Strahlenwirkungen und Strahlenrisiko Prof. Dr. J. Breckow

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1 Ausgangswissen : Ionisierende Strahlung kann Krebserkrankungen verursachen Ein einfaches Maß für die Schädlichkeit ist die im Körper/Organ/Zelle deponierte Energie Energiedosis (Gray, Gy) Es gibt verschiedene Strahlenarten : Röntgenstrahlung, Gamma- Strahlung, Elektronen, Alpha-Strahlung, Neutronen,... Verschiedene Strahlenarten verursachen selbst bei gleicher Energiedosis unterschiedlich starke Schädigungen

2 Verschiedene Strahlenarten verursachen selbst bei gleicher Energiedosis unterschiedlich starke Schädigungen : 10 mgy 10 mgy z.b. Röntgenstrahlung z.b. Neutronenstrahlung "Locker ionisierende Strahlung" "Dicht ionisierende Strahlung"

3 Verschiedene Strahlenarten verursachen selbst bei gleicher Energiedosis unterschiedlich starke Schädigungen : Bahnspuren : 1 MeV Elektron 5 kev Elektron Chromatinfaser 1 kev δ-elektron 10 MeV Proton 500 kev Proton Die Wirkung hängt mit der räumlichen Konzentration der Energieabgaben und mit dem Muster der Energiedeposition zusammen Ionisationsdichte

4 Verschiedene Strahlenarten verursachen selbst bei gleicher Energiedosis unterschiedlich starke Schädigungen : Doppelstrangbrüche (DSB) und Deletionen gelten als die für die Kanzerogenese relevantesten DNA- Schäden. DNA-Schäden

5 Felder der strahlenbiologischen Forschung : Klassische Strahlenbiologie : Dosis-Wirkungsbeziehungen für zelluläre Effekte (z.b. Überlebenskurven, RBW, Proliferationsfähigkeit, ) (Klassische) Molekulare Strahlenbiologie : Genetische Effekte, DNA-Schäden, Reparatursysteme, Microbeam-Experimente, Mikro-/Nanodosimetrie : Räumliche und zeitliche Schadensmuster, Korrelation verschiedener Effekte Epigenetik : Regelung von Transkription, Translation, Gen-Expression durch nichtgenetische Mechanismen Zusammenwirken der einzelner Effekte

6 P P γ-h2ax Immun-Fluoreszenz- Mikroskopie (IFM) P Kontrolle Fluorochrom Phosphatgruppe am Histon Sekundärer Antikörper Primärer Antikörper Reparaturzeit DNA- Doppelstrangbruch (DSB) mit freundlicher Genehmigung von M. Löbrich, TU Darmstadt

7 Chromosomen- Aberration Dizentrische Translokationen Fluoreszenz In-Situ Hybridisierung (FISH) und Spectral Karyotyping (SKY)

8 Chromosomen- Aberration Rate der dizentrischen Chromosomen- Aberrationen : etwa 0,5... 1/Gy/Zelle Neutronen Elektronen "Normalrate": etwa 0, ,1/Zelle aus : Schmid et al., Radiat Res (2002)

9 Ausgangswissen : Ionisierende Strahlung kann Krebserkrankungen verursachen Ein einfaches Maß für die Schädlichkeit ist die im Körper/Organ/Zelle deponierte Energie Energiedosis (Gray, Gy) Es gibt verschiedene Strahlenarten : Röntgenstrahlung, Gamma- Strahlung, Elektronen, Alpha-Strahlung, Neutronen,... Verschiedene Strahlenarten verursachen selbst bei gleicher Energiedosis unterschiedlich starke Schädigungen Diese Unterschiedlichkeit wird durch einen Strahlungs-Wichtungsfaktor ausgedrückt Äquivalentdosis (Sievert, Sv) Das durch Strahlung verursachte zusätzliche Risiko, an Krebs zu erkranken, wird Strahlenrisiko genannt Ein Maß für das Strahlenrisiko ist die Effektive Dosis (Sievert, Sv)

10 Was ist Becquerel? Was ist Sievert? Maß für die Radioaktivität : Anzahl der Zerfälle pro Sekunde Aktivität [Bq] "Normalwerte" (Beispiele): im Körper : Bq in Nahrungsmitteln : 100 Bq/kg in Wasser : 10 Bq/L in Luft : 100 Bq/m³ auf dem Boden : 1000 Bq/m² in der Nuklearmedizin : 500 MBq Maß für die Strahlenwirkung : Krebsrisiko Effektive Dosis [Sv] "Normalwerte" (Beispiele): natürliche Dosis : 1 msv/a 0,1 µsv/h im Flugzeug : 10 µsv/h Röntgenaufnahme : 0,1 msv CT-Untersuchung : 10 msv Grenzwert (berufl.) : 20 msv/a (ungefähre bzw. stark gerundete Werte) Umrechnung : Aktivität Dosis Risiko?

11 Natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition des Menschen : hauptsächlich durch Röntgendiagnostik Medizin Radon Im menschlichen Körper finden radioaktive Zerfälle pro Sekunde statt! Inkorporation nicht alles, was künstlich ist, ist gefährlich terrestrisch Kernwaffen, Kerntechnik, Tschernobyl, kosmisch nicht alles, was natürlich ist, ist harmlos Mittlere Effektive Dosis pro Jahr in Deutschland (msv/a)

12 Biologische Wirkung von Neutronen Es liegen wenig direkte epidemiologische Daten zur Wirkung von Neutronen auf Menschen vor. Es werden molekulare und zelluläre Studien sowie Studien an Tieren zur Beschreibung der Neutronenwirkung herangezogen Epidemiologische Studien liegen für Gamma-Strahlung vor. Es wird das Verhältnis von Neutronen- zur Gamma-Wirkung bei Molekülen/Zellen/Tieren auf die Krebswirkung bei Menschen übertragen Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) Aus den RBWs werden die Strahlungs-Wichtungsfaktoren für Neutronen bestimmt.

13 Relative Biologische Wirksamkeit, RBW

14 Relative Biologische Wirksamkeit, RBW aus: SSK: Bewertung des Risikos durch Neutronenstrahlung (2000)

15 Strahlungs-Wichtungsfaktoren nach StrlSchV Art und Energiebereich Strahlungs- Wichtungsfaktoren w R Photonen, alle Energien 1 Elektronen und Myonen, alle Energien 1 Neutronen, Energie < 10 kev 10 kev bis 100 kev > 100 kev bis 2 MeV > 2 MeV bis 20 MeV > 20 MeV Protonen, außer Rückstoßprotonen, Energien > 2 MeV Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne

16 Strahlungs-Wichtungsfaktoren für Neutronen nach ICRP 103 (2007) Die Strahlungs- Wichtungsfaktoren der ICRP 103 wurden von der 2013/59/EU- Grundnorm übernommen und werden vermutlich auch Bestandteil des künftigen deutschen Strahlenschutzrechts sein.

17 Ionisierende Strahlung Stochastische Faktoren Endogene Faktoren Genetische Faktoren DNA-Schäden Andere (gentoxische) Risikofaktoren Frage : "wie" Reparaturprozesse Genetische Veränderungen Mutationen Genomische Instabilitäten... Frage : "ob" bzw. "wieviel" Epidemiologie Molekularbiologie Biophysik Wirkungsmechanismen Krebs Risikofaktoren Risikokoeffizienten (quantitatives Risiko pro Dosis)

18 Risikoschätzungen zusätzliches relatives Risiko 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Überlebende der Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki Solide Tumore Solide Tumore Steigung : Risikokoeffizient für absolutes Risiko : 10% pro Sv Woher kommt die Schätzung des "Strahlenrisikos"? Mittlere Dosis 200 msv Große Dosisleistung : Akute Exposition Hauptsächlich γ mit hoher Energie DS02 linear linear-quadratisch 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Dickdarm Organdosis [Sv]

19 Dosis-Wirkungs-Beziehungen Die Dosis-Wirkungsbeziehung für stochastische Effekte wird durch eine Vielzahl von nicht-linearen (molekularen und zellulären) Einzeleffekten bestimmt. Zusammenwirkung einzelner Effekte z.b. Bystander-Effekt Gesamtheit aller biologischen Effekte z.b. Apoptose

20 Vergleich mit anderen Noxen am Arbeitsplatz : Toleranzrisiko 4 : Vorschlag des Ausschusses für Gefahrstoffe (AGS) Grenzwerte Risiko : etwa Risiko : etwa msv 20 msv/a Zusatzrisiko? Totales Risiko? Zeitbezug? "Optimierungsbereich" Akzeptanzrisiko 4 : The risk-based concept for carcinogenic substances developed by the Committee for Hazardous Substances, BAUA, 2013 Risiko : etwa µsv/a

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22 Castor-Transporte : aus : Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS): /content/strahlung swerte Bsp.: 24 h in 2m Abstand 1,2 msv entspr. 10 Röntgenaufnahmen

23 Jungen/Mädchen- Verhältnis durch Strahlenexposition aus : Kusmierz et al: Is the human sex odds at birth distorted in the vicinity of nuclear facilities (NF)? IEP, 2010 Annahme : 1% lineare Abnahme pro 20 Jahre in 100 Jahren Jungen/Mädchen- Verhältnis ausgeglichen

24 Jungen/Mädchen- Verhältnis durch Strahlenexposition in Abhängigkeit von der Entfernung zu Kernkraftwerken Die Autoren schließen daraus, dass das Strahlenrisiko gegenwärtig um 3 bis 4 Größenordnungen unterschätzt wird. aus : Kusmierz et al: Is the human sex odds at birth distorted in the vicinity of nuclear facilities (NF)? IEP, 2010