verbleibens hängen vom Stoffwechsel und damit vom Entwicklungsstadium ab. Die Do- sis, hervorgerufen durch diese Radionuklide, ist im Mittel halb so groß wie diejenige durch Strah- lenexposition von außen.
Bei einer Einwirkung durchdrin- gender, energiereicher Strahlung von außen kann die Strahlendosis im Embryo bzw. Feten relativ gut bestimmt werden. Dagegen ist ei- ne Abschätzung der Dosis nach der Aufnahme radioaktiver Stoffe durch die Mutter, die dann zum Teil in den Embryo bzw. Feten ge- langen, wesentlich schwieriger.
Im letzteren Falle bestimmen der mütterliche Stoffwechsel, die Ki- netik des diaplazentaren Über- tritts und der embryonale bzw. fe- tale Metabolismus, der wiederum vom Entwicklungsstadium abhän- gig ist, in entscheidendem Maße die erzeugte Dosis. Die biokineti- schen Daten, die für eine Dosisab- schätzung benötigt werden, sind bisher unvollständig bekannt und bedürfen weiterer Ergänzung.
Aus experimentellen Untersu- chungen an Säugetieren, vorwie- gend Maus und Ratte, und aus Verteilungsstudien bei Menschen können Aussagen, insbesondere zu Radionukliden folgender che- mischer Elemente, gemacht wer- den: Caesium, Eisen, Jod, Stronti- um und Wasserstoff.
Caesium-137 und Tritium (in der chemischen Form als tritiiertes Wasser [HTO]) sind während der gesamten pränatalen Entwick-
lungszeit offensichtlich gleich verteilt zwischen mütterlichen und embryonalen bzw. fetalen Ge- weben. Es findet keine wesent- liche Anreicherung in einem Or- gan statt. Substanzen mit orga- nisch gebundenem Tritium, wie zum Beispiel Thymidin, die mögli- cherweise ein höheres Risiko her- vorrufen können, werden in star- kem Maße zu HTO metabolisiert, wenn sie oral von der Mutter auf- genommen werden.
Jod, das in der Schilddrüse selek- tiv angereichert werden kann, wird von der fetalen mensch- lichen Schilddrüse nicht vor der 12. Woche der Schwangerschaft gespeichert. Mit zunehmender Entwicklung tritt eine stärkere Aufnahme des Jods im fetalen Schilddrüsengewebe ein. Jedoch 1518 (66) Heft 20 vom 15. Mai 1985 82. Jahrgang Ausgabe A
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ist die biologische Halbwertszeit im Feten kleiner als im Schilddrü- sengewebe postnatal. Es ergeben sich daher für das Verhältnis feta- ler zu mütterlicher Schilddrüsen- dosis zunächst Werte kleiner als eins, die im Verlauf der Fetalpe- riode zunehmen und in Einzelfäl- len auch größer als eins werden können. Beim Strontium kann die momentane Anreicherung im fe- talen Knochengewebe höher sein als im mütterlichen Knochenge- webe. Wegen der kürzeren biolo- gischen Halbwertszeit liegt die Dosis durch Strontium-90 beim Feten jedoch nicht höher als bei der Mutter. Bei Eisen-59 wird die höhere Speicherung des Radio- nuklids allerdings durch eine klei- nere biologische Halbwertszeit nicht kompensiert. In diesem Fal- le kann die Dosis in der fetalen Le- ber um den Faktor zwei bis drei größer sein als im mütterlichen Organ.
Allgemein ergibt sich bei der Auf- nahme radioaktiver Stoffe der Trend, daß in fetalen Geweben im Vergleich zur Mutter eine höhere Anreicherung der Radionuklide auftritt. Aufgrund der kürzeren biologischen Halbwertszeiten er- geben sich in einigen Fällen je- doch im Feten und in der Mutter Dosen etwa gleicher Größe.
Es ist nach dem heutigen Wis- sensstand nicht anzunehmen, daß zum Beispiel in der Umgebung ei- ner kerntechnischen Anlage die Strahlendosis durch die Aufnah- me radioaktiver Stoffe über die Mutter im Feten insgesamt größer ist als in Referenzpersonen ande- rer Bevölkerungsgruppen. Dies gilt insbesondere, wenn man eine kontinuierliche Aufnahme wäh- rend längerer Perioden der Schwangerschaft oder einen mitt- leren Wert für die gesamte präna- tale Entwicklung annimmt. Im Em- bryonalstadium kann die Strah- lendosis kleiner sein, da die ent- sprechenden Gewebe und Orga- ne zur selektiven Anreicherung fehlen oder noch nicht stoffwech- selaktiv sind (z. B. Jod-Schilddrü- se, Strontium-Knochen).
Risiko des Auftretens von Letalität, Fehlbildungen, Funktions- und
Fertilitätsstörungen
a) Exposition während der Präimplantationsperiode Als wesentlicher Effekt nach einer Strahlenexposition während der Präimplantationsperiode (beim Menschen während der ersten zehn Tage nach der Konzeption) ist der Tod des Embryos zu be- trachten. Die Empfindlichkeit än- dert sich rasch (innerhalb von Stunden) während der Entwick- lung in dieser Periode. Alle Unter- suchungen an Laboratoriumstie- ren deuten darauf hin, daß Schwellendosen für die Abtötung der Embryonen existieren, die selbst in den empfindlichsten Phasen bei akuter Bestrahlung größer als 0,05 Gy (locker ionisie- rende Strahlung; niedriger LET) sind. Andererseits können sich ei- nige Embryonen, die in dieser Pe- riode mit wesentlich höheren Do- sen bestrahlt worden sind, weiter- entwickeln. Es entstehen dann normale Tiere (Mäuse), bei denen Fehlbildungen, Funktions- oder Fertilitätsstörungen nicht zu be- obachten sind. Nach Dosen, die nicht zur Abtötung des Embryos führen, können zytogenetische Effekte in der Präimplantationspe- riode auftreten, deren Bedeutung bisher unklar ist. Eine Strahlenex- position kurze Zeit nach der Kon- zeption kann zum Verlust eines Geschlechtschromosoms führen, es resultiert ein Individuum mit dem Karyotyp X0 (beim Men- schen Turner-Syndrom). Bei klei- nen Dosen (im Bereich von eini- gen cSv) ist die Eintrittswahr- scheinlichkeit dieses Effektes au- ßerordentlich gering. Diese Effek- te bedürfen weiterer Abklärung.
b) Exposition während der Organbildungsperiode Kurze Zeit nach der Implantation des Embryos in den Uterus (beim Menschen etwa zehn Tage nach der Konzeption) beginnt die Or- ganbildungsperiode mit ausge-
prägten Zellteilungs- und Diffe- renzierungsvorgängen, die zur Anlage der einzelnen Organe füh- ren. Eine Strahlenexposition in dieser Periode kann makrosko- pisch-anatomische Fehlbildungen verursachen. Umfangreiche expe- rimentelle Untersuchungen ge- statten die Schlußfolgerung, daß für die Induktion dieser Effekte ebenfalls eine Dosiswirkungsbe- ziehung mit einer Schwellendosis besteht. Aufgrund dieser Daten und den bisherigen Erfahrungen beim Menschen, zum Beispiel bei Überlebenden in Hiroshima und Nagasaki nach einer Bestrahlung in utero, kann davon ausgegan- gen werden, daß bei Expositionen mit locker ionisierenden Strahlen eine akute Strahlendosis unter 0,05 Gy derartige Wirkungen nicht hervorruft. Bei höheren Dosen kann auch der Tod des Embryos eintreten. Eine fraktionierte oder chronische Bestrahlung hat bei gleicher Dosis wesentlich gerin- gere Effekte zur Folge als eine akute Strahlenexposition.
Strahlenarten mit erhöhtem LET, zum Beispiel Neutronen und a- Strahlen, sind erheblich wirksa- mer. Die zeitliche Dosisverteilung ist in diesem Falle offensichtlich von geringerer Bedeutung.
c) Exposition
während der Fetalperiode Strahlenexpositionen, die am En- de der Organbildungsperiode (beim Menschen etwa zwei Mona- te nach der Konzeption) sowie in der darauf folgenden Fetalperi- ode stattfinden, bedingen Wachs- tums- und Funktionsstörungen, die vor allem auch postnatal durch Ausfallerscheinungen, zum Beispiel im Zentralnervensystem, zur Ausprägung kommen. Die er- neute Analyse der Daten von in utero Exponierten nach den Atombombenabwürfen in Hiroshi- ma und Nagasaki hat gezeigt, daß die wenigen Fälle einer starken geistigen Retardierung bei denje- nigen Kindern aufgetreten sind, die eine Strahlenexposition in der 8. bis 18. Woche ihrer pränatalen Ausgabe A 82. Jahrgang Heft 20 vom 15. Mai 1985 (69) 1521
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Entwicklung erhalten haben. Die- se Beobachtungen sind im Dosis- bereich von einigen cGy und hö- her gemacht worden. In diesem Abschnitt der Fetalperiode findet bei der menschlichen Entwick- lung eine ausgeprägte Zeltver- mehrung der Neuroblasten für die Entwicklung des Vorderhirns statt. Die Störung dieser Zeltproli- feration kann die beobachteten Effekte erklären. Aufgrund der bisher gemachten Erfahrungen muß davon ausgegangen werden, daß hier eine besonders empfind- liche Phase der pränatalen menschlichen Entwicklung mit sehr gravierenden Konsequenzen liegt.
Als besonders empfindlich auf ei- ne Strahlenexposition in utero reagierend hat sich die Oogenese erwiesen. Die hier ablaufenden Vorgänge sind vor allem nach ei- ner kontinuierlichen Exposition durch interne (Tritium) und exter- ne (y-Strahlung) Bestrahlung der schwangeren Tiere (Mäuse und Affen) untersucht worden. Nach Strahlendosen von zwei bis vier mGy pro Tag während der letzten beiden Trimester der Schwanger- schaft ist beobachtet worden, daß die primären Oozyten postnatal auf etwa 50 Prozent des Normal- wertes erniedrigt sind. Für die Re- duktion der primären Oozyten hat sich aus den vorliegenden Beob- achtungen kein Hinweis auf eine Schwellendosis ergeben. Aller- dings haben derartige Strahlen- dosen die Zahl der reifen Oozyten und auch die reproduktive Kapazi- tät der in utero exponierten Säu- ger nicht beeinträchtigt.
Risiko des Auftretens maligner Erkrankungen
Tierexperimentelle und epidemio- logische Studien beim Menschen haben sich mit der Frage beschäf- tigt, ob die Strahlenempfindlich- keit hinsichtlich der Induktion ma- ligner Erkrankungen während der pränatalen Entwicklung größer ist als im postnatalen Leben. Die tier- experimentellen Untersuchungen
bringen unklare Ergebnisse. In ei- ner großen retrospektiven Studie, der sogenannten Oxford-Studie, sind bei Kindern, die in utero eine Strahlenexposition wegen einer Röntgenuntersuchung der Mutter (überwiegend Pelvimetrie) erhal- ten haben, bis zum Alter von zehn Jahren vermehrt Leukämien und maligne Tumoren beobachtet worden. Der deutlichste Hinweis, daß Strahlenexpositionen in utero bereits im Dosisbereich von 0,01 bis 0,05 Gy zu einer signifikanten Erhöhung der Leukämie- und Krebsrate in den ersten zehn Le- bensjahren führen können, kommt von der Analyse der Ein- zel- und Zwillingsgeburten aus den Daten der Oxford-Studie.
In weiteren Studien sind ähnliche Daten berichtet worden, es gibt aber auch Resultate, die diesen Befunden widersprechen. Bei den Kindern, die bei den Atombom- benabwürfen in Hiroshima und Nagasaki in utero exponiert wor- den sind, sind maligne Erkrankun- gen in den ersten zehn Lebens- jahren nicht vermehrt gesehen worden. Es wird heute davon aus- gegangen, daß während der prä- natalen Entwicklung eine höhere Strahlenempfindlichkeit als im postnatalen Leben vorliegt, die bei gleicher Dosis eine um den Faktor zwei bis drei höhere Rate an malignen Erkrankungen verur- sacht. Für Risikoabschätzungen wird bei diesen Effekten von einer linearen Dosiswirkungsbeziehung ohne Schwellendosis ausgegan- gen. In welcher Weise das strah- lenbedingte Krebsrisiko im Ver- laufe der pränatalen Entwicklung sich ändert, kann aufgrund der bisherigen Daten nicht beurteilt werden.
Risiko des Auftretens vererbbarer Defekte
Die Induktion vererbbarer Defekte scheint nach einer Strahlenexpo- sition im perinatalen Alter von La- bornagetieren nicht größer, mög- licherweise niedriger als bei adul- ten Tieren zu sein. Die Untersu-
chungen sind überwiegend an ex- ponierten männlichen Tieren durchgeführt worden. Daten von strahlenexponierten weiblichen Tieren liegen bisher nur in be- grenztem Umfang vor, für den Menschen liegen keine vor.
Kombinationseffekte
Auf Embryo und Fetus können, neben ionisierenden Strahlen aus Medizin und Technik, vielfach chemische Substanzen und ande- re Faktoren mit schädigenden Ef- fekten einwirken. Solche Kombi- nationseffekte sind bisher nur un- genügend bekannt. Sie bedürfen bei Risikoabschätzungen in Zu- kunft weiterer Betrachtung.
Schlußfolgerungen
Die beschriebenen Effekte zei- gen, daß Embryo und Fetus in viel- fältiger Weise auf eine Strahlen- exposition reagieren mit mög- lichen Folgen für das postnatale Leben. Der heutige Kenntnisstand über die quantitativen Dosiswir- kungsbeziehungen erlaubt die Schlußfolgerung, daß die Dosis- grenzwerte, wie sie in der Strah- lenschutzverordnung festgelegt sind, einen hinreichenden Schutz auch für das sich in utero entwik- kelnde Leben gewährleisten.
Schwellendosen, die für einige Ef- fekte offensichtlich existieren, lie- gen oberhalb dieser Grenzwerte.
Bei der Exposition von beruflich Strahlenexponierten und bei der Bevölkerung ist ferner zu berück- sichtigen, daß bei Strahlung mit niedrigem LET (locker ionisieren- der Strahlung) und bei Bestrah- lung mit niedriger Dosisleistung, Effekte auftreten, die zu geringe- ren Schädigungen führen als bei Bestrahlung mit hoher Dosislei- stung.
Anschrift der Kommission:
Bundesminister des Inneren
— Strahlenschutzkommission — Postfach 17 02 90
5300 Bonn 1 1522 (70) Heft 20 vom 15. Mai 1985 82. Jahrgang Ausgabe A
