Strahlenschaden

Grundidee und Abgrenzung

Strahlenschäden sind Schäden, die durch ionisierende Strahlung an Lebewesen oder Materialien entstehen. Dazu gehören α-, β- und γ-Strahlung. Neutronenstrahlung wirkt nur indirekt ionisierend, kann aber ebenfalls Strahlenschäden verursachen. Die Strahlung kann aus natürlichen oder künstlichen Quellen stammen. Die Widerstandsfähigkeit gegen solche Schäden heißt Strahlenresistenz.

Beim Eindringen in Materie gibt Strahlung Energie an getroffene Atome oder Moleküle ab. Dadurch können Atome aus ihrer Lage verschoben, Elektronen aus Atomhüllen herausgeschlagen und chemische Bindungen aufgebrochen werden. Dabei entstehen Radikale, also besonders reaktionsfähige Teilchen, die weitere Schäden auslösen können.

Der Artikel behandelt Kernstrahlung und ihre Wechselwirkungen mit organischer und anorganischer Materie. Nicht gemeint sind Schäden durch andere elektromagnetische Strahlung wie UV-Strahlung oder durch Wärmewirkung wie Verbrennungen. Gammastrahlung besteht aus Photonen, die sich physikalisch nicht von Photonen der Röntgenstrahlung oder anderer elektromagnetischer Strahlung unterscheiden; sie unterscheiden sich aber in Ursprung und Energie.

Wichtige Fachgebiete sind der Strahlenschutz, der sich mit Schutz vor Strahlung befasst, die Radiotoxizität, die die Giftigkeit von Radionukliden im menschlichen Körper untersucht, die Radiologie, die Röntgenstrahlung und andere kernphysikalische Verfahren medizinisch nutzt, und die Radiobiologie, die biologische Wirkungen ionisierender Strahlung erforscht.

Schäden in Materialien

In festen technischen Materialien wie Metallen verschlechtert Strahlung die Materialeigenschaften vor allem dadurch, dass Atome aus ihren Plätzen im Kristallgitter herausgeschlagen werden. Viele einzelne Schäden sammeln sich an. Dadurch können sichtbare Veränderungen wie Ausbleichen entstehen oder sich Festigkeitseigenschaften ändern, oft in Richtung einer Versprödung.

Diese Art von Schaden ist besonders wichtig bei Bestrahlung mit schnellen Neutronen in Kernreaktoren und zukünftigen Fusionsreaktoren. Sie heißt Versetzungsschaden, englisch displacement damage, und wird meist in Verlagerungen pro Atom angegeben, englisch displacements per atom, abgekürzt dpa. Schnelle Neutronen können außerdem durch Kernreaktionen vom Typ (n,p) und (n,alpha) die Gase Wasserstoff und Helium im Material erzeugen.

Auch die ionisierende Wirkung der Strahlung kann Material schädigen. Dabei wird ein geladenes Teilchen freigesetzt, das selbst wieder weitere geladene Teilchen freisetzen kann.

In der Kerntechnik spielt die Untersuchung solcher Wirkungen seit Beginn des Atomzeitalters eine große Rolle. Neutronenstrahlung beschädigt in Kernreaktoren alle Materialien, besonders Kernbrennstoff, Moderator, zum Beispiel Nukleargraphit, und Brennelemente. Zur Prüfung werden Materialtestreaktoren, abgekürzt MTR, gebaut.

In Polymeren, also Kunststoffmaterialien, regen Strahlen Moleküle an und lösen Folgereaktionen aus. Es können einzelne H-Atome, ganze Seitenketten oder die Polymerhauptkette abgetrennt werden. Kleinere Bruchstücke reagieren wegen ihrer höheren Beweglichkeit schneller mit anderen Stoffen. Die Lebensdauer der Radikale hängt stark von der Temperatur ab; Erwärmung kann deshalb manche Strahlenschäden schneller ausheilen.

In Halbleitern entstehen Strahlenschäden meist wie in Metallen durch Verlagerung von Gitteratomen. Das kann zur Amorphisierung, also zum Verlust der geordneten Kristallstruktur, und zur Veränderung der Leitfähigkeit führen. Deshalb ist Strahlenresistenz von Bauteilen für besondere Strahlungsumgebungen ein wichtiges Thema. Strahlenschäden können aber auch gezielt genutzt werden, etwa bei der Ionenimplantation zur Dotierung von Halbleitern.

Schäden bei Lebewesen

Lebende Organismen besitzen Reparatursysteme, die viele Strahlenschäden rückgängig machen können. Diese Systeme sind komplex und bislang nur im Ansatz verstanden. Trotzdem bleiben mikroskopische Schäden zurück und können sich ansammeln. Niedere Lebewesen wie Bakterien können allgemein deutlich höhere Strahlungsdosen ertragen als höhere Lebewesen wie Säugetiere. Das Bakterium Deinococcus radiodurans kann sogar im Kühlwasser von Kernreaktoren leben.

Strahlenschutzvorschriften regeln in den meisten Ländern den Umgang mit Strahlung und mit Stoffen, die ionisierende Strahlung abgeben. Sie legen Grenzwerte für die maximale Belastung, also die Strahlendosis, der Bevölkerung fest.

Bei Mensch und Tier unterscheidet man drei Arten von Strahlenschäden: somatische Schäden, die beim bestrahlten Organismus selbst auftreten; teratogene Schäden, die während der Schwangerschaft den Embryo schädigen; und genetische Schäden, die erst bei den Nachkommen auftreten.

Somatische Schäden werden weiter in Früh- und Spätschäden eingeteilt. Somatische Frühschäden treten nach Stunden oder spätestens nach einigen Wochen auf und gehören zur Strahlenkrankheit. Medizinisch nachweisbar sind sie erst ab einer Mindestdosis, der Schwelldosis. Beim Menschen liegt diese zwischen 200 und 300 mSv. Beispiele sind ein verändertes Blutbild, Übelkeit, Entzündung der Schleimhäute oder Fieber.

Somatische Spätschäden werden erst Jahre oder Jahrzehnte nach der Bestrahlung äußerlich sichtbar, obwohl die Zellen sofort nach der Bestrahlung geschädigt wurden. Man unterscheidet maligne Spätschäden wie Leukämie und nicht-maligne Spätschäden wie Unfruchtbarkeit oder eine Trübung der Augenlinse.

Wirkung auf Zellen und Moleküle

Bei biologischen Wirkungen unterscheidet man Gewebereaktionen und stochastische Strahlenschäden. Gewebereaktionen entstehen, wenn oberhalb einer bestimmten Schwellendosis so viele Körperzellen absterben, dass sicher schädliche Effekte auftreten. Die Schwere des Schadens steigt proportional zur Dosis.

Stochastische Strahlenschäden entstehen durch Zellveränderungen. Hier steigt die Wahrscheinlichkeit proportional zur Dosis. Deshalb soll Strahlenexposition so niedrig wie vernünftigerweise möglich gehalten werden; das ist das ALARA-Prinzip.

Auf molekularer Ebene kann ionisierende Strahlung DNA-Veränderungen, also Mutationen, im Zellkern verursachen. Direkt können Einzelstrangbrüche und Doppelstrangbrüche der Nucleotidketten entstehen. Indirekt können aus Wassermolekülen Radikale gebildet werden, vor allem OH- und H-Radikale. Diese können unter anderem Desoxyribose angreifen, was zu einer Hydrolyse der Phosphorsäureesterbindung führt.

Auch Nucleotidbasen können geschädigt werden. Es kann zu Ringöffnungen kommen und bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Peroxidbildungen, zum Beispiel Thyminhydroxyhydroperoxid. Nach Radikalbildung sind auch Dimerisierungen von Basen möglich, wodurch sich die Doppelhelix räumlich verändert. Bei der Transkription kann DNA-Schaden zu falschem Ablesen durch Basenschäden oder zu einem Stopp bei Einzelstrangbrüchen führen. Bei geringen Schäden kann die Transkription aber auch ungestört bleiben.

Neben der DNA können Proteine verändert werden. Besonders wichtig ist das bei Enzymen, die dadurch ihre Enzymaktivität verlieren können. In eukaryotischen Zellen werden Schäden größtenteils repariert. Wenn keine oder eine falsche Reparatur stattfindet, folgt entweder Zelltod oder Zellveränderung.

Beim Zelltod verliert die Zelle ihre Teilungsfähigkeit und stirbt nach Ablauf ihrer Lebensdauer. Sind ausreichend viele Zellen betroffen, entstehen Gewebereaktionen. Dazu gehören akute Frühschäden wie Erythem und akute Strahlenkrankheit, nichtkanzeröse Spätschäden wie fibrotische Gewebsveränderungen, Trübung der Augenlinse, Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit und testikuläre Anomalie sowie teratogene Effekte.

Bei Zellveränderung teilt sich die Zelle weiter und gibt veränderte DNA an Tochterzellen weiter. Daraus entstehen stochastische Strahlenschäden, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit erst Jahre oder Jahrzehnte nach der Exposition auftreten. Für sie gibt es vermutlich keine Schwellendosis. Die Dosis beeinflusst nicht die Schwere der Erkrankung, sondern die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens. Beispiele sind Zell-Transformationen, die zu Krebs führen, Mutationen, Erbkrankheiten und teratogene Effekte.

Letale Dosen

Die letale Dosis wird im Artikel als LD_{50|30} angegeben. Das bedeutet: 50 % Letalität nach 30 Tagen. Die Werte beruhen unter anderem auf Daten der Internationalen Atomenergie-Organisation (IAEO). Sie unterscheiden sich stark, weil Lebewesen und Viren verschieden empfindlich gegenüber ionisierender Strahlung sind.

Die genannten Werte beziehen sich auf kurzzeitige Ganzkörperbestrahlungen wie bei der Strahlenkrankheit. Kurzzeitig heißt kurz im Vergleich zu biologischen Heilungsprozessen; wenige Minuten gelten als kurz, eine oder mehrere Stunden nicht mehr. Eine Exposition von 100 Gy über wenige Stunden führt typischerweise zum Tod eines Menschen.

Beispiele für LD_{50|30}-Werte in Gray (Gy) sind: Meerschweinchen 2,5–4 Gy, Ziege 3,5 Gy, Mensch 3–4,5 Gy, Hund 4–5,5 Gy, Rhesusaffe 5,5 Gy, Ratte 6 Gy, Goldfisch 8,5 Gy, Hamster 9–11 Gy, Forelle 15 Gy, Escherichia coli 50 Gy, Fledermaus 50 Gy, Schnecke 200 Gy, Wespe 1.000 Gy, Tabakmosaikvirus 2.000 Gy, Bärtierchen 5.700 Gy und Deinococcus radiodurans 10.000 Gy.

Historische Erfahrungen

Die Geschichte der Strahlenschäden zeigt, dass die Gefahren ionisierender Strahlung nach ihrer Entdeckung zunächst unterschätzt wurden. Am 28. Dezember 1895 veröffentlichte Wilhelm Conrad Röntgen seine Studie Über eine neue Art von Strahlen. Einen Monat später berichtete er in einer Vorlesung über die „X-Strahlen“ und röntgte eine Hand des Schweizer Anatomie-Professors Rudolf Albert von Kölliker. Die Entdeckung löste große Begeisterung aus und revolutionierte die Medizin.

Schon Ende 1896 dokumentierten Fachblätter 23 Fälle schwerer Strahlenschäden. Manche Patienten erlitten Verbrennungen durch unerwartete Streuungen. James Ewing, ein Pionier der Radiologie, schrieb später, manche Patienten seien in den ersten Jahren der Anwendung „auf dem Behandlungstisch regelrecht hingerichtet worden“.

Ein Beispiel ist Friedrich Clausen (1864–1900), der zwischen 1896 und 1900 in Experimentalvorträgen Röntgenstrahlung demonstrierte. Bereits 1896 hatte er Verbrennungen an den Händen, ignorierte sie aber wie viele andere. Später verlor er Fingerglieder, dann wurde der rechte Arm amputiert; sechs Wochen nach der Operation starb er. Auch John Hall-Edwards, ein britischer Pionier der medizinischen Röntgennutzung, spendete seine um 1900 amputierte Hand, um die Folgen jahrelanger Arbeit mit Strahlung zu zeigen.

Bleiabschirmungen wurden entwickelt, aber viele Ärzte schützten sich nicht, weil sie sie zu teuer oder umständlich fanden. Mihran Kassabian warnte davor, die Gefahren zu stark zu betonen, starb aber 1910 selbst an Strahlenfolgen. Im Ersten Weltkrieg setzte sich das Röntgen endgültig durch, etwa zum Auffinden von Geschossen und Granatsplittern oder zum Richten von Knochenbrüchen. In den zwanziger Jahren bemühten sich viele Ärzte um vorsichtigere Dosierung.

Parallel wurden radioaktive Stoffe untersucht. Henri Becquerel entdeckte im Februar 1896 die Radioaktivität von Uran. Marie Curie prägte den Begriff „radioaktiv“ und identifizierte im Dezember 1898 Radium. Ernest Rutherford entdeckte 1903 Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Alexander Graham Bell erkannte 1907 das Potenzial strahlender Substanzen für die Krebstherapie.

Radium war 1920 mit 120.000 Dollar je Gramm extrem teuer und wurde dennoch auch gegen Herzbeschwerden und Impotenz eingesetzt. Arbeiterinnen in Uhrenfabriken trugen radiumhaltige Leuchtfarbe auf Uhrzeiger auf und erlitten schwere Strahlenschäden; sie wurden als „Radium Girls“ bekannt. Außerdem gab es Anwendungen wie Radium in Ölfarben, Radiumwasser als „ewiger Sonnenschein, flüssiger Sonnenschein“ und die thoriumhaltige Zahnpasta Doramad. In manchen Schuhgeschäften standen, in Österreich bis zumindest 1961, Röntgengeräte zur Durchleuchtung der Füße beim Schuhkauf.