Strahlenbiologie

Gegenstand und Bedeutung

Die Strahlenbiologie, auch Radiobiologie genannt, untersucht die biologischen Wirkungen ionisierender Strahlung auf Lebewesen. Dazu gehören Alpha-, Beta- und Gammastrahlen sowie Röntgenstrahlen. Forschungsgegenstände sind sowohl die akute Strahlenkrankheit, etwa infolge von Unfällen mit Kernkraftwerken, als auch chronische Wirkungen an Tumoren und gesundem Normalgewebe. Diese langfristigen Wirkungen sind besonders für die Strahlentherapie und den Strahlenschutz wichtig.

Nur der Anteil der Strahlungsenergie, den ein Gewebe tatsächlich absorbiert, kann biologisch wirken. Strahlenbiologische Erkenntnisse helfen deshalb dabei, Tumoren möglichst wirksam zu bestrahlen, gesundes Gewebe zu schonen und gesundheitliche Strahlenrisiken einzuschätzen.

Strahlenwirkung auf Zellen

Ionisierende Strahlung wirkt auf Körperzellen, indem sie Moleküle ionisiert oder anregt. Wegen der hohen Wasserkonzentration im Gewebe sind direkte Treffer an wichtigen Makromolekülen weniger bedeutsam als die Radiolyse, also die strahlenbedingte Bildung reaktionsfreudiger Radikale aus Gewebewasser. Diese Radikale oxidieren zelluläre Makromoleküle und stören ihre Funktion; dies heißt indirekte Strahlenwirkung.

Der lineare Energietransfer (LET) beschreibt, wie viel Energie ein Strahlungsteilchen pro Mikrometer abgibt. Seine Einheit ist keV/μm. Röntgenstrahlung hat beispielsweise einen LET von 2,5 keV/μm, schnelle Neutronen einen LET von mehr als 20 keV/μm. Die relative biologische Wirksamkeit (RBW) gibt als Faktor an, wie schädlich eine Strahlungsart im Vergleich zu 250-kV-Röntgenstrahlen ist. Im Strahlenschutz werden anstelle der genauen RBW grob geschätzte ganzzahlige Qualitätsfaktoren verwendet.

Schäden an Proteinen und Lipiden können Zellen meist gut verkraften. Besonders wichtig sind dagegen Schäden an der DNA, der Erbsubstanz, weil jede Zelle nur zwei Kopien besitzt und die Reparaturmechanismen eine begrenzte Kapazität haben. Hauptziel der biologischen Strahlenwirkung sind daher die Chromosomen im Zellkern. Pro Gray absorbierter Energie entstehen in jeder Zelle ungefähr 1000 Einzelstrangbrüche und 40 Doppelstrangbrüche der DNA; fast alle davon sind reparabel.

Nicht reparierte DNA-Schäden können die Zellfunktion stören, Mutationen verursachen oder zum Tod der Zelle führen. Die meisten Strahlenfolgen sind erst oberhalb einer bestimmten Mindestdosis nachweisbar. Strahlung in der Größenordnung der natürlichen Hintergrundstrahlung gilt in dieser Hinsicht als ungefährlich. Für stochastische Strahlenschäden ist jedoch keine Mindestdosis bekannt: Theoretisch kann eine einzelne mutierte Zelle Krebs oder eine embryonale Fehlbildung auslösen. Gegenwärtig wird eine lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung angenommen, bei Röntgenstrahlung beispielsweise 5 % Krebstodesfälle pro Sievert. Diese Angabe wird allerdings intensiv diskutiert.

Bestrahlung kann außerdem den Zellzyklus verzögern. Zuvor unbegrenzt teilungsfähige Stamm- und Krebszellen können sich ausdifferenzieren und dadurch ihre Fähigkeit zur Klonbildung verlieren. Experimentelle Überlebenskurven erfassen neben dem direkten Zelltod auch diesen klonogenen Zelltod, der für die Strahlentherapie wichtig ist. Die Kurven sind charakteristisch S-förmig und lassen sich durch eine linear-quadratische Modellfunktion beschreiben.

Reaktionen gesunder Gewebe

Gewebe unterscheiden sich in ihrer Strahlenempfindlichkeit. Wichtige Einflussgrößen sind der Anteil sich teilender Zellen, die Durchblutung und die Sauerstoffkonzentration. Je niedriger der Sauerstoffpartialdruck ist, desto weniger empfindlich reagiert das Gewebe auf ionisierende Strahlung. Vor einer Strahlentherapie wird deshalb empfohlen, das Rauchen einzustellen und eine vorhandene Blutarmut auszugleichen.

Auch die Organisation der Zellvermehrung ist entscheidend. Hierarchische Gewebe oder Wechselgewebe besitzen eine klar abgegrenzte Stammzellfraktion, aus der abgestorbene Zellen ersetzt werden. Werden diese Stammzellen zerstört, kann nach einigen Tagen das gesamte Gewebe oder Organ zugrunde gehen. Beispiele sind Blutzellen und Darmschleimhaut. Gewebe mit flexibler Proliferation, beispielsweise Leber, Lunge und Gehirn, trennen Stamm- und Funktionszellen nicht eindeutig und können sich von einem subletalen, also nicht unmittelbar tödlichen, Schaden besser erholen.

Wechselgewebe zeigen frühe Reaktionen innerhalb von Stunden bis höchstens sechs Monaten nach der Bestrahlung. Flexible Gewebe können Spätreaktionen entwickeln. Als Spätfolgen gelten definitionsgemäß Strahlenfolgen, die nach sechs Monaten noch andauern. Da Organe aus mehreren Gewebearten wie Stroma, Parenchym und Blutgefäßen bestehen, sind die tatsächlichen Reaktionen komplex. Grundsätzlich kann jedes Organ durch Spätfolgen dauerhaft geschädigt werden, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß.

Der makroskopische Aufbau beeinflusst das Risiko ebenfalls. Linear aufgebaute Organe wie Dünndarm und Rückenmark sind erheblich stärker gefährdet als parallel aufgebaute Organe wie Drüsen. Für die besonders gefürchteten Spätfolgen wurden Toleranzdosen festgelegt. Häufig wird die TD₅/₅ angegeben: Das ist die Dosis, bei der ein bestimmter Schaden innerhalb von 5 Jahren bei 5 % der untersuchten Personen auftritt. Für eine Trübung der Augenlinse liegt die TD₅/₅ beispielsweise bei 10 Gy. Folgen an Normalgeweben werden mit international standardisierten Kriterien erfasst: CTC beschreibt frühe Strahlenfolgen, LENT-SOMA die Spätfolgen.

Tumoren und Strahlentherapie

Tumoren sind normalerweise empfindlicher gegenüber ionisierender Strahlung als gesundes Gewebe. Typisch sind eine Zellzykluszeit von weniger als 2 Tagen und eine Wachstumsfraktion von mehr als 40 %, also ein hoher Anteil sich teilender Zellen. Ihre Dosis-Wirkungs-Beziehung ist wie diejenige normaler Gewebe S- oder sigmaförmig, aber zu niedrigeren Dosen verschoben. Im linear-quadratischen Modell besitzen Tumorgewebe ein höheres α/β-Verhältnis; α und β sind die Koeffizienten der Modellgleichung.

Strahlung ist besser verträglich, wenn die Dosisleistung, also die Dosis pro Zeitspanne, niedrig ist oder die Gesamtdosis auf viele kleine Behandlungen verteilt wird. Hubert Rodney Withers fasste 1975 vier sofort einsetzende Gewebereaktionen als die „4 R’s“ zusammen:

• Reparatur: Enzymatische Korrektur von Einzel- und Doppelstrangbrüchen sowie Basenfehlern in der DNA. • Redistribution: Unterbrochene Zellzyklen werden fortgesetzt, sodass wieder Zellen aus allen Zellzyklusphasen vorhanden sind. • Reoxygenierung: Die Sauerstoffversorgung im Gewebe steigt. • Repopulation: Zellen wachsen nach.

Bei einer Strahlentherapie sind ein bis zwei Behandlungen pro Tag üblich. Zwischen ihnen müssen mindestens sechs Stunden liegen. Schnell wachsende Tumoren lassen sich besser mit einer verkürzten Strahlentherapie behandeln; dabei ist die Gesamtbehandlungszeit entscheidend, nicht die Dosis der einzelnen Behandlung. Ein zerfallender und schlecht durchbluteter Tumor ist dagegen wegen seiner Hypoxie, also seines Sauerstoffmangels, weniger strahlenempfindlich.

Da stets auch gesundes Gewebe bestrahlt wird, muss die Therapie verschiedene Anforderungen ausgleichen. Normalgewebe mit niedrigem α/β-Verhältnis reagiert besonders empfindlich mit Spätfolgen und sollte langsamer sowie mit kleineren Tagesdosen bestrahlt werden. Der notwendige Kompromiss hängt vom jeweiligen Tumor und den verfügbaren technischen Möglichkeiten ab.

Forschung, Themen und Institutionen

Die strahlenbiologische Forschung nutzt molekularbiologische, zytogenetische und zytometrische Methoden an verschiedenen Organismen und Zellsystemen. Auf der Ebene der DNA untersucht sie insbesondere die strahlenbedingte Mutagenese, also die Entstehung von Veränderungen des Erbguts, und deren Reparatur.

Weitere Arbeitsgebiete sind die Erhöhung der Strahlensensibilität von Tumoren zur Verbesserung der Strahlentherapie und die Erhöhung der Strahlenresistenz gesunder Gewebe zu deren Schutz. Hinzu kommen die Grundlagen von Strahlenrisiken und Strahlenschäden, die klinische Strahlenbiologie, mögliche negative und positive Wirkungen niedriger Dosen, Radioaktivität in der Nahrungskette, Strahlenbelastung, Strahlenschutz sowie die zellbiologischen Grundlagen der Strahlentherapie.

Mit dem Fachgebiet befassen sich unter anderem die Deutsche Gesellschaft für Biologische Strahlenforschung (DeGBS), die Schweizerische Gesellschaft für Strahlenbiologie und Medizinische Physik (SSRMP) und die Strahlenschutzkommission (SSK).