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Dass der Schweregrad einer Erkrankung bei einer hohen Dosis steigt, steht in der Strahlenbiologie ausser Frage. Beim alltäglichen Strahlenschutz ist es jedoch wichtig, das Risiko einer Mutation an der Erbsubstanz – und damit das Krebsrisiko – auch im Bereich kleiner Dosen abschätzen zu können.
Bei geringen Strahlendosen spricht man wie im vorherigen Artikel der Serie erwähnt von sogenannten stochastischen beziehungsweise zufallsbedingten Effekten. Das heisst, Aussagen zur Wahrscheinlichkeit einer Erkrankung sind nur für eine Gruppe und nicht für Einzelpersonen möglich. Die Strahlenbiologie kann jedoch nicht einschätzen, ob und wo diese Mutation verursacht wird. Somit bleibt auch unklar, ob es im Einzelfall zu einer Erkrankung kommt – und wenn ja, zu welcher.
Eine belastbare Risikoeinschätzung ist zielführend, um das Bewusstsein für einen umsichtigen Strahlenschutz zu schärfen. Das Bestimmen dieses Risikos ist daher eine der zentralen Aufgaben der Epidemiologie zusammen mit der Strahlenbiologie.
Wie sich Dosiswerte auf das Erkrankungsrisiko auswirken
Die Internationale Strahlenschutzkommission ICRP hat ein Modell eingeführt, das den Zusammenhang zwischen der Dosis und dem daraus abzuleitenden Risiko abbildet: das LNT-Modell, das auch Linear-No-Threshold-Modell beziehungsweise «lineares Modell ohne Schwellendosis» genannt wird. Gemäss LNT-Modell gilt der lineare Zusammenhang bei akuten Dosen ab etwa 100 Millisievert (mSv) als gegeben.
Bei Dosen von weniger als 100 mSv dagegen ist nicht klar, ob sie sich linear auf das Erkrankungsrisiko auswirken. Zu dieser Frage gibt es diverse epidemiologische Studien, die zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Einige berichten über ein statistisch relevantes erhöhtes Krebsrisiko zwischen 0 und 100 mSv, andere Studien sehen keinen Zusammenhang. Die internationalen Fachgremien UNSCEAR und ICRP unterziehen diese Studien jeweils einem kritischen Review und formulieren Empfehlungen, die das ENSI grundsätzlich berücksichtigt.
Gemäss der LNT-Annahme (rote Linie in dieser Grafik) hat jede noch so kleine Dosis einen proportionalen Risikozuwachs zur Folge. Im Bereich der sehr kleinen Dosen besteht jedoch eine grosse Unsicherheit, da das verursachte Risiko unter Umständen kleiner ist als das bereits spontan vorhandene Risiko. Verursachtes und spontanes Risiko sind somit kaum voneinander zu unterscheiden. In diesem Bereich sind Aussagen zum Risiko nur durch statistische Berechnungen und Schätzungen möglich. Die Fachgremien UNSCEAR und ICRP warnen daher vor der Nutzung des LNT-Modells, um das Risiko von sehr niedrigen Dosenwerten zu berechnen. Auch für die Berechnung der zu erwartenden Krebsfälle sei es nicht geeignet.
Als vorsichtige und somit konservative Annahme wird das LNT-Modell in der Schweiz in der totalrevidierten Strahlenschutzverordnung (seit 2018 in Kraft) berücksichtigt. Das ENSI nutzt das LNT-Modell vor allem, um Optimierungsmassnahmen im operationellen Strahlenschutz zu beurteilen.
Wie der Körper mit kleinen Strahlendosen umgeht
Aus den Resultaten von strahlenbiologischen Experimenten kann geschlossen werden, dass die Zellen dank ihres Reparatursystems sehr gut mit sehr kleinen Dosen umgehen können. Dies würde zu einem theoretischen Risiko führen, das kleiner ist als das erwartete Risiko (Kurve A in der Grafik). Daraus wurde die Theorie des biopositiven Effekts von sehr kleinen Dosen abgeleitet (Kurve A1). Eine sehr kleine Dosis könnte zwar das Reparatursystem der Zellen anwerfen und diese dadurch vor kommenden Schädigungen schützen, selbst aber keine merkbaren negativen Effekte verursachen.
Da ionisierende Strahlung als Bodenstrahlung oder kosmische Höhenstrahlung fester Bestandteil der Natur ist, stand die Menschheit während ihrer gesamten Entwicklung unter ihrem Einfluss. Menschliche Zellen müssen somit einen Weg gefunden haben, mit einem gewissen Mass an Bestrahlung umgehen zu können. Um Strahlenschäden an der Erbsubstanz zu beheben, haben die Zellen ein spezialisiertes molekulares Reparatursystem entwickelt. Erst wenn dieses System ausgelastet oder durch Mutationen – zum Beispiel bei Erbkrankheiten – nicht (voll) funktionsfähig ist, kann es zu bleibenden Mutationen in der Erbsubstanz kommen.
Das molekulare Reparatursystems der Zellen hat sich für Einsätze über den ganzen Zellkern verteilt herausgebildet. Ionisationen, die zu Mutationen führen können, finden auch bei kleinen Dosen relativ konzentriert entlang einer «Strahlenspur» statt. So müssten die Reparaturmoleküle zuerst zu den möglichen Schädigungsorten gelangen und dort positioniert werden. Während dieser Zeit können die Strahleneffekte somit nicht oder nicht vollständig behoben werden (Kurve B). Das resultierende Risiko wäre somit zumindest am Anfang grösser als erwartet.
Da bisher keine der beiden Theorien durch Experimente wissenschaftlich bestätigt werden konnte, lautet der Kompromiss als vorsichtige Annahme in der Strahlenbiologie: Zwischen Dosis und dem daraus folgenden Risiko besteht ein linearer Zusammenhang – auch bei niedrigen Dosen.
Ionisierende Strahlung als Auslöser für Zellmutationen
Dass ionisierende Strahlung zur Entstehung von Krebs beitragen kann, ist wissenschaftlich schon lange anerkannt. Weniger bekannt waren dagegen die genetischen Mechanismen, welche die Zellmutationen verursachen. Dies hat sich in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten geändert.
Durch die Entdeckung und die Untersuchung der sogenannten Onkogene (Krebsgene) haben Wissenschaftler grundlegende Prozesse gefunden, mit denen aus normalen Zellen auf verschiedenen Wegen Krebszellen werden. Der Vergleich von unbestrahlten mit bestrahlten Zellen zeigt, welche Effekte durch ionisierende Strahlung ausgelöst werden.
Spontan erkranken in der Schweiz pro Jahr mehrere Zehntausend Personen an Krebs. Die Fortschritte in der Medizin in den Bereichen der Früherkennung und in der Therapie haben die Heilungschancen bei vielen Krebsarten signifikant vergrössert.
Dies ist der dritte von fünf Artikeln zum Thema Strahlenbiologie. Der vierte Teil befasst sich mit der Messung ionisierender Strahlung.