Wichtig sind Zellüberlebenskurven für das Verständnis der deterministischen Strahlenwirkung.
Versuche mit Zellkulturen schaffen Verständnis für die deterministische Wirkung von Strahlen, ggf. unter spezifischen Bedingungen.
Es geht darum festzustellen, welche Zellen bei welcher Strahlung und bei welcher Dosis sterben. Außerdem kann erforscht werden, welche spezifischen Bedingungen, etwa die Sauerstoffversorgung, die Ergebnisse beeinflussen können.
Ionisierende Strahlung kann schwerwiegende Veränderungen auf biomolekularer Ebene bewirken – direkt und indirekt.
Je nachdem, welche Biomoleküle geschädigt werden, kommt es zu DNA-Veränderungen, zu Schäden der Kern- oder Zellmembran oder aber zu Schäden an den Zellorganellen.
Biomolekulare Schäden in einer Zelle sind also immer zunächst strukturelle Veränderungen. Funktionelle Veränderungen oder funktionelle Einbußen der Zelle, der Verlust der Proliferationsfähigkeit oder der unmittelbare Tod der Zelle sind mögliche Folgen.
Bei proliferierenden Zelllinien nutzen nur die Zellen dem Körper, die sich vermehren können. Deshalb ist der Begriff der Inaktivierung sinnvoller als der des Todes.
Stammzellen, deren Proliferationsfähigkeit eingeschränkt oder ganz verloren gegangen ist, produzieren keinen Nachschub womit eine ihrer wesentlichen Grundfunktionen fehlt. Die betroffene Zelllinie wird „aussterben“.
In Anbetracht der Bedeutung einer funktionierenden Zellteilung für den ganzen Organismus, betrachtet man Zellen, die eigentlich teilungsfähig sein müssten als inaktiviert, wenn sie sich nicht mehr teilen können – selbst dann, wenn sie noch einen gewissen Stoffwechsel aufweisen.
Werden von ionisierender Strahlung Schäden lokal gesetzt und führen mit der betroffenen Schadensmasse zu einem bedeutsamen Organschaden, so spricht man von einem deterministischen Schaden.
Typisch für deterministische Schäden ist das Vorliegen eines Schwellenwertes, ab dem mit dem Schaden vorbestimmbar gerechnet werden kann. Deterministische Schäden treten vor allem bei höheren Dosen auf und sind insofern vor allem ein Thema in der Strahlentherapie.
Am empfindlichsten sind die Zellen in der frühen S- und der späten G2-Phase. Wenn die Chromosomen dupliziert werden und alles für den eigentlichen Teilungsvorgang vorbereitet wird. Und in der Mitose, wenn die Chromosomen richtig aufgeteilt werden müssen.
In diesen Phasen, die üblicherweise 1 bis 2 Stunden dauern, gibt es keine DNA-Reparatur. Daher zeigen Zellen in diesen Phasen eine rein exponentielle Dosis-Wirkungsbeziehung – sie sind maximal strahlenempfindlich.
Jung und Alt sind nicht gleich – und reagieren auch nicht in gleicher Weise auf die selben Noxen.
Der wachsende Organismus besteht aus weniger Zellen. Er besitzt jedoch mehr Stammzellen als der ausgewachsene Körper und er verfügt – sonst wäre Wachstum nicht denkbar – über mehr Teilungsaktivität als Zelluntergänge.
Hinzu kommen weitere Aspekte: Beim kindlichen Organismus liegen die Organe auf engerem Raum beisammen. Zugleich ist das rote Knochenmark weiter verbreitet, als dies später der Fall sein wird und die erwartete Lebenszeit, in der sich Noxen auswirken können, ist länger.
Deshalb spielt für die Wirkung ionisierender Strahlen auch das Alter eine Rolle.
Da die Strahlung auf zellulärer Ebene wirkt, ist für den Strahlenschutz auch ein Verständnis von Aufbau und Funktion der Zelle erforderlich.
Der menschliche Körper besteht aus rund 1013 bis 1014 stationären Zellen. Die Blutzellen sind hier nicht einmal mit gezählt.
Der grundsätzliche Aufbau von Zellen, wie spezialisiert sie auch sein mögen, ist zunächst gleich.
Im Rahmen des Strahlenschutzes ist der Zellkern mit den Chromosomen von besonderer Bedeutung. Die Chromosomen bestehen aus DNA und sind Träger der Gene, der Erbsubstanz. Diese kann durch ionisierende Strahlung direkt oder indirekt geschädigt werden. Genschäden wiederum können Auswirkungen auf den ganzen Körper haben – bspw. durch die Entstehung einer Krebserkrankung oder durch eine Mutation.
Ionisierende Strahlung tritt in Abhängigkeit von seinen Eigenschaften auf unterschiedliche Weise mit Materie in Wechselwirkung.
Bei Teilchenstrahlung kann es im Wechselspiel mit der bestrahlten Materie zur ladungsbedingten Beeinflussung der Flugbahn der Teilchen und zu Stoßprozessen kommen. In beiden Fällen verliert das Teilchen Energie.
Bei Photonen, die keine Materie darstellen und keine Ladung aufweisen, sind es andere Effekte. In der Diagnostik sind Photoeffekt und Comptoneffekt von Bedeutung. In der Therapie mit dem Einsatz hochenergetischer Photonen steht die Paarbildung im Vordergrund.
Für die Wirkungsweise einer Strahlung und somit für unsere Wahl zum gezielten Einsatz sind die Reichweite und die Durchdringungsfähigkeit entscheidende Charakteristika. So brauchen wir in der Röntgendiagnostik Strahlung, die ein Objekt zwar durchdringen kann, aber auch in ausreichender Weise absorbiert wird, weil ein Bild nur durch das Nebeneinander von Absorption und Passage entstehen kann.
Grundsätzlich gilt:
Bei Photonen gilt:
Atomare Teilchen können beschleunigt werden und bei Stoßprozessen Energie auf andere Teilchen übertragen.
Teilchenstrahlung ist beschleunigte Materie des Atomkerns oder es handelt sich um ein Schwerion. Der Teilchenstrahlung liegt insofern der Zerfall eines instabilen Kerns oder die Ionisation eines Atoms und die anschließende Beschleunigung des Ions zugrunde.
Zur Teilchenstrahlung gehören Alphastrahlung, Betastrahlung, Neutronenstrahlung und Protonenstrahlung sowie die Schwerionenstrahlung (z.B. C14).
Elektromagnetische Strahlung, Photonen, Quanten, Teilchen, Alpha, Beta, Gamma.
Hier soll Ihnen ein Überblick über die Strahlenphysik gegeben werden. Strahlenarten und ihre Charakteristika werden erklärt. So lässt sich auch verstehen, wie Strahlung wirkt.