Physikalische und strahlenbiologische Grundlagen

Transkript

1 OncoRay National Center for Radiation Research in Oncology, Dresden Biologische Wirkung ionisierender Strahlung: Physikalische und strahlenbiologische Grundlagen Prof. Dr. Wolfgang Dörr

2 Arten der Strahlung Elektromagnetische Strahlung/Photonen Radiowellen Mikrowellen Infrarotstrahlung UV-Strahlung Röntgenstrahlung γ-strahlung Wirkung (Atom) Exzitation IO NI SA TI ON Teilchenstrahlung Elektronen Neutronen Protonen, a -Teilchen Pionen, Schwerionen Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

3 Reichweite ionisierender Strahlung Abstands-Quadrat-Gesetz r 1 D1 = 1/r 2 1 r 2 D 2 = 1/r 2 2 für r 2 = 2r 1 gilt: D2/D1 = r 2 12 /(2r 1 ) 2 = 1/4 Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

4 Reichweite ionisierender Strahlung Abstands-Quadrat-Gesetz Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

5 Zeitlicher Ablauf der biologischen Strahlenwirkung Zeit [s] Zeit [h] Zeit [d] Exzitation Ionisation Radikalreaktionen Reparaturprozesse Frühreaktionen Spätreaktionen Karzinogenese physikalische Prozesse chemische Prozesse biologische Prozesse Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

6 Strahlenchemie Primärreaktion (Ionisation). H + O H H O H H + + O H e -. H O H H O H - O H - + unmittelbare Folgereaktionen. Radikal: Restmolekül mit einem unpaaren Valenzelektron H weitere Folgereaktionen relevantes Molekül indirekte Strahlenik wirkung direkte Strahlenwirkung Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

7 Strahlenchemie H. + OH. H. H 2 O. + H 2 O. H2 + OH. OH. + OH. H 2 O 2 H 2 O 2 + OH. H 2 O + HO. 2 weitere Folgereaktionen H. 2. H. + O 2 HO 2 (Hydroxyl-Peroxylradikal). HO 2 + H. H 2 O unter Anwesenheit 2 von Sauerstoff HO 2 + HO 2 H 2 O 2 + O 2 Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

8 Zelluläre Strahlenbiologie Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

9 Zelluläre Strahlenbiologie Polonium-Nadel (α-strahlung) Zellkern Zellkern Zyto- plasma Zyto- plasma Bestrahlung des Zytoplasma Zelle überlebt Bestrahlung des Zellkerns Zelltod nach Munro, 1972 Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

10 Zelluläre Strahlenbiologie 125 I-Iododeoxyuridine 60 Zerfälle Zelltod Zellkern Zytoplasma 125 I-Concavalin A Zerfälle Zelltod Warters et al., Top.Radiat.Res. 12, 1977, Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

11 Zelluläre Strahlenbiologie - Vernetzung DNA-DNA, DNA-Protein, partielle Denaturierung - Zerstörung von Wasserstoffbindungen - Basenschädigung, Basenfreisetzung - Doppelstrangbruch - Einzelstrangbruch Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

12 Zelluläre Strahlenbiologie 1Gy 3000 Basenschäden 1000 Einzelstrangbrüche 40 Doppelstrangbrüche ] 5000 ~5000 Schäden/ Zelle/Gy vollständige, ordnungsgemäße Reparatur unvollständige oder fehlerhafte Reparatur reproduktive Integrität (~80%) Zelltod Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz Wolfgang Dörr 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche,

13 Messung des Zellüberlebens: l b Koloniebildungstest

14 Zellüberleben 100 Zellen 100 Zellen Kolonie- Bildungstest unbestrahlte Kontrolle 2 Gy ca. 2 Wochen PE = Kolonien Ko. /Einsaat SF = Kolonien bestr. /Kolonien Ko. 30 Kolonien Plating Efficiency (PE) 10 Kolonien Überlebens- Rate (SF)

15 Zell-Überlebenskurve Überleb bensrate e sf=e -(αd + βd2 ) linear-quadratische Anpassung Dosis [Gy]

16 Zell-Überlebenskurve 1 Überleb bensrate e0.5 mittlere Überlebensdosis D 0 : % Dosis, die das Zellüberleben im exponentiellen Kurventeil auf 37% reduziert Dosis [Gy] D

17 Arten des Zelltods Mitosetod klonogener Zelltod Interphasetod Differenzierung

18 Einflussfaktoren f des Zellüberlebens

19 Einflussfaktoren des Zellüberlebens 1 intrinsische Strahlen- empfindlichkeit Überle ebensr rate SF2 B = SF2 A =0.62 Zellinie A Zellinie B Dosis [Gy]

20 Einflussfaktoren des Zellüberlebens 1 Zellzykluseffekte Überle ebensra ate späte S-Phase füh frühe SPh S-Phase G2-Phase/ Mitose G1-Phase Dosis [Gy]

21 Einflussfaktoren des Zellüberlebens Zellzykluseffekte M G1 S G2 M Relative Strahlenempfindlichkeit

22 Faktoren der zellulären Strahlenempfindlichkeit intrinsische Strahlenempfindlichkeit Zellzyklusphase Strahlenqualität

23 Wechselwirkung von Strahlung und Materie ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> biologisches ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> Objekt ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> Von einer auf ein biologisches Objekt treffenden Strahlung kann nur der absorbierte bi Anteil wirksam werden.

24 Energiedosis / absorbierte Dosis absorbierte Energie je Masseneinheit (biologischer) Materie 1 Gy (Gray) = 1 J/kg 1rad= 0.01 Gy = 1cGy 1 rad 0.01 Gy 1 cgy (radiation absorbed dose)

25 Einflussfaktoren des Zellüberlebens Strahlenqualität Ionisationsdichte/LET Relative Biologische Wirksamkeit Dosisbegriffe

26 Ionisationsdichte locker ionisierende Strahlung dicht ionisierende Strahlung Weglänge g in μm

27 Linearer Energietransfer Energieabgabe pro Längeneinheit Weglänge [kev/μm] < 3.5 kev/μm locker ionisierende Strahlung > 3.5 kev/μm dicht ionisierende Strahlung Weglänge g in μm

28 Relative biologische Wirksamkeit (RBW) Die RBW einer Teststrahlung "R" entspricht dem Verhältnis D 250/D R, wobei D 250 und D R diejenigen Dosen von 250 kv-röntgenstrahlung und der Teststrahlung sind, die zum Erreichen eines bestimmten biologischen Effekts nötig sind. RBW = (Iso)Dosis der Referenzstrahlung (250 kv X) (Iso)Dosis der Teststrahlung

29 1 Relative Biologische Wirksamkeit RBW = 5.3 Überle ebensra ate Niedrig-LET-Strahlung (z. B. Röntgen) RBW = 3.1 Hoch-LET-Strahlung 0.1 (z. B. Neutronen) Dosis [Gy]

30 Einflußfaktoren der RBW Strahlenqualität (LET) biologischer Endpunkt / Gewebe Schadensniveau (Dosis)

31 Äquivalentdosis (H T ) (Organdosis) 1Sv(Sievert) = 1Gy w R 1 rem = 0.01 Sv Strahlung w R StrlSchV 2001 α 20 schnelle Neutronen 10 Röntgenstrahlen 1 60 Co-γ γ 1 β 1

32 1 Einflussfaktoren des Zellüberlebens Sauerstoffeffekt Überle ebensra ate 0.1 ohne Sauerstoff OER = 3.0 mit Sauerstoff Oxygen Enhancement Ratio, OER: Isodosis anoxisch Isodosis oxisch Dosis [Gy]

33 Einflussfaktoren des Zellüberlebens Sauerstoffeffekt Relativ ve Stra ahlenem mpfind dlichkei t mm Hg Blut Luft reiner O Sauerstoff-Partialdruck [mm Hg]

34 Einflussfaktoren des Zellüberlebens Expositionsparameter: Fraktionierung Überleb bensrat te Dosis- Erhöhung Überlebens- Gewinn Dosis

35 Einflussfaktoren des Zellüberlebens Expositionsparameter: Fraktionierung 1 kleine Schulter große Schulter rate rlebensr Über 0.1 Zellinie A Zellinie B Dosis Dosis

36 Einflussfaktoren des Zellüberlebens Expositionsparameter: Gesamtdauer lebensr rate Über Dosis- Erhöhung Überlebens- gewinn Proliferation klonogener Zellen zwischen den Bestrahlungsfraktionen oder während Bestrahlung mit niedriger Dosisleistung i Dosis

37 Faktoren der zellulären Strahlenempfindlichkeit intrinsische Strahlenempfindlichkeit Zellzyklusphase Strahlenqualität Sauerstoff-Versorgung Bestrahlungsparameter