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Lexikon der Biologie: Strahlenschäden

Strahlenschäden, Schäden, die ionisierende Strahlen an Organismen verursachen. Die Wirkung von ionisierender Strahlung im Organismus ( ä vgl. Infobox ) kann aus einer Reihe von physikalischen, chemischen, biochemischen und biologischen Prozessen bestehen. Von den vielfältigen Wechselwirkungen ionisierender Strahlung mit der Zellmaterie sind lediglich Ionisation und Anregung von Bedeutung, da dabei das getroffene Molekül zerbrechen kann. Die entstandenen Bruchstücke reagieren chemisch anders (chemische Reaktion) als das Ursprungsmolekül, und es können neue chemische Verbindungen entstehen. Sind diese toxisch, wird der Schaden noch verstärkt. So kann z.B. ein Wassermolekül (Wasser) einer Zelle in Wasserstoffperoxid umgewandelt werden, das bereits in kleinen Konzentrationen ein Zellgift ist (Cytotoxine, freie Radikale, Radikale). Die veränderten oder neu entstandenen Moleküle, deren biochemische Funktionsfähigkeit gestört oder gänzlich verlorengegangen ist, können repariert (z.B. Einzelstrangbrüche bei der DNA; DNA-Reparatur) oder über den Stoffwechsel der Zelle entfernt werden. Andererseits kann auch ein biologischer Bestrahlungseffekt auftreten: Die Zelle zeigt ein verändertes biologisches Verhalten oder ist nicht mehr funktionsfähig. Dies führt jedoch nicht in jedem Fall dazu, daß der Schaden nach außen erkennbar wird. Der menschliche Körper besitzt – wie der nahezu aller anderen Lebewesen auch – die Fähigkeit, geschädigte oder nicht mehr funktionsfähige Zellen zu erkennen und mit Hilfe des Immunsystems zu bekämpfen und abzubauen. In einigen Fällen löst die Bestrahlung auch Apoptose der Zelle aus. Der biologische Bestrahlungseffekt bleibt dann ohne gesundheitliche Konsequenz für den betroffenen Menschen. Versagt das Abwehr- bzw. Reparatursystem oder wird es überfordert, kommt es zu einem Strahlenschaden, der sofort oder erst nach einer längeren Zeit offenbar werden kann. Grundsätzlich gilt, daß der Zellkern empfindlicher auf ionisierende Strahlen reagiert als das Zellplasma (Cytoplasma), da der Kern die makromolekularen Informationsspeicher (DNA; Desoxyribonucleinsäuren), welche die vielfältigen Zellfunktionen steuern und regeln, enthält. Die biologische Wirkung ist deshalb vom Zellzyklus ( Mitose ) abhängig. Die Strahlenschäden sind mit der empfangenen Dosis (Strahlendosis) verknüpft. Diese Abhängigkeit wurde und wird an Tieren untersucht sowie an Opfern der Atombombenabwürfe über Hiroshima (6.8.1945) und Nagasaki (9.8.1945), an Geschädigten von Atombombenversuchen in den 1950er Jahren und an Menschen, die infolge von Reaktorunfällen erkrankten. – Man unterscheidet akute somatische, nicht akute somatische und genetische Strahlenschäden. 1) Akute somatische Strahlenschäden: Sie können nach Bestrahlung einzelner Körperteile oder nach Ganzkörperbestrahlung auftreten. Es werden so viele Zellen zerstört, daß nach Stunden oder Tagen mehr oder weniger große Schäden (bis zum Tod des Individuums) auftreten. Besonders strahlenempfindlich sind sich schnell teilende Zellen (wie z.B. die blutbildenden Zellen [blutbildende Organe, Blutbildung] des Knochenmarks (Panmyelopathie), die Darmepithelzellen und die Zellen der Haarwurzeln) – was in der Tumortherapie ausgenutzt wird. Auch Embryonen mit ihrer hohen Zellvermehrung sind besonders strahlensensibel (Fehlbildung). Das strahlenbiologisch bestuntersuchte Organ ist die Haut: Eine Radiodermatitis (strahlenbedingte Hautschädigungen, die ab einer Strahlendosis von ca. 0,3 Sv [Sievert] auftreten) entsteht infolge von Gefäßveränderungen und Veränderungen in der Epidermis und äußert sich zunächst in einer trockenen Schuppung. Später stellen Talgdrüsen und Schweißdrüsen ihre Funktion ein. Höhere Dosen haben u.a. Ödeme in der Epidermis, Zerstörung der Epidermis und Nekrosen zur Folge. Beim Menschen führt eine kurzzeitige Ganzkörperbestrahlung mit einer Äquivalentdosis von mindestens 0,5 Sv zu der Strahlenkrankheit (Bestrahlungssyndrom). Sie wird nach den klinischen Symptomen in verschiedene, dosisabhängige Formen unterteilt. 1. hämatologische Form (0,5–10 Sv): Leukocyten, Thrombocyten, Lymphocyten und (im oberen Dosisbereich) Erythrocyten werden zerstört; 2. intestinale Form (10–50 Sv): Darmepithel wird zerstört, Bakteriämie, Geschwüre, Tod nach wenigen Tagen; 3. toxische Form (50–100 Sv): Kreislaufversagen und Tod durch Toxine, die infolge der Zerstörung von biologischem Material entstanden sind; 4. cerebrale Form (über 100 Sv): Tod nach Minuten bis Stunden durch sofort entstehende Nekrosen des gesamten Nervensystems und durch ein Hirnödem. Nach dem zeitlichen Verlauf läßt sich eine Strahlenkrankheit in 4 Stadien einteilen, deren Dauer dosisabhängig ist. 1. Primärperiode: mit Appetitlosigkeit, Nervosität, Mattigkeit, Kopfschmerzen, Übelkeit, Erbrechen; 2. Latenzperiode (fällt bei hohen Dosen weg): ernste Veränderungen des Blutbilds; in diesem Stadium fühlt sich der Patient wohl; kann bis zu 2 Wochen andauern; 3. Gipfelperiode: Durchfälle, bakterielle Infektionen, Fieber, Geschwüre im Mund und Rachenbereich, Haarausfall, innere Blutungen; 4. prämortale Phase (bei letalen Dosen): alle Effekte verstärken sich bis zum Eintritt des Todes; oder „Genesungsphase“ (bei subletalen Dosen), kann Jahre andauern, führt in dieser Zeit zu Spätschäden, wie u.a. Linsenschädigung (Augenlinse), Anämien, Leukämien, Karzinomen. – Diese Spätschäden sind schon den 2) nicht akuten somatischen Schäden zuzurechnen, Schäden, die am bestrahlten Individuum erst nach einiger Zeit (10–30 Jahre; ä vgl. Tab. ) auftreten. Für diese Schäden läßt sich kein Schwellenwert der Strahlendosis angeben. Auch eine geringe Strahlendosis kann prinzipiell zu einem Schaden führen. Dies bedeutet, daß auch einzelne Strahlungsteilchen oder Gamma-Quanten Krebs auslösen können, wenn z.B. die getroffene Zelle vorgeschädigt oder das Immunsystem des Körpers geschwächt ist. Andererseits geben neuere Versuche Hinweise, daß manche Zellen nach Bestrahlung mit niedrigen Dosen bei späterer Bestrahlung unempfindlicher sind. Die wichtigsten nicht akuten somatischen Schäden sind verschiedene Krebsarten (Krebs), wie u.a. Leukämie, Lungen-, Brust- und Schilddrüsenkrebs. Weitere Spätschäden sind Wachstumsstörungen, vorzeitiges Altern, Immunsystemschwächung, Unfruchtbarkeit (Sterilität). Inwiefern sehr niedrige Dosen somatische Schäden verursachen (Reparatur!), ist nicht eindeutig nachgewiesen und hängt mit Sicherheit von vielen Faktoren, wie u.a. Gesundheitszustand, Lebensgewohnheit, Alter des Bestrahlten ab (z.B. sind Kinder strahlensensibler als Erwachsene; Umweltgifte können synergistisch wirken). Natürlich müssen auch die Strahlenart (relative biologische Wirksamkeit) und die unterschiedliche Strahlensensibilität verschiedener Organe berücksichtigt werden (vgl. bei Strahlendosis die Tab. zur effektiven Dosis). Radionuklide können sich in manchen Organen akkumulieren (Akkumulierung), so daß es innerhalb von Jahren zu einer erhöhten Belastung kommen kann und damit eventuell zu Schäden (Radiotoxizität), wenn es sich um Radionuklide mit einer Halbwertszeit von vielen Jahren (Radioaktivität [Tab.], Isotope [Tab.]) handelt (z.B. Cäsium 137 mit einer Halbwertszeit von ca. 30 Jahren). – 3) Genetische Strahlenschäden: die Veränderungen des Erbguts (Mutation) durch ionisierende Strahlen (Mutagene) sind von weitreichender Bedeutung, weil sie noch spätere, unbestrahlte Generationen betreffen. Durch Veränderungen an der DNA kann es – außer zu somatischen Mutationen, die aber mit dem Tod des Trägers ausgelöscht sind – zu Mutationen in der Keimbahn und damit zu Erbkrankheiten (z.B. Down-Syndrom, erblich bedingte Leukämie und vieles andere) und anderen erblich bedingten Anomalien kommen (Chromosomenanomalien, Chromosomenaberrationen). – Bei allen Organismen treten spontane oder natürliche Mutationen (Spontanmutation) auf, ausgelöst durch viele mutagene Agenzien (auch durch natürliche ionisierende Strahlen, z.B. kosmische Strahlung). Um die Mutationsrate durch Einwirkung künstlicher Strahlung beurteilen zu können, muß die natürliche Mutationsrate berücksichtigt werden. Deshalb wurde der Begriff Mutationsverdopplungsdosis eingeführt: das ist diejenige Strahlendosis (aus künstlichen Quellen), bei der ebenso viele Mutationen entstehen wie durch natürliche Agenzien. Die Gesamtmutationsrate wird also auf das Doppelte erhöht. Für die Mutationsverdopplungsdosis beim Menschen gibt es nur Schätzwerte, die zwischen ca. 0,1 Sv und 1 Sv liegen. Würden alle Menschen einer Generation mit der Mutationsverdopplungsdosis bestrahlt, würde das zu verheerenden Folgen für die Menschheit führen – wahrscheinlich zu deren Untergang in mehreren Generationen. – Die jährliche Strahlenbelastung eines Menschen beträgt zur Zeit durchschnittlich ca. 1,8 mSv (Millisievert) – das sind in einer Generationszeit von 30 Jahren über 50 mSv (Generationsdosis). Dieser Grenzwert sollte auch weiterhin nicht überschritten werden, um die Folgen für spätere Generationen möglichst gering zu halten. Deinococcus, Lichttoleranz, Lichtschutzmechanismen, Radioökologie.

Ch.G./M.F.

Lit.: Berg, H., Metzner, H.: Strahlen und Wellen – Einführung in die Radioökologie. Stuttgart – Leipzig 1999. Hermann, T.: Klinische Strahlenbiologie. Darmstadt 1978. Kiefer, J.: Biologische Strahlenwirkung. Berlin, Heidelberg, New York 1981. Krebs, A.: Strahlenbiologie. Berlin, Heidelberg, New York 1968. Schmitt, M., Teufel, D., Höpfner, U.: Die Folgen von Tschernobyl. Eine allgemeine Einführung in die Problematik der Radioaktivität. Heidelberg 1986. Várterész, V.: Strahlenbiologie. Budapest 1966.

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