Von der ionisierenden Strahlung bis zum klinischen Effekt am Organismus reicht eine Wirkungskette, die in Phasen gegliedert werden kann.
Die Energieübertragung im Rahmen der Ionisation stellt die physikalische Phase dar und ist der erste von mehreren Schritten. Ihr folgen die radiochemische Phase, die biochemische Phase und die biologische Phase.
Biologische Bedeutung hat Strahlung dann, wenn sie aufgrund ihres Charakters in der Lage ist, biologische Strukturen zu verändern. Das ist bei ionisierender Strahlung der Fall.
Teilchenstrahlung wird ebenso wie Röntgen- und Gammastrahlung vom menschlichen Körper mehr oder weniger absorbiert. Ab etwa 10 Elektronenvolt kann es zur Ionisation kommen.
Für das Verständnis der organischen Auswirkungen ionisierender Strahlung ist die Definition des stochastischen und des deterministischen Strahlenschadens hilfreich. Mit ihr werden die Folgen am Organismus danach eingeteilt, ob der Schaden zufällig (stochastisch) oder vorbestimmbar (deterministisch) auftritt. Mit dieser scheinbar banalen Definition sind spezifische Betrachtungen und Erkenntnisse für die Diagnostik und die Therapie mit ionisierenden Strahlen verbunden.
Vereinzelte Schäden der Erbsubstanz, die bspw. zu Krebs führen können, aber nicht müssen, werden als stochastische, als Zufallsschäden bezeichnet.
Typisch für stochastische Schäden ist, dass sie bei geringer Dosis auftreten. Es keinen Schwellenwert und der Schaden tritt zufällig auf. Da stochastische Schäden bei sehr geringen Strahlendosen anzutreffen sind, sind sie ein Thema in der Diagnostik.
Je nachdem bei wem ein Schaden manifest wird, ob beim unmittelbar exponierten autaken Körper, beim Fötus oder durch die Schädigung der Keimbahn erst bei einer Folgegeneration, werden Schäden unterschiedlich eingeordnet.
Somatische Schäden betreffen den Körper des Bestrahlten, genetische Schäden betreffen die Keimbahn und wirken sich erst in einer Folgegeneration aus und teratogene Schäden betreffen das ungeborene und unreife Leben und führen typischerweise zu Fehlbildungen. Bei der Exposition einer Person können alle Schadentypen parallel auftreten.
Die relative biologische Wirksamkeit vermittelt einen Eindruck von der biologischen Wirkung von Strahlung.
Definiert ist der Begriff der relativen biologischen Wirksamkeit, RBW durch das Dosisverhältnis der Referenzstrahlung zu der zu untersuchenden Strahlung – und das bei einer ausgesuchten und gleichen biologischen Wirkung. Man spricht in diesem Zusammenhang von der isoeffektiven Dosis – also einer numerisch ggf. voneinander abweichenden Dosis mit jedoch gleicher biologischer Wirkung.
Strahlung kann Ionisationen geballt oder räumlich verteilt verursachen. Der Lineare Energietransfer beschreibt dies.
Der lineare Energietransfer beschreibt die durchschnittliche Energieübertragung der jeweiligen ionisierenden Strahlung auf ihrem Weg durch das Gewebe.
Energieübertragung bedeutet zugleich Absorption von Energie in der von der Strahlung getroffenen Materie.
Die Maßeinheit für den linearen Energietransfer, also die Energieübertragung, ist das Kiloelektronenvolt pro Mikrometer (KeV/µm).
Viele DNA-Schäden können mit hoher Präzision beseitigt werden – doch nicht alle. Klinische Folgen müssen dennoch nicht resultieren.
Entscheidend für etwaige Folgen von DNA-Schäden ist, welcher Teil der DNA betroffen ist und welcher Schaden zurück bleibt. So können strahleninduzierte lose DNA-Enden den programmierten Zelltod, die Apoptose auslösen – ggf. binnen Stunden. Zudem können mitotische Störungen für die Zelle tödlich sein, wenn die Chromosomen-Segregation, also die Aufteilung der Chromosomen betroffen ist.
Theoretisch können aber auch spezifische Funktionsdefizite auftreten; dadurch nämlich, dass Enzyme oder Strukturproteine nicht mehr richtig gebildet werden und so zur tödlichen Schädigung der Zelle führen. Dies ist allerdings ein eher unwahrscheinliches Ereignis. Schließlich sind nur 2-3% der DNA kodierend.
Schäden an der Erbsubstanz treten auch ohne äußere Noxen auf. Die Zelle hat dafür effiziente Reparatursysteme.
DNA-Schäden treten bereits physiologisch auf. DNA-Schäden entstehen zudem durch externe Einflüsse wie ionisierende Strahlung und chemische Noxen, zu denen normale Umwelteinflüsse, aber auch Chemotherapeutika zählen.
Im Detail kann man zwar viele verschiedene DNA-Schäden beschreiben, die durch ionisierende Strahlung verursacht werden. Im Wesentlichen gibt es aber nur fünf Grundtypen und ihre Kombinationen:
Je geringer ein Schaden ist, um so zuverlässiger funktioniert die Reparatur.
Die direkte Wirkung ionisierender Strahlung zeichnet sich also dadurch aus, dass die Energieabsorption durch Ionisationen direkt in empfindlichen biologischen Molekülen erfolgt.
Die Zellen bestehen jedoch zu 80% aus Wasser und nur zu 20% aus Biomolekülen, die Membranen, Zellorganellen und Zellkern bilden oder als Enzyme tätig sind.
Die Wahrscheinlichkeit ist insofern relativ groß, dass von der ionisierenden Strahlung eher Wasser als andere Moleküle getroffen werden. Wird Wasser getroffen, kommt es zur Wasserradiolyse und der Bildung von Radikalen. Ionisieren diese oder Reaktionsprodukte von ihnen Biomoleküle, so liegt eine indirekte Strahlenwirkung vor.