Vorlesung Strahlenschutz und Radioökologie - IRS - Leibniz ...

Strahlenschutz und Radioökologie 

C. Walther, IRS, Leibniz Universität Hannover 

Tag 08 Biologische Strahlenwirkung 

C.Walther 

Institut für Radioökologie und Strahlenschut 

IRS- Institut für 


Vorlesung Strahlenschutz und Radioökologie 

Biologische Strahlenwirkung 

Strahlenschutz und Radioökologie, C. Walther, IRS, Leibniz Universität Hannover Page 1 

Historisches 

1895 Entdeckung der Röntgenstrahlung - Röntgen - 

1896 Röntgenschädigung der Haut - Leppin – 

1899 Strahlentherapie mit Röntgenstrahlung – Stenbeck, Sjörgen - 

1896 Entdeckung der Radioelemente - Curie - 

1902 Hautkrebs als Folge der Röntgendermatitis - Frieben 

1907 Strahlentherapie von Hautkrebs mittels Radium – Stenbeck - 

1911 Beschreibung von 54 Fällen von „Röntgenkarzinomen“ - Hesse - 

1911 Leukämie bei Radiologen und Chemikern - Jagie - 

1928 International Commission on Radiological Protection ICRP 

1929 Kochensarkom bei Leuchtzifferblattmalern - Martland & Humphries - 

1942 Strahlenbedingter Schneeberger Lungenkrebs - Rajewski - 


1




C.Walther 


Die Hand des Anatomen Geheimrat 

von Kolliker in Würzburg, 

aufgenommen 

am 23.01.1896 von W.C. Röntgen 

(1845 – 1923) 

W.C. Röntgen erhält 1901 den 

Nobelpreis für Physik. 


Röntgenuntersuchung 1906 


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Erste Krebstherapie mit Röntgenstrahlung 

im Jahr 1899 

C.Walther 



Röntgenkarzinom 

Thor Stenbeck behandelte ein 

Basalzellenkarzionom der Nase 

einer 49-Jahre-alten Frau. 100 

Behandlungen im Verlaufe von 9 

Monaten. Die Patienten überlebte 

bei guter Gesundheit 30 Jahre. 

Tage Sjörgen heilte ein Epithelzellenkarzinom 

mit 50 Behandlungen 

im Verlauf von 30 Monaten. 

1896 Röntgenschädigung der Haut 

1902 Hautkrebs als Folge der Röntgendermatitis 


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X-Ray Examination 

C.Walther 



Entdeckung der Radioaktivität 

1896 durch Henry Becquerel 

Radiation injury to 

the skin of a 

Spanish-American- 

War soldier as a 

result of X-ray 

examination 

(1898) 

Wambersie, 

Heraeus Physics 

School (2009) 


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Historie 

C.Walther 


08.11.1895 Entdeckung der Röntgenstrahlung (X-rays) 

20.01.1896 Henri Poincaré interpretiert die unbekannte Strahlung als 

Fluoreszenz der Röhrenwand und vermutet, dass andere 

fluoreszierende Substanzen sowohl sichtbares Licht als auch 

Röntgenstrahlung emittieren könnten. 

24.02.1896 Henri Becquerel berichtet der A.F., dass dem Sonnenlicht 

ausgesetztes Uranylsulfat, die einzige wirklich phosphorisierende 

Substanz, eine lichtdicht verpackte Photoplatte durch eine 

Aluminiumfolie hindurch schwärzt. 

29.02.1896 Henri Becquerel beobachtet, dass der Effekt auch ohne 

Bestrahlung des Uranylsulfat durch Licht auftritt und dass die 

Absorption der Strahlungsaktivität mit der Dicke eines 

Kupferabsorbers zunimmt. Er beobachtet auch, dass die 

Uranstrahlen die Leitfähigkeit der Luft beeinflussen. Der Effekt ist 

am stärksten in Uranmetall und unabhängig vom physikalischen 

Zustand. 

Die Natur der Strahlung blieb unbekannt und niemand interessierte sich dafür. 


Marie Curie (née Marya Sklodowska) 

Marya Sklodowska (1867 – 1934) heiratete 1895 in Paris den Physiker 

Pierre Curie (1859 – 1906), der bereits für seine Arbeiten über den 

Magnetismus (Curie Temperatur) und die Kristallsymetrie bekannt war. 

Er hatte mit seinem Bruder Jacques 1882 den piezoelektrischen Effekt 

entdeckt. 

Marie Curie wählt als Gegenstand ihrer Doktorarbeit die von Henri 

Becquerel beschriebenen Phänomene, insbesondere das von 

Becquerel beschriebene Problem, dass die Fähigkeit von 

Uranverbindungen, Fotoplatten zu schwärzen, mit der Zeit nicht 

abnimmt. 

Woher kam die kontinuierliche Emission von Energie? 


5




Marie Curie wählt als Nachweismethode für 

die unbekannte Strahlung die 

Wechselwirkung mit Luft. 

C.Walther 


Erste Quantifizierung der 

Uranstrahlen durch eine 

Stromstärke (~pA) oder 

eine elektrische Ladung. 

Quellstärke in Gramm. 


Thorium strahlt! 

1898 Gerhard S. Schmidt (Erlangen) und Marie Curie entdecken 

unabhängig voneinander die Radioaktivität des Thorium. 

Marie Curie: 

� Die Intensität der Strahlung von Uran- und Thorium-verbindungen 

ist ungefähr proportional zum Gehalt des jeweiligen Elementes. 

(Premiere der Radioanalytik) 

� Die Strahlung ist unabhängig von physikalischen und chemischen 

Zustand des Elementes. 

� Pechblende sendet viermal mehr Strahlung aus als metallisches 

Uran. 

Hypothese: Die Mineralien enthalten ein Element, 

das viel stärker strahlt als Uran. 


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Entdeckung der radioaktiven 

Elemente Thorium, Polonium, 

Radium und einer neuen 

Chemie: der Radiochemie 

Die Curies 

im Labor 

C.Walther 



Das Ergebnis am 12.04.1898: Intensitäten der 

Ionisationsströme für verschiedene Materialien. 

Sklodowska Curie, M.: Compt. Rend. Acad. Sc. Paris 126 (1898) 1101 


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Gemeinsame Suche der Curies: 

Erfolg am 18.07.1898 

� In der Wismut-Fraktion fanden sie eine Substanz, die 400 mal 

aktiver war als Uran. Die Masse lag wahrscheinlich bei 10 ng. 

� Der Nachweis geschah durch die Radioaktivität der Substanz: 

chemische Forschung auf der Grundlage der Radioaktivität. 

� Später stellte sich heraus, dass die Aktivität sich mit der Zeit 

verlor: (T1/2 = 136 d). 

C.Walther 


„Wir glauben, dass die Substanz, die wir aus Pechblende abgetrennt haben, 

ein bisher unbekanntes Element enthält, das Wismut in seinen analytischen 

Eigenschaften ähnlich ist. Wenn die Existenz dieses neuen Elementes 

bestätigt ist, schlagen wir vor, es Polonium zu benennen zur Ehre des 

Geburtslandes eines von uns.“ Curie, P., Curie, M.: Compt. Rend. Acad. Sc. Paris 127 (1898) 175 


13.07.1898: 

zum ersten Mal 

Polonium (Po) 

Sublimation von Bi, Pb, 

und Po mit der 12fachen 

Aktivität des Uran 


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Uran-Radium-Reihe 

Die Uran-Radium-Reihe und 

die neuen Radioelemente 

C.Walther 



Urkunde des Nobelpreises für Chemie 1911 

Nobelpreis für Marie Curie 

für die mit der Entdeckung 

des Polonium und Radium 

verbundenen Fortschritte 

der Chemie, die Charakterisierung 

des Radium, dessen 

Isolierung in metallischem 

Zustande sowie für ihre 

Untersuchungen über die 

chemischen Verbindungen 

dieses Elementes. 


9




Radiochemie 

„… Wir haben hier eine völlig andere Art 

der Chemie, für die wir das Elektrometer 

und nicht die Waage nutzen, und die man 

die Chemie des Unwägbaren nennen könnte.“ 

Marie Curie, Nobel Prize Lecture, 1905 

C.Walther 



Pierre Curie‘s Selbstversuch 

Nach Berichten von Walkhoff und Giesel (1900) über physio-logische 

Wirkungen des Radium, unternimmt P. Curie einen Selbstversuch, indem 

er einen Arm der Radiumstrahlung aussetzt. Er schreibt am 03.07.1901 

in einem Brief an die A.F. : 

„Die Haut hat sich auf einer Oberfläche von 6 cm2 gerötet; das Aussehen 

ist dem einer Verbrennung sehr ähnlich, doch ist die Haut nicht oder kaum 

schmerzhaft. Nach einigen Tagen begann die Rötung stärker zu werden, 

ohne sich auszubreiten: am 20. Tag bildeten sich zuerst Krusten, dann eine 

Wunde, die man mit Verbänden behandelte; am 22. Tag hat die Haut 

begonnen, von den Rändern ausgehend, gegen die Mitte zu verheilen und 

52 Tage nach der Bestrahlung bleibt noch eine Fläche von 1 cm2 Wunde 

zurück, die einen ins Graue spiegelnden Ton annimmt, der darauf 

schließen lässt, dass eine tiefere Verwundung vorliegt. …“ 


10




Marie Curie‘s Erfahrungen mit Radium 

Als sie in einer versiegelten Glasröhre einige Zentigramm Radium trug, 

erlitt sie ähnliche Verbrennungen, obwohl sie die kleine Röhre in einer 

Metall-Schachtel verwahrt hatte. 

C.Walther 


„Die Hände zeigen eine allgemeine 

Tendenz zur Schuppenbildung: die 

Fingerspitzen, die die hochaktive 

Substanzen enthaltenden Kapseln berührt 

haben, verhärten sich und werden 

manchmal sehr schmerzhaft. Bei einem von 

uns hat die Entzündung der Fingerspitzen 

14 Tage angehalten und mit der Häutung 

ihren Abschluss gefunden, doch ist die 

Schmerz-empfindlichkeit nach 

zweimonatiger Dauer noch nicht 

verschwunden.“ 


Henri Becquerel 

• verbrennt sich ebenfalls, 

als er in seiner Westentasche eine 

Ampulle mit Radium trägt. 

„Ich liebe ja dieses 

Radium, aber es 

erbost mich auch.“ 


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Die Curie-Therapie 

Zusammen mit den Medizinern Bouchard und Balthazard 

untersucht P. Curie ab 1901 die überraschende Kraft der 

Strahlen. 

Sie sind bald überzeugt: indem das Radium die kranken 

Zellen zerstört, heilt es Fälle von Lupus, von Tumoren, 

gewisse Formen des Krebses. Erste Behandlungs-methoden 

an Patienten werden erfolgreich angewandt. Man benutzt 

Radium, das die Curies leihweise zur Verfügung gestellt 

haben. Man nennt die Therapie Curie-Therapie. 

Eine Radium-Industrie entsteht. 

C.Walther 



Erste Krebsbehandlung mit Radium im 

Jahr 1907 durch Louis Wickham und Paul Desgrais 


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Radium war en vogue. 

C.Walther 


The Race for the Radium 

Le Matin July 21-Nov. 19, 1908 


„… Radium, Radium ist 

ein zweiwertiges Element, 

welches die Eigenschaft hat, 

im Donkeln zu leuchten ...“ 


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3 g RaBr 2 im eigenen Licht fotografiert 

Deutsches Museum, Abt. Chemie 

Von der Union Miniére du Haut Katanga an O. Hönigschmid und R. Sachtleben 

zum Zweck der Atomgewichtsbestimmung ausgeliehen. 

C.Walther 



Das Atomgewicht des Radiums 226,0254 


Apparatur zur Darstellung wasserfreier Chloride und Bromide von 

O. Hönigschmid zur Atomgewichtsbestimmung. 


14




Die Laborgeräte von Hönigschmid und Sachtleben 

braun-violette Verfärbung durch strahlungsinduzierte F-Zentren. 


C.Walther 



RaBr 2 im eigenen Licht fotografiert 

Strahlungsinduzierte Lumineszenzzentren 

werden ständig zur Lichtemission erregt. 



15




Das erste Radium- 

Bad im Jahr 1906 

Archiv Horák 

St. Joachimsthal ca. 1920, links Radium Palast, 

rechts k. k. Fabrik für Uranfarben und Radium 

C.Walther 



Herstellung eines Radiumpräparates 

durch Einschmelzen von Radiumchlorid in ein Glasrohr im Jahr 1912 


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C.Walther 


Radium als Allheilmittel 

Indikationen: 

Subakute and chronische 

Gelenk- und 

Muskelbeschwerden, 

Bluthochdruck, Nierenentzündung,Anämie. 


Ca. 1 460 Bq pro Pastille 


17




ca. 300 kBq 

C.Walther 


Sensazionale 

Novitá ! 


162 kBq/d 

323 kBq/d 


18




C.Walther 


Radioaktive Zahncreme 


Auch Thorium muss für 

Quacksalberei herhalten. 


19




Die Radium-Zifferblattmalerinnen … 

C.Walther 



Die Radium- 

Zifferblattmalerinnen 

Die andauernde 

Inkorporation von Radium, 

das sich im Knochen 

anlagerte, führte in den 

Folgejahren zu einem 

gehäuften Auftreten von 

Knochenkrebs. 


20




Erste Behandlung eines Cervix CA mit Radium 

im Jahr 1903 durch Margaret Cleaves 

C.Walther 



Monument from the year 1936 at St. Georgs Hospital at 

Hamburg/Germany exhibiting today the names 379 

doctors, scientists and others which lost their lives 

because of their work with X-rays and radium. 


21




Erythem am 23. Tag nach bis zu 20 Gy 

C.Walther 



Blasen an der rechten Hand nach 

einem Strahlenunfall mit 9 Gy vor drei Tagen 


22




Strahlenschaden durch Röntgenstrahlung 

ca. 100 Gy 

C.Walther 



Sekundärerythem des Nagels 

ca. 15 Sv, 4 Wochen nach Strahleneinwirkung, 

Probenwechsel an einem Röntgen-Feinstrukturgerät 


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Orphan source from Radioisotope Radioelectric 

Generator (RTG), Lja, Georgia (2001) 

December 2001: woodcutters find 

2 hot ‘objects’ in the forest. 

(unshielded Sr-90 sources about 

1,000 TBq each) 

C.Walther 


The back of patient 2-MG 

on 6 Jan.2002 


Radiotherapy patients overexposed 

Costa Rica (1996) 

• Incorrectly calibrated 

• Co-60 teletherapy unit 

115 patients affected 


24




D T , r 

1 m, 105 Organismus 

g 

0,1 m, 103 Organ 

g 

Biologische Skalen 

100 �m, 10-9 Zelle 

g 

Zellkern 

10 �m, 10-11 g 

C.Walther 


Chromosom 

5 �m, 10-12 g 

Was ist 

Dosis? 

DNA: � 2 nm, 

Länge 5 cm, 10-12 g 

2 nm 


Dose quantities 

Energy dose in Gy (J/kg) for the radiation quality r, 

averaged over a tissue or organ T 

Organ dose in Sv (J/kg), averaged 

H T � � wr 

� DT 

, r of s tissue or organ T with radiation 

r 

weighing factors wr In defining the radiation weighing factors wr one has to 

consider: 

� The different effectiveness of the radiation r due to their 

micro-dosimetric properties on sub-cellular level, e. g. 

LET and speciation of radionuclides and 

� their differing local effectiveness when averaging of 

over entire tissues and organs. 


25




Quality factor Q 

Qualitätsfaktor als Funktion des LET 

und Strahlungswichtungsfaktoren w r 

ICRP 21 (1973) & StrlSchV (2001) LET in water in keV/�m 

ICRP (2006) 

Radiation weighing factors w r: 

Photons, electrons, muons 1 

Neutrons < 10 keV 5 

10 keV bis 100 keV 10 

> 100 keV bis 2 MeV 20 

> 2 MeV bis 20 MeV 10 

> 20 MeV 5 

Protons except recoil protons, 

E > 2 MeV 5 

� particles, fission fragments, 

Heavy ions 20 

C.Walther 



Radiation Weighing Factor = f(E n) 

ICRP 103 


26




Stopping power in MeV/cm 

C.Walther 



Ranges and LET of various types of 

radiation in air and water 


27




For �-decay: 

E abs = 1/3 E max 

Ranges and LET of various types of 

radiation in air and water 

C.Walther 


Chromosome 

5 �m, 10 -12 g 


Schema der Strahlenwirkungen 


28




Physikalische 

Primärprozesse 

direkte Wirkung 

Ionisation, Anregung 

C.Walther 


Chemische Folgeprozesse Bildung von Hydroxil- und Wasserstoffradikalen 

sowie weiteren reaktiven Produkten (Peroxide) 

Molekulare Veränderungen 

Zellrestitution Zellschädigung 

Zelltod 

indirekte Wirkung 

Abspaltung von Molekülteilen 

Änderung der für die Funktion von Makromolekülen wichtigen Strukturen 

Zelluläre Veränderungen 

Biologische 

Strahlenwirkungen 

Strahlenbiologische Wirkungskette 

Zelldefekt 


Zeitliche Entwicklung 

biologischer Strahlenwirkungen 

Stadium Prozess Dauer 

Physikalisches 

Stadium 

Chemisches 

Stadium 

Biochemisches 

und biologisches 

Stadium 

Ionisation und 

Anregung 

Lebensdauer von 

Ionenpaaren 

Lebensdauer freier 

Radikale 

Bruch chemischer 

Bindungen 

Enzymatische 

Reparatur 

Akutes 

Strahlensyndrom 

Latenzzeit für 

Karzinogenese 

< 10 -15 s 

10 -15 -10 -6 s 

< 10 -13 s 

1 min - 10 h 

1 d - 1 a 

ca. 2 - 40 a 


29




Particles 

Tissue 

Cells 

Matrix 

Particle Distribution in Tissue 

e - 

C.Walther 



Absorbed Dose (D) is Energy (E) per unit Mass (M) 

MICRODOSE: 

z= E 1 / M 1 

with M 1 = 1 ng 

(M 1 mass of cell ) 

z � CELL DOSE/hit 

NE = Number expos. M1 NH = Number hits in � M1 TISSUE ENERGY DOSE: 

D = [ z• NH ] / NE DOSE IS PROPORTIONAL TO NUMBER OF “HITS” 

e - 


α 

α 

30




Cell doses are multiples of microdoses. 

Mean microdose/hit in mGy (1 mGy = 6.24 keV/ng) 

mGy/hit ROS*/hit/ng 

60 Co �-rays ~ 0.3 ~ 45 

137Cs �-rays ~ 0.4 ~ 60 

250 kVp x-rays ~ 0.9 ~ 135 

100 kVp x-rays ~ 1.0 ~ 150 

10 MeV protons ~ 6.0 ~ 900 

4 MeV α-particles ~ 350.0 ~ 52.5 x 103 C.Walther 


* Reactive Oxygen Species 

Modified from: ICRU Report 36, 1983; Pollycove M, Feinendegen LE, 2003 


Charakteristische Zahlen für 

den Menschen: 

Zellen 10 14 

Gene je Zelle 30.000 – 40.000 

Chromosomen 46 (23) 

Zelle 

Schematische 

Darstellung 

einer Zelle 

1 Zellmembran 

2 Grundplasma 

3 Kernmembran 

4 Zellkern 

5 Chromosom 

6 Zellorganellen 

Produktion von Zellen pro Tag: 

Haut 0,7 � 109 Magen- Darm 56 � 109 Erythrozyten 200 � 109 Strahlenschutz und Radioökologie, C. Walther, IRS, Leibniz Universität Hannover Page 70 

31




Biologische Grundlagen 

C.Walther 



Strahlensensibler Zellkern 

I-125 nur im 

Cytoplasma 

I-125 nur im 

Zellkern 

Nach E.R. Schmidt JoGu Mz 


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Biological Systems Have Hierarchical Levels 

Increasing organization brings increasing complexity. 

Organism 

Tissues 

Cells 

Molecules 

Atoms 

3 

2 

1 

C.Walther 


Three signaling loops rely 

on electrons and molecules 

moving in and between cells 

~ 10 9 cells / g tissue 

~ 10 11 molecules / cell 

~ 2 – 10 4 atoms / molecule 

Life needs ~ 30 elements 

> 99% are C; H; O; N, S; P 


Crashes 

Knifes 

Bullets 

Microorganisms 

Toxins 

ROS 

Ionizing 

Radiation 

Threats at Levels 

in Biological Systems 

Organism 

Tissues 

Cells 

Molecules 

Atoms 

3 

2 

1 

Barriers against Damage 

and Its Propagation 

Multiorgan 

Failure 

Pathology 

Cancer 

Immune Response 

Apoptosis 

Cell Differentiation 

Disease 

DNA Repair 

Defense, Scavenging 


Ascending Barriers 

33




Metabolic 

Responses 

Ionizing 

Radiation 

Cellular DNA Damage Rises Linearly 

with Number of Impacts from Particle Tracks 

Organism 

Tissues 

Cells 

Molecules 

Atoms 

3 

2 

C.Walther 


DNA damage ( 137 Cs-�) 

(here thymine-glycol 

in T 1-Cells in Culture) 

Dose (Gy) 

Impact-Number- 

Effectiveness-Function 


Instant DNA Damage / mGy Low-LET Radiation 

~20 % direct effects: ~80 % indirect effects 

Base and Sugar 

Changes 

Single Strand Break 

Double Strand Break 

Cross Links 

~ 4 Damages per Cell / 1 mGy 

(per ~ 150 ROS) 

~ 75 % 

~2-3 

~ 20 % 

~1 

~ 1 % 

~0.04 

~ 5 % 

~0.15 


34




Residual DNA Damage (%) 

0 25 50 75 100 

Time of Repair (minutes) 

Müller WU et al., 2001 

Biological 

Responses 

Ionizing 

Radiation 

Repair of DNA-DSB from Different Patients 

HUMAN LYMPHOCYTES (L) IN CULTURE. 

AT LEAST 150 GENES ARE INVOLVED IN DNA REPAIR 

2 Gy: 

X-irradiation 

0 30 60 90 120 150 180 

C.Walther 


hypersensitive 

L 

AT-Patient 

sensitive L 

resistant L 


Cancer after Years of Irradiation 

Probabilities per hit stem cell, 1 mGy low-LET radiation. 

Organism 

Tissues 

Cells 

Molecules 

Atoms 

3 

2 

~ 10 -14 Malignant transformation 

with death of individual 

~ 10 -4 Chromosomal aberr. 

~ 10 -2 DNA - DSB 

~ 4 � DNA alterations 

~ 150 ROS 

Time Interval 

5 years 

Feinendegen et al., Stem Cells, 1995 


? 

35




HIT 

(primary 

response) 

Microdoses (Cell Doses ) Trigger System Effects 

e - 

PROPAGATION 

to cell damage 

C.Walther 


BY-STANDER EFFECTS 

PROPAGATION 

to tissue damage, 

acute-, late effects 


Cell with Energy 

Deposition 

e - 

Kojima et al., 2010 

CELL DEATH 

Anti-oxidant Induction in 

Bystander Cells by Low-Dose 

Fibroblasts in culture 

ATP 

Up-regulation of 

ROS scavenging 

GENOMIC INSTABILITY 

Non-Hit Cell 

Responding 


36




Cell withCertain 

DNA Damage 

•Ô 2 

•Ô 2 

Apoptosis Induction by Bystander Cells 

•OH + O 2 + Cl ¯ 

Fibroblasts in culture 

Ô 2 

•Ô 2 

HOCl 

•Ô 2 

ONOO¯ 

H 2O 2 

Bauer G., 2000; modif. by Scott B.R. et al., 2003 

P 

C.Walther 


TGF-β 


•NO 

Cl¯ 

Fortpflanzung und Zellteilung 

Eizelle Samenzelle 

Transforming Growth Factor 

Kern- und Zellteilung 

Normal Cell 

( P = peroxidase ) 


37




Zellzyklus 

ND compartment of non-dividing, differentiated cells 

C.Walther 


M mitosis 

S DNA synthesis 

G o resting phase 

G 1 postmitotic (gap) phase 

G 2 premitotic (gap) phase 


Empfindlichkeit abhängig von Phase im Zyklus 


38




Survival im Zellzyklus 

C.Walther 


Dosis-Wirkungskurven 

für Mäusefibroblasten 

im Zellzyklus 

1 rd = 0,01 Gy 


In Search of Genomic Instability in Humans 

Chromosome aberrations detected with FISH 

a: translocation alone b: plus non-clonal aberration 

Hamasaki K et al., 2009 


39




Chromosomenschäden 

C.Walther 



Lieber zwei kleine als eine große Dosis 


40




Metabolic 

Responses 

Ionizing 

Radiation 

Physiologic Defenses against Perturbation 

Hierarchy Levels 

of Biological Systems 

Organism 

Tissues 

Cells 

Molecules 

Atoms 

C.Walther 


Barriers against Damage 

and its Propagation 

Disease 

Death 

Cancer 

IMMUNE RESPONSE 

INFLAMMATION 

APOPTOSIS 

CELL SENESCENCE 

DNA REPAIR 

DETOXIFICATION 

Pathology 


Metabolic 

Responses 

Ionizing 

Radiation 

Physiologic Defenses against Perturbation 

Hierarchy Levels 

of Biological Systems 

Organism 

Tissues 

Cells 

Molecules 

Atoms 

Low-Dose Induction of 

Adaptive Protections 

Disease 

Death 

Cancer 

IMMUNE RESPONSE 

INFLAMMATION 

APOPTOSIS 

CELL SENESCENCE 

DNA REPAIR 

DETOXIFICATION 

Pathology 


41




Many reports since 1979 attest that 

low-doses can cause up-regulation 

of physiological defenses 

Adaptive Response ? 

that may last for more than a year, 

i.e., cause adaptive responses 

in terms of adaptive protections. 

C.Walther 



Chronic Radon Inhalation: Radioresistance, Mice 

Number of surviving animals 

Mortazavi SMJ et al., 2010 

Bckgrd: 19 � 3 Bq m -3 

Level 1: 495 � 54 “ 

Level 2: 690 � 110 “ 

Level 3: 1054 � 231 “ 

(15 mice per group) 

1 2 5 6 7 9 10 11 14 

Days of observation after 8.8 Gy �-irradiation 

Mice (Balb/c) were exposed to 3 levels radon concentration in air for 72 hrs 

- (control level = background radon) - prior to acute 8. 8 Gy �-irradiation. 


42




Track of 10 MeV alpha particle 

crossing a chromatin fiber 

C.Walther 



Survival of Mamalian 

Cells Exposed to 

High and Low LET 

Ionising Radiation 

(> 0,1 Gy min -1 ) 


43




Survival depending on Radionuclide in DNA 

C.Walther 


Dosis-Wirkungskurven 

von Mäusezellen, die 

3 H-Thymidin, 131 J-Desoxyuridin 

oder 125 I-Desoxyuridin 

in ihre DNA inkorporiert haben. 

1 rd = 0,01 Gy 

d in rd/cell/hr 


Survival vs DNA content 

Abhängigkeit der Strahlenempfindlichkeit 

(D 37) vom 

DNA-Gehalt verschiedener 

Organismen 


44




C.Walther 



www.microbe.org/microbes/deinococcus.asp 

Strahlenempfindlichkeit 

Deinococcus radiodurans 

LD 50 � 

15 000 Gy 

Schnelle, hoch effiziente 

Reparatur von DNA Schäden 

innerhalb von Stunden 

4 – 10 Kopien der DNA Moleküle 


45

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