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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Strahlenarten, ihre Charakterisierung und Erzeugung

Zusammenfassung
Als Basis für die weiteren Überlegungen werden in diesem Kapitel zunächst die Strahlenarten, ihre Charakterisierung und Erzeugung besprochen. Dabei kann die technische Realisierung nur angedeutet werden. Verschiedenen Arten der Spektrendarstellung, die auch an anderer Stelle noch benötigt werden, ist der zweite Abschnitt gewidmet. Den Abschluß bilden die Grundlagen der Radioaktivität, soweit sie in diesem Zusammenhang von Bedeutung sind, wobei auch die später verwendeten Meßgrößen eingeführt werden.
Jürgen Kiefer

2. Grundlagen der Schwächung von Strahlung bei Durchgang von Materie

Zusammenfassung
Es ist das Ziel dieses Kapitels, grundlegende Begriffe und Mechanismen der Wechselwirkung von Strahlung und Materie einzuführen. Damit werden die Voraussetzungen für spätere detailliertere Behandlungen bereitgestellt. Zunächst wird das Konzept des Wechselwirkungsquerschnitts besprochen, dann auf Stoßprozesse eingegangen, deren Formalismus ausführlich dargestellt wird, und zwar sowohl für rein mechanische Stöße als auch die Ablenkung in einem Zentralfeld. Als wesentliche Ergebnisse werden die quantitativen Beziehungen für die übertragene Energie gewonnen.
Jürgen Kiefer

3. Wechselwirkungsprozesse

Zusammenfassung
Es werden — aufbauend auf Kapitel 2 — die für die biologischen Wirkungen wichtigsten Wechselwirkungsprozesse beschrieben und quantitativ behandelt. Besonders wird hierbei der Anteil geladener Teilchen (bei ionisierender Strahlung) herausgestellt. Dabei werden grundsätzliche Ansätze zur Bestimmung ihrer Reichweite und der energieabhängigen Fluenzverteilung vorgestellt.
Jürgen Kiefer

4. Deposition der Strahlenenergie

Zusammenfassung
Die Energieübertragung von Strahlung auf biologische Systeme ist so-sowohl von prinzipieller als auch praktischer Bedeutung. Die zentrale Meßgröße ist bei ionisierender Strahlung die Dosis (absorbierte Energie pro Masseneinheit); es ist jedoch zu unterscheiden zwischen übertragener und tatsächlich absorbierter Energie, wie im einzelnen erläutert wird. Außerdem spielt aber auch die lokale Verteilung der Absorptionsereignisse eine Rolle, die makroskopisch durch den „Linear energy transfer“ (LET) beschrieben wird. Die Anwendbarkeit dieses Konzepts wird kritisch diskutiert. In mikroskopischen Bereichen spielt die stochastische Natur der Energieabsorption eine Rolle, welche in dem Abschnitt „Mikrodosimetrie“ behandelt wird. Einige Vorstellungen über die Energieverteilung in unmittelbarer Nachbarschaft der Bahnspur ionisierender Teilchen werden im Anschluß vorgestellt. — Bei optischer Strahlung ist der Begriff der „Dosis“ im angegebenen Sinne nicht anwendbar; es lassen sich für spezielle Verhältnisse Beziehungen zwischen Energie- bzw. Quantenfluenz angeben.
Jürgen Kiefer

5. Elemente der Foto- und Strahlenchemie

Zusammenfassung
Es werden die Grundlagen foto- und strahlenchemischer Reaktionen erläutert, die zum Verständnis biologischer Wirkungen notwendig sind. Hierzu zählen zunächst die Mechanismen sensibilisierter Fotoprozesse und das Prinzip der Aktionsspektroskopie, einer Technik, die es erlaubt, aus der Wellenlängenabhängigkeit eines biologischen Effekts auf den primären Absorber zurückzuschließen. Als spezielle Beispiele werden ökologisch wichtige Fotoreaktionen in der Atmosphäre und die Bildung von Vitamin D im menschlichen Körper besprochen. Die strahlenchemische Zersetzung des Wassers in An- und Abwesenheit von Sauerstoff sowie die LET-Abhängigkeit der Produktausbeuten bildet eine Basis für das Verständnis zellulärer Vorgänge. Abschließend werden zu erwartende Konsequenzen bei indirekter Schädigung durch Radiolyseprodukte im Vergleich zu direkter Energieabsorption im Testmolekül gegenübergestellt.
Jürgen Kiefer

6. Foto- und Strahlenchemie der DNS

Zusammenfassung
Es werden die für die biologische Wirkung wichtigsten strahleninduzierten Veränderungen an der DNS besprochen. Im Falle von UV sind dies vor allem Pyrimidindimere, bei ionisierender Strahlung kann keine eindeutige Aussage gemacht werden, obwohl sicher Doppelstrangbrüchen eine besondere Bedeutung zukommt. Der Einfluß, den eine Änderung der Versuchsbedingungen haben (Anwesenheit von Fotosensibilisatoren bei optischer Strahlung, Variation des Sauerstoffgehaltes und des LET bei ionisierender Strahlung) wird ebenfalls dargestellt.
Jürgen Kiefer

7. Strahlenwirkung auf subzelluläre Systeme

Zusammenfassung
Dieses Kapitel handelt von der strahleninduzierten Veränderung an Enzymen und Viren sowie der Inhibierung der Transkription. Es wird zunächst eine theoretische Betrachtung vorangestellt, wie die Inaktivierrung „kleiner“ Treffbereiche bei verschiedenen Strahlenqualitäten quantitativ zu beschreiben ist und welche Information aus entsprechenden Experimenten zu gewinnen bzw. nicht zu erhalten ist. Verschiedene Techniken, bei denen Bakteriophagen oder isolierte DNS eine Rolle spielen, werden erläutert und Ergebnisse angeführt. Der Reparatur bei Schäden an subzellulären Einheiten ist ein besonderer Abschnitt gewidmet. Den Abschluß bildet eine Methode, bei der strahlenbiologische Erkenntnisse auf Probleme der allgemeinen Molekularbiologie angewendet werden.
Jürgen Kiefer

8. Zellen: Verlust der Reproduktionsfähigkeit

Zusammenfassung
Zellüberleben wird hier verstanden als die Fähigkeit zur unbegrenzten Reproduktion. Nach einer Beschreibung der Grundtechniken wird der Formalismus von Überlebenskurven behandelt. Im nächsten Abschnitt wird diskutiert, wie die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit verschiedener Zellarten hypothetisch interpretiert werden kann und gezeigt, daß sie mit Masse und Struktur des genetischen Materials — zumindest bei ionisierenden Strahlen — korreliert ist. Es folgt die Abhängigkeit von der Strahlenqualität, die bei optischer Strahlung die Aufnahme von Wirkungsspektren ermöglicht und für ionisierende Strahlen die Bedeutung der Ionisationsdichte beinhaltet. Hier wird der Begriff der „relativen biologischen Wirksamkeit“ (RBW) eingeführt und diskutiert. Weiterhin wird auf die Wechselwirkung von UV und ionisierender Strahlung eingegangen.
Jürgen Kiefer

9. Strahlensensibilisierung und Protektion

Zusammenfassung
Am Anfang steht ein kurzer Überblick über Möglichkeiten der Sensibi-lisierung gegen ultraviolettes Licht. Den Hauptteil nimmt eine Diskussion über die Mechanismen bei ionisierenden Strahlen ein, wobei vor allem der sogenannte „Sauerstoffeffekt“ besprochen wird und Hypothesen zu seiner Erklärung diskutiert werden. Den Abschluß bildet die Frage der Sensibilisierung durch Pharmaka, welche auch von großer klinischer Bedeutung ist. Dabei werden einige wichtige Substanzklassen vorgestellt und ihre Wirkungsweise gegeneinander abgegrenzt.
Jürgen Kiefer

10. Strahlung und Zellzyklus

Zusammenfassung
Die Strahlenempfindlichkeit (gemessen als Verlust des Koloniebildungsvermögens) hängt davon ab, in welcher Phase des Zellzyklus’ die Zellen exponiert werden. Dies gilt sowohl für UV- als auch dünn ionisierende Strahlen, wobei beide einen ungefähr spiegelbildlichen Verlauf zeigen. Strahlung verzögert aber auch den Ablauf des Zellzyklus, dieser Effekt ist bei niedrigen Dosen reversibel. Im letzten Abschnitt wird die Inhibierung der DNS-Synthese besprochen, wobei auch auf eine Reihe von Faktoren eingegangen wird, welche falsche Resultate vortäuschen können.
Jürgen Kiefer

11. Chromosomenaberrationen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden cytologische Veränderungen besprochen. Chromosomenaberrationen sind vor allem deshalb wichtig, weil sie schon in der ersten Teilung nach der Bestrahlung beobachtet werden können und deshalb einen unmittelbaren Einblick in die Schädigungsmechanismen gestatten. Sie sind auch ein wichtiges diagnostisches Hilfsmittel zur Beurteilung der Strahlenexposition beim Menschen und können außerdem zu bleibenden genetischen Veränderungen führen.
Jürgen Kiefer

12. Mutation und Transformation

Zusammenfassung
Genetische Veränderungen auf der zellulären Ebene sind das Thema dieses Kapitels. Wir besprechen zunächst Grundsatzfragen zum Mechanismus und zur Technik und diskutieren dann Erkenntnisse bei Bakterien, wobei schon auf die Bedeutung von Reparaturprozessen eingegangen wird. Die Abhängigkeit von der Strahlenqualität wird bei Säugerzellen referiert, wo sich zeigt, daß die relative biologische Wirksamkeit für Mutationen höher liegt als für den Verlust des Koloniebildungsvermögens. Im folgenden Abschnitt wird darauf eingegangen, daß die Mutationsraten pro Dosiseinheit mit dem DNS-Gehalt steigen und die Konsequenzen diskutiert. Den Abschluß bildet die wichtige Technik der neoplastischen Transformation in vitro.
Jürgen Kiefer

13. Reparatur und Erholung

Zusammenfassung
Es wird in diesem Kapitel zwischen Reparatur- und Erholungsvorgängen unterschieden. Von den ersten wird gesprochen, wenn der molekulare Ablauf bekanntist oder zumindest gesicherte Vorstellungen bestehen. Hierzu gehören die Fotoreaktivierung nach UV-Einwirkung, Exzisions-, Post-replikations- und „SOS“-Reparatur, deren Mechanismus mit den experimentellen Methoden besprochen wird. Im Falle ionisierender Strahlen sind vor allem Bruchreparaturen wichtig. Unter Erholung werden solche Vorgänge verstanden, die zu einer Reduzierung des Strahleneffektes führen und bei denen man den Mechanismus nicht kennt. Im abschließenden Teil wird die genetische Abhängigkeit der Reparaturprozesse diskutiert und auch auf die Bedeutung für den Menschen eingegangen.
Jürgen Kiefer

14. Modifikationen der Strahlenwirkung durch äußere Einflüsse

Zusammenfassung
Es ist das Ziel dieses Kapitels, an einigen wichtigen oder typischen Beispielen zu zeigen, von welchen weiteren — außer den an anderer Stelle ausführlicher besprochenen — physikalischen und chemischen Parametern das Ausmaß des zellulären Strahleneffekts bestimmt wird. Die zeitliche Dosisverteilung spielt eine wichtige Rolle, sowohl in praktischer als auch theoretischer Hinsicht. Im Hinblick auf Hyperthermietherapien wird die Kombinationswirkung von ionisierender Strahlung und erhöhter Temperatur besprochen. Modifikationen durch Pharmaka werden am Beispiel des Coffeins dargestellt. Im letzten Abschnitt soll exemplarisch gezeigt werden, wie komplex die biologische Wechselwirkung von Strahlung mit Säugerzellen ist — gewissermaßen als Warnzeichen gegen die vorschnelle Akzeptierung „gesicherter Erkenntnisse“.
Jürgen Kiefer

15. Spezielle Fragen der zellulären Wirkung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden einige Aspekte der zellulären Strahlenwirkung besprochen, die sich schlecht an anderer Stelle einordnen ließen bzw. auch nicht in einem direkten Zusammenhang stehen, von denen wir aber glauben, daß sie eine Erwähnung verdienen. Die Wirkung nahen Ultravioletts ist für ökologische Fragen wichtig — es wird gezeigt, daß sein Effekt größer ist als man aufgrund der Nukleinsäureabsorption erwarten würde. Ultraschall und Radiowellen werden erwähnt, weil sie oft zusammen mit Fragen des Strahlenrisikos diskutiert werden. Substanzen mit strahlenähnlicher Wirkung spielen sowohl bei der Umweltbelastung als auch in der Strahlentherapie eine Rolle, und die Bedeutung inkorporierter Radionuklide liegt auf der Hand. Es wird gezeigt, welche Bedeutung hierbei sowohl der Typ der Emission als auch der intrazelluläre Einbauort hat.
Jürgen Kiefer

16. Theoretische Modelle zur zellulären Strahlenwirkung

Zusammenfassung
Wir wollen in diesem Kapitel einige Modelle besprechen, die zur quantitativen Deutung zellulärer Strahlenreaktionen entwickelt worden sind. Ihr Sinn liegt nicht nur in dem Bemühen, die Strahlenbiologie mit einem theoretischen Unterbau zu versehen, d.h. sie von der rein deskriptiven Ebene zu lösen, sondern vor allem auch darin, Abschätzungen für Situationen zu erlauben, wo experimentelle Befunde fehlen. Ein typisches und wichtiges Beispiel aus dem Strahlenschutz ist das Verhalten bei sehr niedrigen Dosen. Grob schematisierend lassen sich die Modelle in zwei Klassen einteilen: eine, bei der die Struktur der initialen Energiedeposition im Mittelpunkt steht, und eine zweite, in welcher vor allem das Reparaturvermögen berücksichtigt wird. Wir werden beide anhand ausgewählter Beispiele kennenlernen, es ist weder möglich noch beabsichtigt, einen umfassenden Überblick zu geben.
Jürgen Kiefer

17. Zelluläre Wirkung und Schädigung des Gesamtorganismus

Zusammenfassung
Die Bedeutung der Zellteilung für die Funktion des Gesamtorganismus wird besprochen und der grundsätzliche Aufbau von Erneuerungssystemen erläutert. Anschließend werden Techniken zur Bestimmung des Zellüberlebens in vivo vorgestellt und einige Ergebnisse mitgeteilt.
Jürgen Kiefer

18. Akute Strahlenschäden

Zusammenfassung
Es werden zunächst die akuten Strahlenwirkungen auf Haut und Auge besprochen (Erythem, Entzündung, Konjunktivitis, Keratitis). Es folgt eine Beschreibung der Syndrome, die nach Ganzkörperexposition mit ionisierenden Strahlen auftreten, wobei den Erneuerungssystemen der Blutbildung und des Darms besondere Bedeutung zukommt. Den Abschluß bildet eine geraffte Symptombeschreibung der akuten Strahlenkrankheit.
Jürgen Kiefer

19. Strahlenwirkung und Nachkommenschaft

Zusammenfassung
In diesem Kapitel sind Strahleneffekte zusammengefaßt, die sich mittelbar oder unmittelbar auf die Nachkommenschaft auswirken. Dazu gehören Fertilitätsstörungen, embryonale Sterblichkeit, teratogene Effekte und vor allem genetische Veränderungen. Es werden die Methoden der experimentellen Bestimmung vorgestellt und die Grundlagen zur Abschätzung der signifikanten Dosen erläutert.
Jürgen Kiefer

20. Späteffekte

Zusammenfassung
Es werden die Strahlenwirkungen auf den Organismus besprochen, die sich nicht als unmittelbare Folgen manifestieren. Besonders empfindlich ist in dieser Hinsicht die Augenlinse, bei der u.a. andauernde Trübungen auftreten können. Die Möglichkeit einer strahlenbedingten Lebenszeitverkürzung, die nicht als Folge spezifischer Krankheiten, sondern als unspezifisches „vorzeitiges Altern“ auftritt, wird diskutiert und verneint. Den größten Raum nimmt die strahlenbedingte Krebsentstehung ein, wobei sowohl tierexperimentelle Daten als auch Untersuchungen an Menschen — vor allem bei den Überlebenden der Kernbombenangriffe — zur Abschätzung des Risikos herangezogen werden.
Jürgen Kiefer

21. Wirkungen interner Belastung

Zusammenfassung
Die Inkorporation von Radionukliden spielt eine wichtige Rolle bei der Beurteilung des Strahlenrisikos. Es werden die grundsätzlichen Überlegungen, Inkorporationswege und die Prinzipien der Rechenverfahren vorgestellt; eine umfassende Behandlung ist in diesem Rahmen nicht möglich. Unterschieden wird zwischen der Aufnahme durch die Atemluft (Inhalation) und durch die Nahrung (Ingestion). Für die interne Belastung muß differenziert werden zwischen den hauptsächlichen Depositionsorganen, die als innere Strahlenquellen wirken („Quellenorgane“) und denen, bei denen sich der Strahleneffekt manifestiert („Zielorgane“). Zum Abschluß werden für einige Nuklide abgeschätzte Grenzwerte für die jährliche Aufnahme gegeben.
Jürgen Kiefer

22. Strahlenökologie und Strahlenschutz

Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt gewissermaßen die „Nutzanwendung“ der vorhergehenden Betrachtungen, indem die wesentlichen Aspekte einer möglichen Strahlengefährdung besprochen werden. Wie im einleitenden Abschnitt gezeigt wird, kann dies nicht punktuell geschehen, sondern es müssen die vielfältigen Verknüpfungen in der gesamten Biosphäre einbezogen werden. Hierzu werden modellmäßige Ansätze vorgestellt. Im Bereich der optischen Strahlung spielen vor allem atmosphärische Vorgänge eine Rolle, welche zu einer Veränderung des Sonnenspektrums auf der Erdoberfläche führen. Einen breiten Raum nimmt dann die Belastung des Menschen mit ionisierender Strahlung durch natürliche und künstliche Quellen ein. Zum Abschluß werden die wichtigsten Prinzipien von Strahlenschutzbe-stimmungen besprochen.
Jürgen Kiefer

23. Strahlenbiologische Überlegungen zur Strahlentherapie

Zusammenfassung
In diesem Kapitel soll gezeigt werden, wie strahlenbiologische Erkenntnisse in die Praxis der Strahlentherapie einfließen können. Fototherapie spielt vor allem bei bestimmten, nicht malignen Hautkrankheiten eine Rolle, während ionisierende Strahlung zur Krebsbehandlung eingesetzt wird. Es werden experimentelle Modellsysteme sowie allgemeine theoretische Überlegungen vorgestellt, aufgrund derer eine Weiterentwicklung der Strahlentherapie denkbar wäre. Neuere Ansätze, die in der Verwendung von Strahlenarten mit besserer Tiefendosisverteilung und günstiger Strahlenqualität bestehen, werden diskutiert, außerdem die Kombinationsbehandlung mit Hyperthermie oder chemischen Agentien.
Jürgen Kiefer

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