Was Ionenstrahlen im Körper anstellen

  • 23. September 2015

Hochaufgelöst Schadensverteilung in Gewebe untersucht und mit theoretischen Modellvorhersagen verglichen.

Die biologische Wirkung von Strahlung beruht auf der Schädigung der Erbinformation in der DNA, die im Zellkern jeder Zelle enthalten ist. Zellen besitzen allerdings leistungsstarke Reparaturmechanismen, mit denen ein großer Teil der strahleninduzierten Schädigungen wieder korrigiert werden kann. Die höhere Wirkung von Ionenstrahlen im Vergleich zu konventionellen Photonenstrahlen, wie zum Beispiel Röntgenstrahlung, beruht darauf, dass sie ihre extrem hohe Energie auf sehr kleinem Raum rund um die Flugbahn der Ionen abgeben. Dadurch können Ionenstrahlen lokal sehr komplexe Schäden erzeugen, die sehr viel schlechter als Schäden nach Photonenbestrahlung repariert werden können.

Abb.: Immunofluorescence-Bilder von H2AX-Histon-Proteinen in Fotorezeptoren von Mäusen im unbestrahlten und mit Titan-Ionen-bestrahlten Zustand. (J. Mirsch et al. / PNAS)

Abb.: Immunofluoreszenz-Bilder von H2AX-Histon-Proteinen in Fotorezeptoren von Mäusen im unbestrahlten und mit Titan-Ionen-bestrahlten Zustand. (J. Mirsch et al. / PNAS)


Die bisherigen Vorstellungen über das von Ionenstrahlen erzeugte räumliche Schadensmuster beruhen vor allem auf theoretischen Überlegungen, denen physikalische Messungen an Gasen zugrunde liegen. Daten an biologischen Systemen lagen bisher nicht vor. In einer gemeinsamen Forschungsarbeit haben Wissenschaftler der TU Darmstadt und des GSI Helmholtzzentrums in Darmstadt erstmals mit Submikrometer-Auflösung die räumliche Schadensverteilung an biologischem Gewebe untersucht und mit theoriegeleiteten Prognosen verglichen. Für die Bestrahlungsexperimente an den GSI-Beschleunigeranlagen wurden hochenergetische Ionenstrahlen verwendet, die charakteristisch für die kosmische Strahlung im Weltraum sind.

Für die Analyse wurde ein Gewebe verwendet, das sich durch eine besonders hohe Zellkerndichte auszeichnet, die eine nahezu lückenlose Detektion von DNA-Schäden ermöglicht. Zum Nachweis der Schäden diente ein Marker für den biologisch schwerwiegendsten Schaden, den DNA-Doppelstrangbruch, bei dem beide Stränge der DNA durchtrennt werden und so wichtige Erbinformation unwiderruflich verloren geht. Mit diesem experimentellen Ansatz lassen sich die Spuren der von den Ionen erzeugten DNA-Schäden über viele Zellen hinweg sichtbar machen. Die Messungen zeigen deutlich die Konzentration der Schäden im Zentrum der Ionenspur sowie eine nach außen rapide abnehmende Schadenshäufigkeit.

Zum einen bestätigen diese biologischen Befunde die auf physikalischen Messungen beruhenden Annahmen über die räumliche Schadensverteilung; zum anderen dienen sie dazu, unterschiedliche Berechnungsmodelle kritisch zu überprüfen und gewissermaßen zu eichen. Diese Informationen bilden einen wesentlichen Bestandteil eines Modells zur Vorhersage der Strahlenwirksamkeit, das Physikern des GSI Helmholtzzentrums entwickelt haben und für die Bestrahlungsplanung der Tumortherapie an den Ionenstrahl-Therapiezentren in Heidelberg, Marburg, Pavia und Shanghai eingesetzen.

TU Darmstadt / PH

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