OncoRay – National Center for Radiation Research in Oncology, Dresden
Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:
Physikalische und strahlenbiologische G dl Grundlagen Prof. Dr. Wolfgang Dörr
Arten der Strahlung Elektromagnetische Strahlung/Photonen g Radiowellen Mikrowellen Infrarotstrahlung
Wirkung g (Atom) -------------
UV-Strahlung
Exzitation
Röntgenstrahlung γ -Strahlung
IO NI SA TI ON
Teilchenstrahlung
Elektronen Neutronen Protonen a -Teilchen Protonen, Teilchen Pionen, Schwerionen
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Reichweite ionisierender Strahlung Abstands Quadrat Gesetz Abstands-Quadrat-Gesetz
r1 r2
D1 = 1/r12
für r2 = 2r1 gilt: D2/D1 = r12/(2r1)2
D2 = 1/r 1/ 22
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= 1/4
Reichweite ionisierender Strahlung Abstands Quadrat Gesetz Abstands-Quadrat-Gesetz
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Zeitlicher Ablauf der biologischen Strahlenwirkung
10-18
10-12
10-6
1
103
106
103
1 1
Exzitation Ionisation Radikalreaktionen
109
Zeit [s]
106 Zeit [h] 106
Zeit [d]
Frühreaktionen Spätreaktionen Karzinogenese Reparaturprozesse
physikalische Prozesse
chemische Prozesse biologische Prozesse Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Strahlenchemie Primärreaktion (Ionisation) + H H O
H H O e-
H H O
H H O
++ H O
. H
HO +H
unmittelbare Folgereaktionen
indirekte Strahlenwirkung ik
.
relevantes Molekül
weitere Folgereaktionen g
.
Radikal: Restmolekül mit einem unpaaren Valenzelektron
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direkte Strahlenwirkung
Strahlenchemie
. . .
.
weitere Folgereaktionen
+
OH
H2O
+
H2O
H2 + OH
+
OH
H2O2
H2O2 +
OH
H2O + HO2
+
O2
HO2
HO2 +
H
H H
OH
H
. . .
. . .
HO2 + HO2
.
. .
(Hydroxyl-Peroxylradikal)
H2O2
unter Anwesenheit von Sauerstoff
H2O2 + O2
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Zelluläre Strahlenbiologie
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Zelluläre Strahlenbiologie Polonium-Nadel ( St hl (α-Strahlung) )
Zellkern
Zellkern
Zyto Zytoplasma
Zyto Zytoplasma
Bestrahlung des Zytoplasma
Bestrahlung des Zellkerns
Zelle überlebt
Zelltod
nach Munro, 1972 Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Zelluläre Strahlenbiologie 125I-Iododeoxyuridine
60 Zerfälle
Zellkern
19600 Zerfälle 125I-Concavalin I Concavalin
Zelltod
Zytoplasma
Zelltod
A Warters et al., Top.Radiat.Res. p 12,, 1977,, 389-407
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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, 25.05.2011
Zelluläre Strahlenbiologie
1 Gy
]
3000 Basenschäden 1000 Einzelstrangbrüche 40 Doppelstrangbrüche vollständige, ordnungsgemäße Reparatur
reproduktive Integrität ((~80%) 80%)
~5000 5000 S Schäden/ häd / Zelle/Gy
unvollständige oder fehlerhafte Reparatur
Zelltod
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Messung d M des Zellüberlebens: Z llüb l b Koloniebildungstest
Zellüberleben 100 Zellen
100 Zellen
unbestrahlte Kontrolle
KolonieBildungstest
2 Gy ca. 2 Wochen
PE = KolonienKo./Einsaat
SF = Kolonienbestr./KolonienKo. 30 Kolonien
Plating Efficiency (PE)
10 Kolonien
ÜberlebensRate (SF)
Zell-Überlebenskurve 1
Überleb bensrate e
0.5
0.2 2)
sf=e-(αd + βd 0.1 linear-quadratische Anpassung p g
0
1
2
3
4
Dosis [Gy]
5
6
7
Zell-Überlebenskurve
mittlere Überlebensdosis D0: Dosis, die das Zellüberleben im exponentiellen Kurventeil auf 37% % reduziert
Ü Überleb bensrate e
1
0.5
0.2
37% D0
01 0.1 0
1
2
3
4
Dosis [Gy]
5
6
7
Arten des Zelltods
Mitosetod
klonogener Zelltod
Interphasetod
Differenzierung
Einflussfaktoren Ei fl f kt des d Zellüberlebens
Einflussfaktoren des Zellüberlebens 1
Ü Überle ebensrrate
SF2A=0.62
intrinsische Strahlenempfindlichkeit
SF2B=0 0.55 55
Zellinie A
Zellinie B
01 0.1 0
1
2
3
4
5
Dosis [Gy]
6
7
Einflussfaktoren des Zellüberlebens Zellzykluseffekte 1
Überle ebensra ate
späte S-Phase 0.1
f üh S-Phase frühe S Ph
0.01
G2-Phase/ Mitose
G1-Phase
0.001 0
2
4
6
8
10
Dosis [Gy]
12
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Re elative Strahlenemp pfindlichkeit
Zellzykluseffekte
M
G1
S
G2
M
Faktoren der zellulären Strahlenempfindlichkeit ¾ intrinsische Strahlenempfindlichkeit ¾ Zellzyklusphase ¾ Strahlenqualität
Wechselwirkung von Strahlung und Materie ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> biologisches ~~~~~~~~~~> g ~~~~~~~~~~> > ~~~~~~~~~~> > ~~~~~~~~~~> Objekt ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~> >
Von einer auf ein biologisches Objekt t ff d treffenden St hl Strahlung k kann nur der d absorbierte b bi t Anteil wirksam werden.
Energiedosis / absorbierte Dosis absorbierte Energie je Masseneinheit (biologischer) Materie
1 Gy (Gray) = 1 J/kg 1 rad = 0.01 Gy = 1 cGy (radiation absorbed dose)
Einflussfaktoren des Zellüberlebens Strahlenqualität
I i ti Ionisationsdichte/LET di ht /LET Relative Biologische g Wirksamkeit Dosisbegriffe
Ionisationsdichte locker ionisierende Strahlung
dicht ionisierende Strahlung
Weglänge g g in μ μm
Linearer Energietransfer
Energieabgabe pro Längeneinheit Weglänge [keV/μm]
< 3.5 keV/μm
> 3.5 keV/μm Weglänge g g in μ μm
locker ionisierende Strahlung
dicht ionisierende Strahlung
Relative biologische Wirksamkeit (RBW)
Die RBW einer Teststrahlung "R" entspricht dem Verhältnis D250/DR, wobei D250 und DR diejenigen Dosen von 250 kV-Röntgenstrahlung und der Teststrahlung sind, die zum Erreichen eines bestimmten biologischen Eff kt nötig Effekts öti sind. i d
RBW =
(Iso)Dosis der Referenzstrahlung (250 kV X) (Iso)Dosis der Teststrahlung
Relative Biologische Wirksamkeit 1 RBW = 5.3
Überle ebensra ate
Niedrig-LET-Strahlung (z. B. Röntgen)
RBW = 3.1
Hoch-LET-Strahlung ((z. B. Neutronen))
0.1 0
1
2
3
4
Dosis [Gy]
5
6
7
Ei fl ßf kt Einflußfaktoren d der RBW
¾ Strahlenqualität (LET) ¾ biologischer Endpunkt / Gewebe ¾ Schadensniveau S h d i (Dosis) (D i )
Äquivalentdosis (HT) ((Organdosis) g ) 1 Sv (Sievert) = 1 Gy wR z
1 rem = 0.01 Sv
StrlSchV 2001
Strahlung g
wR
α schnelle Neutronen Röntgenstrahlen 60Co-γ γ β
20 10 1 1 1
Einflussfaktoren des Zellüberlebens 1
Sauerstoffeffekt Überle ebensra ate
ohne Sauerstoff
Oxygen Enhancement Ratio, OER: Isodosis anoxisch Isodosis oxisch
OER = 3.0
mit Sauerstoff
0.1 0
1
2
3 4 5 Dosis [Gy]
6
7
Einflussfaktoren des Zellüberlebens Relativve Stra ahlenem mpfind dlichkeit
Sauerstoffeffekt 3.0 Blut
2.5
Luft
reiner O2
2.0 3 mm Hg 1.5 1.0
10
20 30 40 50 60 70 155 760 Sauerstoff-Partialdruck [mm Hg]
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Ü Überleb bensratte
Expositionsparameter: Fraktionierung
Dosis DosisErhöhung
Ü ÜberlebensGewinn Dosis
Einflussfaktoren des Zellüberlebens Expositionsparameter: Fraktionierung 1
große Schulter
Überrlebensrrate
kleine Schulter
0.1
Zellinie A
Dosis
Zellinie B
Dosis
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Überlebensrrate
Expositionsparameter: Gesamtdauer
DosisErhöhung
Überlebensgewinn
Dosis
Proliferation klonogener Zellen zwischen den Bestrahlungsfraktionen oder während Bestrahlung mit niedriger D i l i t Dosisleistung
Faktoren der zellulären Strahlenempfindlichkeit ¾ intrinsische Strahlenempfindlichkeit ¾ Zellzyklusphase ¾ Strahlenqualität ¾ Sauerstoff-Versorgung ¾ Bestrahlungsparameter
