Bewertung der
biologischen Wirksamkeit
- Inhalt -
1 Einleitung
2 Begriffe
3 Allgemeine Empfehlungen
3.1 Abgrenzung zwischen Strahlungs-Wichtungsfaktor wR und Risikoabschätzungen
3.2 Orientierung der wR -Werte an tierexperimentellen RBW-Werten
3.3 Berücksichtigung des Dosisanteils der im Körper erzeugten Sekundärstrahlungen
3.4 Mittelung über die Referenzstrahlungen bei der Festlegung der wR -Werte
3.5 Strahlungs-Wichtungsfaktoren und Qualitätsfaktoren
3.6 Vereinheitlichung von RBW-Werten für die Risikoabschätzung
4 Spezielle Empfehlungen
4.1 Locker ionisierende Strahlungen
4.1.1 Evidenz für bestehende RBW-Unterschiede
4.1.2 Strahlungs-Wichtungsfaktor wR = 1 für locker ionisierende Strahlungen
4.1.3 Risikoabschätzung für exponierte Personengruppen
4.2 Neutronen
4.2.1 Referenz-Photonenstrahlung
4.2.2 Einfluss der sekundären Gammastrahlung im Körper
4.2.3 Verschiedene wR -Funktionen
4.2.4 Maximaler Strahlungs-Wichtungsfaktor für Neutronen
4.2.5 Strahlungs-Wichtungsfaktor wR als Funktion der Neutronenenergie
4.2.6 Qualitätsfaktor und Dosis-Messgrößen
4.3 Protonen, Alphateilchen und schwere Ionen
4.3.1 Strahlungs-Wichtungsfaktor für Protonen
4.3.2 Strahlungs-Wichtungsfaktor für Alphateilchen
4.3.3 Strahlungs-Wichtungsfaktoren für schwere Ionen
5. Schlussbemerkungen
Anlage Wissenschaftliche Begründung zur SSK-Stellungnahme "Vergleichende Bewertung der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen"
1 Vorbemerkungen
2 Grundlagen und Begriffe
2.1 Biologische Strahlenwirkungen
2.1.1 Allgemeines
2.1.2 Wirkungen auf die Einzelzelle
2.1.2.1 Chromosomenaberrationen
2.1.2.2 Mutationen
2.1.2.3 Neoplastische Zelltransformation
2.1.2.4 Bystander-Effekt, "adaptive Response", genomische Instabilität
2.1.3 Tierversuche
2.1.3.1 Keimbahnmutationen
2.1.3.2 Strahleninduzierte Tumoren
2.1.3.3 Katarakt des Auges
2.1.4 Strahlenbedingtes Krebsrisiko beim Menschen
2.2 Relative Biologische Wirksamkeit (RBW)
2.2.1 Definition der RBW
Tab. 2.1: Literatur zur Wahl der Referenzstrahlung bei RBW-Angaben
Abb. 2.1: Relative spektrale Verteilung der Photonenfluenz einer 220 kV-Röntgenstrahlung bei "weicher" Filterung (ausgezogene Kurve) und "harter" Filterung (gestrichelte Kurve)
2.2.2 Dosisabhängigkeit der RBW
Abb. 2.2: Transformationsfrequenz überlebender C3H10T ½ Mäuseembryo-Fibroblasten nach Bestrahlung in der exponentiellen Wachstumsphase mit CK-Photonen (charakteristische Röntgenstrahlung des Kohlenstoffs, 278 eV) und mit60Co -Gammastrahlung als Funktion der applizierten Dosis, nach [FRa 95].
Abb. 2.3: Kumulative alterskorrigierte Inzidenz von Lebertumoren (bezogen auf die gesamte Lebenszeit) bei BC3F1-Mäusen, die im Alter von 3 Monaten mit Spaltneutronen oder 250 kVp-Röntgenstrahlung exponiert wurden, als Funktion der applizierten Dosis nach [DIM 90].
2.2.3 Charakterisierung der Strahlungsqualität
2.2.3.1 Physikalischer Begriff der Strahlungsqualität
2.2.3.2 Geometrisches Muster der Teilchenbahnen
Abb. 2.4: Typische Bahnspurbilder von hoch- und niederenergetischen Elektronen, Mesonen und schweren Ionen in Kernspuremulsionen (SHa 58].
2.2.3.3 Beschränktes und unbeschränktes lineares Energieübertragungsvermögen
Abb. 2.5: Abhängigkeit des unbeschränkten linearen Energieübertragungsvermögens L∞ (ausgezogene Linie) und des Dosismittels des beschränkten linearen Energieübertragungsvermögens 'L100,D (punktiert) von der spezifischen Energie E/m verschiedener schwerer Ionen [BAR 95].
Tab. 2.2: Mittelwerte des beschränkten und unbeschränkten linearen Energieübertragungsvermögens für verschiedene locker ionisierende Strahlungen, nach [BLO 83].
Abb. 2.6: Startspektren der Photo-, Compton- und Augerelektronen für 30 kV-Röntgenstrahlung (Molybdän-Anode) mit überwiegendem Photoeffekt und für 150 kV-Röntgenstrahlung (Wolfram-Anode) mit überwiegendem Comptoneffekt.
2.2.3.4 Mikrodosimetrie
2.2.4 Ansätze zu einer Theorie der RBW
Abb. 2.7: LET-Abhängigkeit des Ausbeutekoeffizienten α für Chromosomenaberrationen vom Austauschtyp (dizentrische Chromosomen) nach (EDW 90], s. a. (YAK 99]. Abzisse: L∞
2.2.5 Übertragbarkeit der RBW aus experimentellen Untersuchungen auf den Menschen und Berücksichtigung der im Körper erzeugten Sekundärstrahlungen
2.3 Die Bewertungsfaktoren wR und Q(L) im Strahlenschutz
2.3.1 Allgemeines
2.3.2 wR für Körperdosisgrößen
Tab. 2.3: Strahlungs-Wichtungsfaktoren wR [ICRP 91]
Abb. 2.8: Strahlungs-Wichtungsfaktoren (wR) für Neutronen [ICRP 91].
2.3.3 Q(L) für Dosis-Messgrößen
Tab. 2.4: Qualitätsfaktoren Q in Abhängigkeit vom unbeschränkten linearen Energieübertragungsvermögen L nach ICRP 60 [ICRP 91]
2.3.4 Gegenüberstellung der Konzepte von wR und Q(L)
a) Das Konzept des Wichtungsfaktors wR
b) Das Konzept des Wichtungsfaktors Q(L)
c) Weitere Entwicklung
2.4 Probleme bei Anwendung der RBW zur Risikoabschätzung
Abb. 2.9: Dosis-Risiko-Beziehung für die Inzidenz von Brustkrebs bei überlebenden japanischen Frauen mit 95 %-Konfidenzintervallen nach Tokunaga et al. [TOK 94].
2.5 Zusammenfassung
3 Bewertung der biologischen Wirksamkeit locker ionisierender Strahlungen
3.1 Einführung
3.2 RBW-Werte locker ionisierender Strahlungen bei In-vitro-Untersuchungen
3.2.1 Chromosomenaberrationen
Abb. 3.1: Experimentell ermittelte Werte der Koeffizienten αdic für die Erzeugung dizentrischer Chromosomen in menschlichen Lymphozyten nach Messungen in Göttingen [VIR 80, HAR 00], Kyoto (SAS 89, SAS 91] und Neuherberg (SCH 02a].
3.2.2 Neoplastische Zelltransformation und Mutationen
Tab. 3.1: Experimentelle Ergebnisse für RBW-Unterschiede zwischen den locker ionisierenden Strahlungen bezüglich der neoplastischen Zelltransformation und Mutationen
3.3 Tierexperimente
Abb. 3.2: Dosis-Risiko-Beziehung für die Induktion von Tumoren mit hoher Letalität in Sprague-Dawley-Ratten durch Neutronen (Spaltspektrum), 8 MV-Röntgenstrahlung (wahrscheinlichste Energie 300 keV nach Beschleuniger-Datenblatt "Thalie", Pulsbestrahlung 2 Gy in 20 ns) und60Co-Gammastrahlung, nach Wolf et al. [WOL 00].
3.4 Epidemiologische Daten
Tab. 3.3: Epidemiologische Studien zu Brustkrebsinzidenz nach Bestrahlung (entnommen aus [UNSC 00]).
3.5 Rolle der locker ionisierenden Strahlungen als Referenzstrahlungen für Strahlungs-Wichtungsfaktoren und Anwendungsgrenzen von wR = 1
3.5.1 Mittelung von experimentellen RBW-Werten über die Referenzstrahlungen
3.5.2 Einheitlicher Strahlungs-Wichtungsfaktor wR = 1 und seine Anwendungsgrenzen
3.6 Probleme bei der Risikoabschätzung für weiche Röntgenstrahlung
3.7 Zusammenfassung
4 Neutronen
4.1 Einführung
4.2 Strahlenbiologische Untersuchungen an Zellen
4.2.1 Allgemeines
4.2.2 Chromosomenaberrationen
Abb. 4.1a): Ausbeute dizentrischer Chromosomen in menschlichen Lymphozyten nach In-vitro-Bestrahlung mit Neutronen verschiedener mittlerer Energie bzw. mit Gammastrahlung als Funktion der Energiedosis [LLO 77].
Abb. 4.1b): Ausbeute dizentrischer Chromosomen in menschlichen Lymphozyten nach In-vitro-Bestrahlung mit monoenergetischen Neutronen als Funktion der Energiedosis [SCH 02].
Abb. 4.2: Lineare Ausbeutekoeffizienten αn,dic in Abhängigkeit von der Neutronenenergie.
Tab. 4.1: Anzahl an dizentrischen Chromosomen pro Zelle und Gy (αn,dic) bei Bestrahlung mit monoenergetischen Neutronen (m) bzw. Spaltneutronen (f) sowie mit60Co -Gammastrahlung bzw. 200-250 kV-Röntgenstrahlung und davon abgeleitete RBWM-Werte (68 %-Vertrauensbereich ).
4.2.3 Neoplastische Zelltransformation
Tab. 4.2: RBWM-Werte für die verwendete niedrigste Dosisleistung aus der Untersuchung neoplastischer Transformationen in C3H10T½-Zellen von Mäusen nach Bestrahlung mit Neutronen bzw. Photonen (250 kVRrintoen.strahhma).
4.2.4 Mutationen
Abb. 4.3: Zusammenfassung aller an der Columbia University [BOR 84] ermittelten Daten für neoplastische Transformationen in Embryonalzellen des syrischen Hamsters (SHE-Zellen) nach Bestrahlung mit 430 keVNeutronen bzw. 250 kV-Röntgenstrahlung.
Tab. 4.3: RBWM-Werte aus der Untersuchung verschiedener Mutationen in hybriden Zelllinien (AL-Hamsterzelle, B6CF1 Maus und verschiedene Mutationen (HPRT), tk(ng) und tk(ng)1 in der V79-B31OH-Hamster-Zelllinie) und menschlichen P3-Zellen nach Bestrahlung mit Neutronen bzw. Photonen.
4.3 Tierexperimente
4.3.1 Allgemeines
4.3.2 Solide Tumoren
Tab. 4.4: RBWM-Werte aus der Untersuchung der Inzidenz von soliden Tumoren in Mäusen nach Bestrahlung mit Neutronen (Spaltspektrum) bzw. Photonen
4.3.3 Leukämien und Lymphome
Tab. 4.5: RBWM-Werte aus der Untersuchung der Inzidenz von akuter Leukämie bzw. von Lymphomen in Mäusen nach Bestrahlung mit Neutronen.
4.3.4 Lebenszeitverkürzung durch strahleninduzierte Tumoren
Tab. 4.6: RBWM-Werte aus Untersuchungen der Lebenszeitverkürzung von Mäusen und Ratten nach Bestrahlung mit Neutronen bzw.60Co -Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen.
4.3.5 Katarakt des Auges
4.4 Epidemiologische Untersuchungen
4.5 Übertragung von RBW-Werten von Versuchstieren auf den Menschen
Tab. 4.7a): Mittlerer relativer Dosisanteil der sekundären Gammastrahlung fγ im menschlichen Körper in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Neutronen (DIE 94], berechnet nach Gl. (4.3) für verschiedene Neutroneneinfallsrichtungen.
Tab. 4.7b): Mittlere relative biologische Wirksamkeit RBWav für einen menschlichen Körper, berechnet in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Neutronen bei ROT-Bestrahlung, für verschiedene Werte von RBWn sowie Quotient r nach Gl. (4.4) für Neutronenenergien ≤; 1 MeV.
4.6 Überlegungen zur Festsetzung von wR -Werten für Neutronen
4.6.1 wR -Werte für Neutronen nach ICRP 60
4.6.2 Vorschlag für eine neue wR -Funktion für Neutronen
Tab. 4.8: Strahlungs-Wichtungsfaktoren wR nach ICRP 60 (stetige Funktion) [ICRP 91], Organgewichteter Dosisbeitrag fγ der sekundären Gammastrahlung für ein männliches Körperphantom bei ROT-Bestrahlung (LEU 03], nach Gl. (4.2) berechnete RBWav -Werte und die für den Bereich unterhalb von 1 MeV vorgeschlagenen, nach Gl. (4.5) berechneten neuen wR -Werte (wR,mod) für verschiedene Neutronenenergien.
Abb. 4.4: Strahlungs-Wichtungsfaktoren wR für Neutronen. wR -Werte nach ICRP 60 [ICRP 91] (durchgezogene und gestrichelte Linie), Vorschlag für geänderte wR-Werte (gepunktete Linie).
4.7 Überlegungen zur Festlegung von Q-Werten für Neutronen
4.8 Zusammenfassung
5 Protonen, Alphateilchen und schwere Kerne
5.1 Einführung
5.2 Protonen
5.2.1 Einführung
Abb 5.1: Reichweiten von Protonen und Alphateilchen in Wasser in Abhängigkeit von der spezifischen Teilchenenergie
Abb. 5.2: LET für Protonen der Startenergie 100 MeV in Abhängigkeit von der Tiefe in Wasser
Abb. 5.3: LET-Werte am Eintrittsort bei Protonen und Alphateilchen verschiedener Reichweite in Wasser
5.2.2 Chromosomenaberrationen
5.2.3 Mutationen
Tab. 5.1: RBWM-Werte (abgeleitet aus der linearen Komponente der Dosiseffektkurven) für dizentrische Chromosomenaberrationen nach Protonenbestrahlung mit verschiedenen LET-Werten; Ka = keine Angabe
Tab. 5.2: RBWM-Werte für Mutationen am HPRT-Lokus in V79 chinesischen Hamsterzellen (BEL 981. Als Referenzstrahlung wurden 200 kV-Röntgenstrahlung benutzt
5.2.4 Neoplastische Transformationen
5.2.5 Tierexperimente
Tab. 5.3: Abschätzung des absoluten Risikos für Kopf-Hals-Tumoren in menschlichen Patienten und protonenbestrahlten Rhesus-Affen [WOO 91]
5.2.6 Katarakt des Auges
5.2.7 Weitere Wirkungen
5.2.8 Zusammenfassende Wertung
Abb. 5.4: RBWM-Werte für dizentrische Chromosomenaberrationen nach Protonenbestrahlung (Daten aus Tab. 5.1)
Abb. 5.5: RBWM-Werte für Mutationen nach Protonenbestrahlung (Daten aus Tab. 5.2)
5.3 Alphastrahlung
5.3.1 Einführung
Tab. 5.4: Chromosomenaberrationen nach Einwirkung von Alphastrahlung
Tab. 5.5: Mutationsauslrisuna durch Alphateilchen
5.3.2 Chromosomenaberrationen
5.3.3 Mutationen
5.3.4 Neoplastische Transformation
Tab. 5.6: Neoplastische Transformationen in Embryonalzellen des syrischen Hamsters durch Alphateilchen verschiedener Energien [MAR 95].
5.3.5 Tierstudien
Tab. 5.7: Maximale RBW-Werte (RBEM) aus Experimenten an Hunden nach Inkorporation von Alphastrahlern und Betastrahlern als "Referenz"
5.3.6 Epidemiologische Untersuchungen beim Menschen
5.3.7 Zusammenfassende Wertung
Tab. 5.8: Bereiche von ermittelten RBWM-Werten für unterschiedliche biologische Endpunkte nach Einwirkung von Alphateilchen
5.4 Schwere Kerne
5.4.1 Einführung
5.4.2 Chromosomenaberrationen
Tab. 5.9: Chromosomenaberrationen; RBWM-Angaben für 220 kV-Röntgenstrahlung und60Co -Gammastrahlung als Referenzstrahlungen
5.4.3 Mutationen
Tab 5.10: Mutationsauslösung durch beschleunigte schwere Ionen
Abb. 5.6: RBW für Mutationsauslösung in Säugerzellen
5.4.4 Neoplastische Transformation
Tab. 5.11: Neoplastische Transformation nach Schwerionenbestrahlung
5.4.5 Tierexperimentelle Studien
Tab. 5.12: RBW-Werte für Tumoren in der Harderschen Drüse von Mäusen nach Exposition mit schweren Ionen
Tab. 5.13: RBW-Werte für die Induktion von Tumoren in der Harderschen Drüse bei Mäusen, basierend auf "risk cross sections"
5.4.6 Zusammenfassende Wertung
5.5 Zusammenfassung