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Ionisierende Strahlung

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Ionisierende Strahlung

Biologische Dosimetrie nach einer Strahlenexposition

Biologische Dosimetrie ist eine international anerkannte Methode um nach einer vermuteten übermäßigen Strahlenbelastung eine Dosis abzuschätzen. Im Gegensatz zur physikalischen erfasst man bei der biologischen Dosimetrie nicht die Dosis selbst. Stattdessen wird untersucht, wie diese Dosis auf Zellebene wirkt. Dies ermöglicht eine Berücksichtigung der individuellen Strahlenempfindlichkeit bei der Beurteilung der Strahleneffekte im Menschen.

Eine biologische Dosisabschätzung ist in Ergänzung zur physikalischen Dosimetrie möglich. Falls keine physikalische Dosimetrie durchführbar ist, kann sie auch als alleinige Methode durchgeführt werden. Dafür verwenden Wissenschaftler bestimmte biologische "Marker", die nach Einwirkung ionisierender Strahlung wie Fingerabdrücke in bestrahlten Zellen nachgewiesen werden können. Besonders gut eignen sich Veränderungen, die an Chromosomen im Zellkern auftreten, sogenannte zytogenetische Marker.

Methoden der biologischen Dosimetrie Biologische Dosimetrie: MethodenEtablierte Methoden in der biologischen Dosimetrie zum Nachweis einer Strahlendosis

Weltweit anerkannte Techniken zur Erfassung von akuten Strahlenschäden sind die Analyse von dizentrischen Chromosomen und von Mikrokernen. Dizentrische Chromosomen sind das Ergebnis einer fehlerhaften Reparatur von Chromosomenbrüchen in zwei Chromosomen. Sie haben zwei Zentromere und nicht wie ungeschädigte Chromosomen nur eines. Mikrokerne bestehen aus einzelnen Chromosomen oder Chromosomenfragmenten, die außerhalb des Zellkerns liegen und von einer Kernmembran umgeben sind.

Im Falle einer länger zurückliegenden Strahlenexposition werden sogenannte symmetrische Chromosomentranslokationen als Marker verwendet. Sie besitzen wie unbeschädigte Chromosomen nur ein Zentromer, die symmetrischen Translokationen können aber mit einer speziellen Technik ("FISH"-Technik, (Fluoreszenz in situ Hybridisierung)) farblich sichtbar gemacht werden.

Konventionelle Chromosomenanalyse

Das dizentrische Chromosom gilt derzeit als zuverlässigster und empfindlichster biologischer Indikator für eine akute Exposition mit ionisierender Strahlung.

Dizentrische Chromosomen treten spontan sehr selten auf (rund 1 dizentrisches Chromosom in 1000 Zellen) und sind äußerst charakteristisch für ionisierende Strahlung. Um die Dosis abzuschätzen, wird zuerst die Häufigkeit dizentrischer Chromosomen in der Blutprobe bestimmt. Mithilfe von Dosiswirkungskurven, auch Kalibrierkurven genannt, schätzt man anschließend die Dosis ab. Dieses Verfahren ist für einen Dosisbereich zwischen 0,1 bis ca. 5 Gy anwendbar.

Für eine individuelle Dosisrekonstruktion werden am BfS in der Regel 1000 Zellen ausgewertet. Die Methode gilt international als der Goldstandard für biologische Dosimetrie. Da Zellen mit einem dizentrischen Chromosom bei der Zellteilung etwa zur Hälfte verloren gehen, eignet sich dieser Marker allerdings nicht zur Dosisbestimmung einer länger zurückliegenden Strahlenexposition.

Mikrokernanalyse

Die Bestimmung von Mikrokernen kann, wie die Analyse dizentrischer Chromosomen, im Fall einer akuten Strahlenbelastung eingesetzt werden. Da diese Methode aber weniger strahlenspezifisch und weniger empfindlich ist als eine konventionelle Chromosomenanalyse, wird sie am BfS für die Dosisabschätzung nach Strahlenunfällen nicht routinemäßig angewendet.

Der Vorteil der Methode liegt in der relativ unkomplizierten Auswertung und schnelleren Erlernbarkeit der Technik. Der Dosisbereich, in dem der Mikrokern-Test in Lymphozyten anwendbar ist, erstreckt sich in der Routine von etwa 0,3 bis 5 Gray.

Die Nachteile der Methode gegenüber der konventionellen Chromosomenanalyse liegen in der relativ großen intra- und inter-individuellen Variabilität hinsichtlich der Häufigkeit der Mikrokerne. Das bedeutet, dass es zwischen unterschiedlichen Personen und auch in derselben Person zu unterschiedlichen Zeiten zu deutlichen Schwankungen in der Anzahl der Mikrokerne kommt, auch ohne die Einwirkung von Strahlung. Zudem sind Mikrokerne weniger spezifisch für Strahlung, da auch chemisch Schadstoffe die Häufigkeit beeinflussen können. Die spontane Häufigkeit von Mikrokernen liegt ebenfalls höher und hat somit einen Einfluss auf die Empfindlichkeit der Methode.

FISH-Analyse

Die Analyse symmetrischer Translokationen ist weniger strahlenspezifisch und weniger empfindlich als die konventionelle Analyse dizentrischer Chromosomen. Allerdings ermöglicht diese Technik auch noch Jahre nach einer Strahlenexposition eine Dosisabschätzung, vorausgesetzt das blutbildende System wurde ebenfalls exponiert. Der Grund dafür ist, dass im Gegensatz zu Zellen mit dizentrischen Chromosomen, Zellen mit symmetrischen Translokationen vom blutbildenden System oftmals mit nur geringem Verlust nachgebildet werden können. Sie sind dadurch unter günstigen Bedingungen auch noch nach Jahren als Strahlenmarker nachweisbar und können zur Dosisabschätzung eingesetzt werden. Dies gilt auch für den Fall einer chronischen Strahlenbelastung, die sich über einen langen Zeitraum hinzieht. Auffällig ist die Zunahme der symmetrischen Translokationen mit zunehmendem Alter und in Abhängigkeit vom Lebensstil (z.B. Rauchen).

Für eine individuelle Dosisrekonstruktion werden am BfS in der Regel 3000 Zellen ausgewertet. Die Nachweisgrenze liegt bei dieser Methode bei etwa 0,3 bis 5 Gray.

Biologische Dosimetrie im zytogenetischen Labor

Im zytogenetischen Labor des BfS in Neuherberg können Personen, die tatsächlich oder vermutlich einer erhöhten Dosis ausgesetzt waren, unter bestimmten Gegebenheiten diese Dosis mithilfe der biologischen Dosimetrie abschätzen lassen. Dabei setzen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter "Chromosomenaberrationsanalysen" oder die "Mikrokernanalyse" ein. Diese Testverfahren werden an Lymphozyten aus dem zirkulierenden Blut durchgeführt und haben sich im Routineeinsatz bewährt.

Die Lymphozyten im Blut haben einen wesentlichen Vorteil gegenüber anderen Zellsystemen: Sie zirkulieren im gesamten Körper und befinden sich, im Gegensatz zu vielen anderen Gewebezellen, alle zum Zeitpunkt der Bestrahlung wie auch der Blutentnahme im gleichen Zellzyklusstadium, d.h. sie besitzen die gleiche Menge an DNA. Dieser Umstand führt dazu, dass der Schädigungstyp an den Chromosomen gleich ist.

Die Häufigkeit der zytogenetischen Schäden ändert sich innerhalb der ersten Wochen nach einer Strahlenbelastung kaum. Zytogenetische Untersuchungen an Blutzellen aus Blutproben der Armvene, die zur Analyse der Chromosomen genommen werden, führen deshalb in der Regel zu einem repräsentativen Ergebnis für die Strahlenbelastung des gesamten Körpers. Zudem ist die Entnahme und der Transport der Proben unter Bedingungen des Alltags unproblematisch. Im Falle einer länger zurückliegenden Strahlenexposition kann unter bestimmten Umständen mit Hilfe bestimmter stabiler Chromosomenaberrationen ebenfalls eine Dosis abgeschätzt werden.

Dosisabschätzung

Liegt die Häufigkeit der beobachteten zytogenetischen Schäden statistisch deutlich erkennbar (signifikant) über dem Kontrollwert (spontane Häufigkeit), werden Dosiswirkungskurven für die biologische Dosisabschätzung verwendet. Mit deren Hilfe lässt sich die Häufigkeit eines Strahlenmarkers einer Dosis zuordnen. Der Kurvenverlauf hängt dabei von der Qualität der Strahlung, dem biologischem Endpunkt, hier also dizentrisches Chromosom, symmetrische Translokation oder Mikrokern, und davon ab, ob der ganze Körper oder nur ein Teil des Körpers strahlenexponiert wurde. Um die Dosis eindeutig ermitteln zu können, müssen daher Erkenntnisse über die Qualität der Strahlung, der die Person ausgesetzt war, vorliegen. Ebenso muss bekannt sein, ob der ganze Körper bestrahlt wurde (Ganzkörperexposition) oder nur ein Teil (Teilkörperexposition). Bei biologischen Indikatoren, die altersabhängig sind, wie bei Mikrokernen oder symmetrischen Translokationen, müssen die Ergebnisse mit denen von Personen im gleichen Alter verglichen werden.

Das BfS verfügt über Dosiseffektkurven für verschiedene Strahlenqualitäten und für verschiedene Altersgruppen. Was die spontane Häufigkeit verschiedener Chromosomenschädigungen in der Bevölkerung betrifft, die sogenannte Kontrollrate, steht ebenfalls umfangreiches Datenmaterial zur Verfügung.

Was kann biologische Dosimetrie leisten?

Auswertemodus

Je nach Unfallsituation können unterschiedlich viele Personen einer erhöhten Strahlung ausgesetzt gewesen sein. Entsprechend unterscheidet sich auch die Methode, mit der man bei einer Chromosomenanalyse versucht, die Dosis abzuschätzen. Dabei wird unterschieden zwischen "kleinen" und "großen" Strahlenunfällen.

Kleiner Strahlenunfall

Um die individuelle Dosis abzuschätzen, werden nach einer akuten, nicht lange zurückliegenden Exposition üblicherweise 500 bis 1000 Zellen ausgewertet und die Anzahl der dizentrischen Chromosomen ermittelt. Die untere Nachweisgrenze liegt hier für die Chromosomen-Analyse bei 0,1 Gy Ganzkörperbestrahlung und für den Mikrokern-Test bei 0,3 Gy. Bei einer akuten, nicht lange zurückliegenden Strahlenexposition wird die Analyse symmetrischer Translokationen nicht angewendet.

Großer Strahlenunfall

Im Falle eines großen Strahlenunfalls mit mehreren hundert betroffenen Personen kann die biologische Dosimetrie ebenfalls einen wertvollen Beitrag zur Dosisabschätzung leisten. Hier wird zunächst eine schnelle, vorläufige Dosisabschätzung durchgeführt, um stark bestrahlte Personen, die einer Behandlung bedürfen von schwach oder kaum bestrahlten Personen, die nicht unmittelbar behandelt werden müssen, zu unterscheiden.

Die Erfahrung hat gezeigt, dass für die Auswertung in diesem sogenannten "Triage-Modus" 30 bis 50 Zellen für die Ermittlung von dizentrischen Chromosomen ausreicht und eine schnelle Klassifizierung ermöglicht. In diesem Zusammenhang ist auch eine Unterscheidung der Ursache von Effekten wie Übelkeit, Schwindel oder Haarausfall mit oder ohne Strahlenhintergrund möglich. Im Bedarfsfall kann man später die Anzahl der analysierten Zellen erhöhen und in Einzelfällen die Dosis genauer abschätzen.

Wann sollte eine Biologische Dosimetrie durchgeführt werden?

Vorgehen bei der biologischen Dosimetrie Biologische Dosimetrie: VorgehenVorgehensweise zur Durchführung der biologischen Dosimetrie nach Bestrahlung

Vor einer Blutentnahme sollte der Betreffende beziehungsweise der behandelnde Arzt unbedingt mit dem BfS Kontakt aufnehmen. Geklärt werden sollte, wie die vermutete erhöhte Strahlenbelastung zustande kam und ob eine Chromosomenanalyse oder Mikrokernanalyse praktisch durchführbar und fachlich sinnvoll ist. Folgende Punkte sollten dabei berücksichtigt werden:

  • Welche Hinweise auf eine vermutete Strahlenexposition gibt es?
  • Was ist über die vermutete Art der Strahlenexposition bekannt
    (zum Beispiel Strahlenquelle, Dosisleistung, Abstand, Dauer und so weiter)?
  • Ist eine Ganzkörperexposition von mehr als 0,1 Gray zu erwarten?
  • Lässt sich die Exposition mit anderen Verfahren (Inkorporationsmesssung oder Ausscheidungsanalyse) besser nachweisen?
  • Wie lange liegt die Strahlenbelastung zurück?
Stand: 15.08.2016

© Bundesamt für Strahlenschutz