Physikalische und strahlenbiologische GdlGrundlagen · OncoRay – National Center forNational...
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OncoRay National Center forOncoRay – National Center forRadiation Research in Oncology, Dresden
Biologische Wirkung ionisierender Strahlung:
Physikalische und strahlenbiologische G dlGrundlagen
Prof. Dr. Wolfgang Dörr
Arten der Strahlung
ElektromagnetischeStrahlung/Photonen Wirkung
Teilchenstrahlungg
Radiowellen
g(Atom)-----
MikrowellenInfrarotstrahlung
----------
UV-Strahlung
Röntgenstrahlung
Exzitation
IO Elektronen-Strahlung
Röntgenstrahlung IONISAγ
Elektronen
Protonen a TeilchenNeutronen
TION
Protonen, a -TeilchenPionen, Schwerionen
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Reichweite ionisierender Strahlung
Abstands-Quadrat-GesetzAbstands Quadrat Gesetz
r1D1 = 1/r1
2für r2 = 2r1 gilt:D2/D1 r 2/(2r )2
1
r2
D 1/ 2
D2/D1 = r12/(2r1)2
= 1/4D2 = 1/r2
2
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Reichweite ionisierender Strahlung
Abstands-Quadrat-GesetzAbstands Quadrat Gesetz
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Zeitlicher Ablauf der biologischen Strahlenwirkung
10-18 10-12 10-6 1 103 106 109 Zeit [s]
1 103 106 Zeit [h]
1 106 Zeit [d]
Exzitation FrühreaktionenIonisation Spätreaktionen
Radikal- Karzinogenesereaktionen
Reparaturprozesse
physikalische Prozesse
chemische Prozesse
biologische Prozessebiologische Prozesse
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Strahlenchemie
Primärreaktion(Ionisation)
HH ++ H..
HH ++
(Ionisation)indirekte Strahlen-
i kOHH H++
OH++O
HH wirkung
relevantesMolekül
e- ..O
HHO
HH --HO
H --++
unmittelbareFolgereaktionen
weitereFolgereaktionen
direkte Strahlen-
Folgereaktionen g
wirkungRadikal: Restmolekül mit einem unpaaren Valenzelektron..Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Strahlenchemie
weitere Folgereaktionen
H.
OH.
+ H2O
. .H
.+ H2H2O OH
.+
OH.
OH.
+ H2O2
+H O + OH. H O HO.+H2O2 + OH H2O HO2
H.
+ O2 HO2.
(Hydroxyl-Peroxylradikal).HO2 + H H2O2
unter Anwesenheitvon Sauerstoff
H + O2 HO2 (Hydroxyl-Peroxylradikal)
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
.HO2 +
.HO2 H2O2 + O2
von Sauerstoff
Zelluläre Strahlenbiologie
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Zelluläre Strahlenbiologie
Polonium-Nadel( St hl )(α-Strahlung)
Zellkern
Zyto-Zellkern Zyto-Zytoplasma
Zellkern Zytoplasma
Bestrahlung des Zytoplasma Bestrahlung des Zellkerns
Zelle überlebt Zelltod
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
nach Munro, 1972
Zelluläre Strahlenbiologie
125I-Iododeoxyuridine
60 Zerfälle Zelltod
Zyto-Zellkernplasma
19600 Zerfälle Zelltod
125I Concavalin A125I-Concavalin AWarters et al., Top.Radiat.Res. 12, 1977, 389-407
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
p , ,
Zelluläre Strahlenbiologie
- Vernetzung DNA-DNA, DNA-Protein,partielle Denaturierung
- Zerstörung von Wasserstoffbindungen
- Basenschädigung, Basenfreisetzung
- Doppelstrangbruch
Einzelstrangbruch- Einzelstrangbruch
Strahlenbiologie der Normalgewebe und Strahlenschutz | Wolfgang Dörr | 40. Seminar über Versuchstiere und Tierversuche, 25.05.2011
Zelluläre Strahlenbiologie
1 Gy1 Gy
]]3000 Basenschäden 5000 S häd /]]3000 Basenschäden1000 Einzelstrangbrüche
40 Doppelstrangbrüche
~5000 Schäden/Zelle/Gy
vollständige,ordnungsgemäßeReparatur
unvollständigeoder fehlerhafteReparatur
reproduktive
Reparatur Reparatur
reproduktiveIntegrität(~80%)
Zelltod( 80%)
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M d Z llüb l bMessung des Zellüberlebens:KoloniebildungstestKoloniebildungstest
Zellüberleben
100 Zellen 100 Zellen Kolonie-Bildungstest
unbestrahlteKontrolle 2 Gy
ca. 2 Wochen
PE = KolonienKo./Einsaat
SF = Kolonienbestr./KolonienKo.
30 Kolonien
Plating Überlebens-10 Kolonien
PlatingEfficiency (PE)
Überlebens-Rate (SF)
Zell-Überlebenskurve1
e
0.5
bens
rate
Übe
rleb
0.2
0.1sf=e-(αd + βd2)
linear-quadratischeAnpassung 0 1 2 3 4 5 6 7p g
Dosis [Gy]
Zell-Überlebenskurve
1
e 0.5
bens
rate
37%
mittlereÜberlebensdosis D : Ü
berle
b
0.2
D0
D0:Dosis, die das Zellüberleben im
Ü
0 1exponentiellen Kurventeil auf
%0 1 2 3 4 5 6 7
0.1
37% reduziert Dosis [Gy]
Arten des Zelltods
Mitosetod
klonogenerZelltod Interphasetod
Differenzierung
Ei fl f kt dEinflussfaktoren des ZellüberlebensZellüberlebens
Einflussfaktoren des Zellüberlebens1
intrinsischeStrahlen-ra
te
SF2A=0.62
SF2B=0 55empfindlichkeit
eben
sr SF2B 0.55
Übe
rle
Zellinie A
Ü
0 1Zellinie B
0 1 2 3 4 5 6 7
0.1
Dosis [Gy]
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Zellzykluseffekte1
0.1ate
späte S-Phase
eben
sra
f üh S Ph0.01
Übe
rle frühe S-Phase
G2-Phase/
0 2 4 6 8 10 120.001
G1-PhaseMitose
0 2 4 6 8 10 12Dosis [Gy]
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Zellzykluseffektehk
eit
pfin
dlic
enem
pS
trahl
elat
ive
M G1 S G2 MRe M G1 S G2 M
Faktoren der zellulären Strahlenempfindlichkeitzellulären Strahlenempfindlichkeit
intrinsische Strahlenempfindlichkeit
ZellzyklusphaseZellzyklusphase
Strahlenqualität
Wechselwirkung von Strahlung und MaterieWechselwirkung von Strahlung und Materie
biologisches ~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~> ~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>
>>gObjekt
>>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>
~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>~~~~~~~~~~>
>>
Von einer auf ein biologisches Objektt ff d St hl k d b bi ttreffenden Strahlung kann nur der absorbierteAnteil wirksam werden.
Energiedosis / absorbierte Dosis
absorbierte Energie je Masseneinheit (biologischer) Materie(biologischer) Materie
1 Gy (Gray) = 1 J/kg
1 rad = 0.01 Gy = 1 cGy1 rad 0.01 Gy 1 cGy(radiation absorbed dose)
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
StrahlenqualitätStrahlenqualität
I i ti di ht /LETIonisationsdichte/LET
Relative Biologische Wirksamkeitg
Dosisbegriffe
Ionisationsdichte
lockerionisierendeStrahlung
dichtionisierendeionisierendeStrahlung
Weglänge in μmg g μ
Linearer Energietransfer
Energieabgabe pro Längeneinheit Weglänge [keV/μm]
lockerionisierendeStrahlung
< 3.5 keV/μm
dichtionisierendeionisierendeStrahlung> 3.5 keV/μm
Weglänge in μmg g μ
Relative biologische Wirksamkeit (RBW)Relative biologische Wirksamkeit (RBW)
Die RBW einer Teststrahlung "R" entspricht demVerhältnis D250/DR, wobei D250 und DR diejenigen Dosen250 R 250 Rvon 250 kV-Röntgenstrahlung und der Teststrahlungsind, die zum Erreichen eines bestimmten biologischenEff kt öti i dEffekts nötig sind.
(Iso)Dosis der Referenzstrahlung (250 kV X)RBW =
(Iso)Dosis der Teststrahlung
Relative Biologische Wirksamkeit1
RBW = 5.3at
eNiedrig-LET-Strahlung
(z. B. Röntgen)
eben
sra
Übe
rle
RBW = 3.1
0.1Hoch-LET-Strahlung (z. B. Neutronen)
0 1 2 3 4 5 6 7
0.1 ( )
Dosis [Gy]
Ei fl ßf kt d RBWEinflußfaktoren der RBW
Strahlenqualität (LET)biologischer Endpunkt / Gewebe
S h d i (D i )Schadensniveau (Dosis)
Äquivalentdosis (H )Äquivalentdosis (HT)(Organdosis)
1 Sv (Sievert) = 1 Gy wR
( g )
1 Sv (Sievert) 1 Gy wR1 rem = 0.01 Sv
Strahlung wRg R
α 20schnelle Neutronen 10schnelle Neutronen 10Röntgenstrahlen 160Co-γ 1
StrlSchV 2001
γβ 1
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Sauerstoffeffekt1
ate ohne Sauerstoff
Oxygeneben
sra
Oxygen Enhancement Ratio, OER:Ü
berle
OER = 3.0
Isodosis anoxischIsodosis oxisch0.1 mit Sauerstoff
Dosis [Gy]0 1 2 3 4 5 6 7
Dosis [Gy]
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Sauerstoffeffektt
Blut
3.0dl
ichk
ei
Blut
2.0
2.5Luft reiner O2
mpf
ind
1.5
2.03 mm Hg
ahle
nem
1.0
ve S
traR
elat
iv
10 20 30 40 50 60 70 155 760Sauerstoff-Partialdruck [mm Hg]
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Expositionsparameter: Fraktionierungte Dosis
bens
rat Dosis-
Erhöhung
Ü
Übe
rleb
Überlebens-Gewinn
Ü
Dosis
Einflussfaktoren des Zellüberlebens
Expositionsparameter: Fraktionierung
1 kleine Schulter große Schulter
rate
rlebe
nsr
Übe
r
0.1 Zellinie A Zellinie B
Dosis
0.1
Dosis
Zellinie A Zellinie B
Einflussfaktoren des ZellüberlebensExpositionsparameter: Gesamtdauer
Proliferation klonogener
rate
Dosis-
klonogener Zellen zwischen den
lebe
nsr Dosis-
Erhöhung Bestrahlungs-fraktionen oder während
Überle-bens-gewinn
Übe
r oder während Bestrahlung mit niedriger D i l i tgewinn Dosisleistung
Dosis
Faktoren der zellulären Strahlenempfindlichkeitzellulären Strahlenempfindlichkeit
intrinsische Strahlenempfindlichkeit
ZellzyklusphaseZellzyklusphase
Strahlenqualität
Sauerstoff-Versorgung
BestrahlungsparameterBestrahlungsparameter