1 Strahlendosen und Wirkungen

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1 @sme Biologische Wirkungen Ionisierender Strahlung 1 Strahlendosen und Wirkungen die mittlere Letaldosis LD 50 ist die bei der Bestrahlung mit einer bestimmten Strahlenart aufgenommene Energiedosis, bei der innerhalb einer bestimmten Zeit 50% einer großen Anzahl von Individuen einer gegebenen Art getötet werden. die mittlere Letalzeit ist die Zeit, in der 50% der Lebewesen einer großen Anzahl von Individuen einer gegebenen Art als Folge einer Bestrahlung mit einer bestimmten Energiedosis sterben muss. Seite 1

2 1.1 Strahlendosis: Energiedosis Energiedosis D = absorbierte Energie Definition: Energiemenge, die durch die Strahlung auf 1eine J Masseneinheit übertragen 1 Gray = kg wird Symbol: Gy Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad) 1. Strahlendosis: Personendosis = D Q Äquivalentdosis = Zellschädigung durch absorbierte Energie Definition: Sievert Energiemenge, die auf einen Menschen übertragen wird, abhängig von der Strahlenart Symbol: Sv Alte Einheit: rem (1 Sv=100 rem) = Personendosis D = Energiedosis Q = Qualitätsfaktoren für Strahlungs- und Gewebeart Seite

3 1.3 Strahlenschutz Abstand Abschirmen Aufenthalt 1.4 Strahlenbelastungen Mean Effective Dose Rate [msv/a] Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz cosmic radiation terrestric radiation internal natural exposure total natural medical application industrial activities Tschernobyl nuclear weapon tests flights working environment fossile energy nuclear energy industrial products total civilisation Total 0,3 0,4 1,4,1 0,01 0,01 0,005 0,005 0,00 0,00 0,001 0,001,036 4,136 Seite 3

4 1.4.1 Terrestrische Strahlung Area Anual Dose Mean Anual Dose Maximum [msv/a] Germany 0,4 Kerala, Tamil, Nadu (India) 4 Espirito Santo (Brasilia) 6 Ramsar (Iran) 6 [msv/a] Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz 1.4. Kosmische Strahlung Dosisleistung [msv/a] 0,5 1,0 1, öhe über Meeresspiegel [km] 1 amburg München 3 Zugspitze 4 Großglockner Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Seite 4

5 1.4.3 Natürliche Strahlenexposition Effective Dose Rate [msv/a] external internal total cosmic 1000 m above sea level 0,4 0,4 0 m above sea level 0,7 0,7 radio nuclides 0,0 0,0 terrestric K-40 0,18 0,17 0,35 Rb-87 0,006 0,006 U-nat 0,1 1,17 1,9 Th-nat 0,14 0,08 0, Total Σ 0,71 1,45 1,89,16 Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Beispiele für Äquivalentdosen 7000 msv Strahlentod LD msv Schwere Strahlenkrankheit LD msv "Strahlenkater 50 msv Schwellendosis (erste klinische Effekte) 00 msv/a Maximale natürliche Strahlenbelastung (Brasilien, Monazit) 0,01 msv 3 h Flug 10 km öhe 0 msv/a Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie A) 5 msv/a Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie A) 0,3 msv/a Grenzwert für Belastung aus kerntechnischen Anlagen,0 msv/a Mittlere Strahlenbelastung durch medizinische Anwendungen,1 msv/a Mittlere natürliche Strahlenbelastung D <3 msv/a Zusätzliche natürliche Strahlendosis (Beton-, Granitbauten) Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Seite 5

6 1.4.5 Strahlenbelastung beim Fliegen Effektive Dosis durch öhenstrahlung auf ausgewählten Flugrouten Abflug Ankunft Dosisbereich* [µsv] Frankfurt Gran Canaria Frankfurt Johannesburg Frankfurt New York 3-75 Frankfurt Rio de Janeiro 17-8 Frankfurt Rom 3-6 Frankfurt San Francisco Frankfurt Singapur 8-50 * Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück. Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Strahlenbelastung bei der Raumfahrt Flug Flugdauer [h] Dosis [msv] Erdumkreisung APOLLO VII 60 3,6 Erdumkreisung SALJUT 6 / IV Mondumkreisung APOLLO XI 147 5,7 Mondlandung APOLLO XI Mondlandung APOLLO XIV Quelle: Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz Seite 6

7 1.4.7 Die Strahlenbelastung des Menschen Zahlen? Quelle Koelzer 1.5 Strahlungsexposition Externe Bestrahlung Ganzkörperbestrahlung Teilkörperbestrahlung autbestrahlung (durch weiche Gamma- oder elektronenstrahlen) Bestrahlung infolge Kontamination von Kleidung, aare, aut Interne Bestrahlung Einatmen radioaktiver Stoffe (Inhalation) Aufnahme radioaktiver Stoffe über den Magen-Darm-Kanal (Ingestiom) Aufnahme radioaktiver Stoffe über Wunden (Injektion) Aufnahme von Tritium über die unversehrte aut (dermatologische Aufnahme) Seite 7

8 1.5.1 autexposition 1.5. Innere jährliche Strahlenexposition Nuklid Organ Dose [msv] K-40 Ganzkörper 0,17 C-14 Ganzkörper 0,015 U, Th Töchter Knochen, Nieren 0,075 Rn Töchter Lungen 1,0 Summe 1,3 msv Reference: ICRP 30 Seite 8

9 Strahlenwirkungen Unter deterministischen oder nichtstochastischen Strahlenschäden versteht man Strahlenschäden, deren Schweregrad mit zunehmender Strahlenexposition (Dosis) zunimmt und die erst oberhalb bestimmter Werte der Strahlenexposition (Schwellwert) klinisch nachweisbar sind. Als stochastische Strahlenschäden bezeichnet man Strahlenschäden, bei denen die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens mit zunehmender Strahlenbelastung zunimmt, deren Schweregrad jedoch nicht dosisabhängig ist..1 Dosiswirkungsbeziehungen stochastisch: Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Schadens steigt proportional mit Strahlendosis nichtstochastisch Oberhalb einer Schwellebdosis nimmt der Schweregrad der Strahlenschäden zu Seite 9

10 . Stochastische und deterministische Schäden.3 Frühschäden - Spätschäden Frühschäden - akute Wirkungen Übelkeit, Erbrechen autverbrennungen, Entzündungen Strahlenkrankheit Tod Spätschäden Langzeitwirkungen Sterilität, Linsentrübungen Leukämie, Krebs (maligne Tumore) Schäden bei Nachkommen (genetische Schäden) Seite 10

11 .3.1 autverbrennungen.4 Strahlenempfindlichkeit verschiedener Organe Seite 11

12 .5 Verschiedene Strahlenschäden Somatische Schäden Genetische Schäden Somatische Spätschäden Somatische Frühschäden Nichtmaligne Spätschäden Maligne Spätschäden.6 iroshima & Nagasaki Seite 1

13 .6.1 Lehren aus iroshima (1) Gesamtkörperdosis D der Überlebenden D > 4 Sv 51 4 Sv > D > 1 Sv Sv > D > 0,1 Sv ,1 Sv > D Lehren aus iroshima () (UNSCEAR-Studie) Von verstrahlten Personen verstarben 0 an Leukämie (Maximum 10 Jahre nach Exposition) an anderen Tumoren (kontin. ansteigend) Von Personen in der Kontrollgruppe verstarben 1 an Leukämie an anderen Tumoren Strahlenbedingt bei Personen ( excess mortality ): 80 Leukämie-Fälle 60 andere Tumorerkrankungen Seite 13

14 3 Molekularbiologische Aspekte 3.1 DNA 3 Basenpaare = 1 Codon Codons = 1 Gen Seite 14

15 3. Chromosomen Mensch: 3 Paare 1 Paar XX oder 1 Paar XY Summe 46 und 78 Menschenaffe 48 Kaninchen 44 Walderdbeere Die Strahlenempfindlichkeit unterschiedlicher Lebewesen Außenskelett Innenskelett Stoffwechsel Chromosomenzahl Genetische Disposition Seite 15

16 3.4 Strahlenbiologische Wirkungskette Wasser-Radiolyse (1) e kin O O O O * e Ionisation Anregung e O O / O aq O O O Seite 16

17 Seite Wasser-Radiolyse () O O O O e e O n e O O O O aq aq * 3 O O e O O e O O O O O aq aq Thyminoxidation O O e - aq. O. C C C O N C O N C Thymin Zellen bestehen zu ca. 80 % aus Wasser O O O.

18 3.5 Mutationen Genmutation (Punktmutationen) Veränderung der Basensequenz Gendefekte Stoffwechselstörungen Körperzellen: Tumorentstehung, Keimzellen:z.B. Albino Chromosomenmutation Chromosomenbrüche Schwere Defekte Körperzellen:Zelltod, Keimzellen: schwere Defekte Genommutationen Veränderung der Chromosomenzahl Schwere Defekte Keimzellen: z.b. Trisomie Erbkrankheiten Seite 18

19 3.7 Genmutationen 3.8 Chromosomenmutationen Seite 19

20 3.9 Genommutationen 4.1 Reparable Strahlenschäden Einzelstrangbrüche: Seite 0

21 4. Irreparable Strahlenschäden Doppelstrangbrüche: 4.3 Weitere DNS - Schäden Brüche der Wasserstoffbrückenbindung: Seite 1

22 4.3.1 DNA-Schäden Durch Röntgenstrahlen werden etwa 5000 DNA-Schäden pro Gray in jeder Zelle erzeugt Davon sind Basenschäden Etwa 1000 Einzelstrangbrüche Etwa 40 Doppelstrangbrüche Etwa 00 Kombinationsschäden (Basenschäden Brüche) Die individuelle Reparaturfähigkeit entscheidet über die resultierenden Defekte! 5 Wirkung verschiedener Strahlenarten Seite

23 5.1 Alpha-Bestrahlung 5. Gamma-Bestrahlung Seite 3

24 5.3 Neutronen-Bestrahlung 5.4 Strahlenwichtungsfaktor Strahlenart Strahlenwichtungsfaktor w R Photonen, alle Energien 1 Elektronen und Myonen, alle Energien 1 Neutronen < 10 kev 5 Neutronen kev 10 Neutronen kev 0 Neutronen 0 MeV 10 Neutronen > 0 MeV 5 Protonen, außer Rückstoßprotonen > MeV 5 Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne 0 Seite 4

25 5.5 RBW RBW = relative biologische Wirksamkeit Die RBW gibt an, wievielmal größer die Energiedosis einer Vergleichsstrahlung (meist 00 kv Röntgenstrahlen) sein muss als die Energiedosis der zu bewertenden Strahlung, damit dieselbe biologische Wirkung erzielt wird. 5.6 Relative Strahlenempfindlichkeit Seite 5

26 5.7 Einflussgrößen Strahlenart Strahlendosis Milieufaktoren Strahlenempfindlichkeit zeitliche Dosisverteilung räumliche Dosisverteilung 5.8 Typische Früh-Schäden nach medizinischer Strahlenanwendung Strahlencolitis: Schädigung des Darmes durch Anwendung von Radionukliden 3 P intraperitoneal bei Peritonealcarcinose (Ovarialcarcinome) Iridium bei Cervixcarcinomen Bestrahlung von Rektumcarcinomen Strahlendermatitis: Verbrennungen an der aut Strahlenfibrose: Veränderungen des Stützgewebes Cataract: Trübung der Augenlinse Seite 6

27 5.9 Spätschäden 1: lokale Schäden Schädigung umgebenden Gewebes (z.b. Darm oder Blase bei Prostata-Bestrahlung) Vermehrte Verletzlichkeit der aut durch Schädigung des Stützgewebes (Verlust elastischer Fasern) Kontrakturen Fistelbildungen (Darm/Blase) Bestrahlung eines Prostatatumors mit Photonen Seite 7

28 Bestrahlung eines Prostatatumors mit Neutronen 5.10 Spätschäden : Langzeiteffekte Beispiel: Radiojodanwendung Schilddrüse Induktion von Leukämien Induktion von Tumoren im Restschilddrüsengewebe Beispiel Tschernobyl: gehäuft Schilddrüsentumore Beispiel: Radiophosphor Induktion von Leukämien durch Knochenmarkschädigung Induktion von Darmtumoren Beispiel: Iridium-Afterloading (Cervix, Prostata) Seite 8

29 5.11 Folgen medizinischer Strahlenanwendung Etwa 16 Jahre nach einer Bestrahlung beginnt das relative Brustkrebsrisiko der bestrahlten Patientinnen gegenüber der Kontrollgruppe anzusteigen Bestrahlte Kontrollen 5.1 Das Thorotrast-Debakel Thoriumdioxid wurde früher als Röntgenkontrastmittel eingesetzt Nach einer Latenzzeit von mehr als 0 Jahren zeigten sich gehäuft Leberhaemangiosarkome (bösartige Tumoren, ausgehend von Blutgefäßwänden) Thorotrast erhöht das Risiko, an einem LS zu erkranken, etwa um das Tausendfache Aber: wird auch das Gesamtrisiko einer Tumorerkrankung dadurch höher? Seite 9

30 5.1.1 Thorotrast und die Folgen Van-Kaick-Studie 1975 zeigt zwar einen extremen Anstieg des seltenen Lebertumors, aber keine erhöhte Gesamtkrebsmortalität! 6.0 Neuere Forschungsergebnisse 1 Bystander-Effekt: Zellen in Nachbarschaft zu von mit Alpha-Teilchen getroffenen Zellen zeigen eine erhöhte äufigkeit von Chromatidbrüchen Effektiver Zielort bei Bestrahlung größer als bisher angenommen Lineare Extrapolation vom ochdosen- zum Niederdosenbereich zulässig?? Direkte Proportionalität der Strahlen-Risikobetrachtung in Frage gestellt!! Genotoxizität vs. Tumorgenese Seite 30

31 6. Neuere Forschungsergebnisse Grundsatz: Wenn durch eine angeschuldigte Ursache Krebserkrankungen tatsächlich ausgelöst werden, so müssen diese Fälle nachzuweisen sein! Aber: seit 1870 ist die kumulative Krebshäufigkeit in Deutschland nicht gestiegen (lebensalterbereinigt) Die scheinbare Zunahme ist durch die höhere Lebenserwartung bedingt! Kanzerogene definieren den Ort der Tumorentstehung, erhöhen aber die Gesamtwahrscheinlichkeit nicht! Das Tumorrisiko eines Einzelnen ist wesentlich von seiner zellulären Reparaturkompetenz geprägt! 6.3 Typische medizinische Strahlenbelastungen Thoraxröntgen Lendenwirbelsäule Mammografie Angiografie CT Thorax Schrittmacherimplantation Schilddrüsenszintigrafie msv msv 4 msv 40 msv 0 msv Bis 150 msv etwa 800mSv bei MBq 131 Jod Seite 31

32 6.4 Risiko für den Einzelnen Zusatzrisiko bei einer Thoraxaufnahme Lungendosis Risiko Koeff. Mortalitätsrisiko 0,3 msv 0,85% / Sv = 0,3 msv x 0,85% / Sv = 0,0005% = 1 : Zusatzrisiko Mammographie Brustdosis Risiko Koeff. Mortalitätsrisiko,6 msv 0,6% / Sv =,6 msv x 0,6% / Sv = 0,00156% = 1 : Marsflug - Szenario Marsflug dauert mehrere Jahre Dosis bei Weltraumflug ca. 0,0 msv/h Ein Jahr hat 8760 Stunden = 175 msv Schwellendosis wäre nach 1,3 Jahren erreicht Folge: bemannte Raumfahrt zum Mars ist allein deswegen gar nicht zu verantworten! Seite 3