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DOSISABSCHÄTZUNG NACH AKZIDENTELLER STRAHLENEXPOSITION: EINSATZ DER BIODOSIMETRIE

Angehörige der Bundeswehr sind aufgrund ihres erweiterten Aufgabenspektrums, aktueller Bedrohungslagen und möglicher militärischer Einsätze in der Folge akzidenteller Ereignisse wie dem Reaktorunglück in Fukushima dem Risiko einer potenziellen Strahlenexposition ausgesetzt.

Das Spektrum reicht dabei von einer externen Exposition, bedingt durch Umgebungsstrahlung oder Kontamination mit radioaktivem Material, bis hin zur internen Exposition nach Inkorporation von Radionukliden. In Abhängigkeit von der Höhe der absorbierten Strahlendosis und deren Verteilung über den Körper sind letztendlich medizinische Konsequenzen wie strahlenbedingte Frühschäden (Übelkeit, Blutbildveränderung, Hautreaktion, akute Strahlenkrankheit) bzw. Spätschäden (genetische Schäden des Erbmaterials, Krebsentstehung, chronische Erkrankungen) zu erwarten. Photo Abb. 1: Am InstRadBioBw etablierte Standard-Kalibrierkurven für die zytogenetische Dosimetrie.

Einsatz der biologischen Dosimetrie

Nach einer akzidentellen Strahlenexposition liefern zeitnahe, individuelle Expositionsabschätzungen wichtige diagnostische Informationen für die medizinische Triage und die Abschätzung möglicher Gesundheitsfolgen. Hier kommen spezialdiagnostische Biodosimetrie-Verfahren in einem multiparametrischen Ansatz, d. h. ergänzend zur klinischen und ggf. physikalischen Dosimetrie zum Einsatz. Mittels biologischer Dosimetrie wird eine Strahlenexposition gegenüber ionisierender Strahlung anhand biologischer Indikatoren, die nach Einwirkung ionisierender Strahlung in der Zelle auftreten, nachgewiesen. Die individuell absorbierte Dosis kann anschließend auf Grundlage der Häufigkeit solcher Indikatoren quantifiziert werden. Im Gegensatz zur physikalischen Dosimetrie wird bei der Erfassung biologischer Indikatoren nicht die Dosis selbst bestimmt, sondern den Effekt dieser Dosis auf den untersuchten Zelltyp. Die beobachteten Effekte ermöglichen schließlich eine Abschätzung der Wirkung der absorbierten Dosis auf den gesamten Organismus bzw. einzelner Organe oder Organsysteme.
Abhängig vom Expositionsszenario, z. B. einem akuten Massenanfall von möglichen Strahlenunfallopfern, einem akuten Individualereignis oder einer Jahrzehnte zurückliegenden chronischen Exposition, muss eine geeignete Biodosimetrie-Methode ausgewählt werden. Zu beachten ist, dass mit steigender Zahl von potenziell strahlenexponierten Personen die geforderte Genauigkeit, Spezifität und Sensitivität einer Dosimetriemethode zu Gunsten der Kapazität sowie schnellen Verfügbarkeit von Testergebnissen in den Hintergrund tritt. Dabei ist der Massenanfall von potenziell Strahlenverunfallten eine besondere Herausforderung, da mit Hunderten oder noch mehr Betroffenen, von sog. „worried well“ („Besorgte Gesunde“) bis hin zu Patienten mit schweren Gesundheitsstörungen, zu rechnen ist. Dann können unter Anwendung einer schnellen Hochdurchsatz-Screening-Methode Personen ohne oder mit geringer Überexposition von den Individuen unterschieden werden, die dringend therapeutischer Maßnahmen bedürfen. Die „worried well“ können so durch einen entsprechenden Befund in ihrer Angst beruhigt werden und die vorhandenen medizinischen Ressourcen (Krankenhausbetten, weiterführende Diagnostik, Therapieoptionen) werden zur Behandlung derer, die tatsächlich medizinische Hilfe benötigen, optimal eingesetzt und genutzt.

Biologische Indikatoren

Zur biologischen Dosimetrie werden sowohl molekulare als auch zytogenetische Indikatoren verwendet. Voraussetzung für die Eignung eines Strahlenmarkers ist dessen reproduzierbares Auftreten in Abhängigkeit vom Strahlenschaden. Darüber hinaus muss der Marker „in vivo“ (im lebenden Organismus/Menschen) und „in vitro“ (im Reagenzglas, d. h. im Laborexperiment) qualitativ und quantitativ in gleicher Weise durch die Strahlung induziert werden. Somit können im Labor experimentell Eichkurven (sog. Standard-Kalibrierkurven) erstellt werden, welche nach der Analyse von Probenmaterial (z. B. Blut, Biopsate, Haare) einer potentiell strahlenexponierten Person als Grundlage zur Dosisrekonstruktion und Abschätzung des medizinischen Schadens herangezogen werden (Abb. 1). Im optimalen Fall ist das Auftreten eines Strahlenmarkers charakteristisch für die vorausgegangene Einwirkung ionisierender Strahlung, was eine geringe Spontanrate in nicht-exponierten Personen bedeutet. Ansonsten muss die spontan auftretende Häufigkeit des Markers in einem geeigneten Kontrollkollektiv nicht-exponierter Personen zumindest bekannt sein und bei der Dosisrekonstruktion berücksichtigt werden. Der Strahlenmarker sollte zudem über einen gewissen Zeitraum (mindestens einige Wochen) nach Exposition in den entsprechenden Zellen aus möglichst einfach zu gewinnendem und an das Labor zu versendendem Probenmaterial nachweisbar sein.

Nachweismethoden

In der Biodosimetrie unterscheidet man je nach Strahlenmarker zytogenetische und molekulare Methoden. Die etablierten zytogenetischen Techniken beruhen auf dem Nachweis chromosomaler Veränderungen, wie die Bildung von dizentrischen Chromosomen, symmetrischen Translokationen oder sog. Mikrokernen, während die neueren molekularen Verfahren Strahlenmarker z. B. auf DNA-Ebene (z. B. g-H2AX-Analyse, Genexpressions-analyse) erfassen. Den genannten Methoden gemeinsam ist, dass i. d. R. aus der Armvene entnommenes Blut als Untersuchungsmaterial dient (Abb. 2).

Photo Abb. 2: Ionisierende Strahlung (IS) induziert u.a. DNA-Doppelstrangbrüche. Die Häufigkeit von dizentrischen Chromosomen, symmetrischen Translokationen und Mikrokernen als Folge einer fehlerhaften DNA-Reparatur sind die Grundlage für die individuelle Dosimetrie basierend auf zytogenetischen Methoden. Bei der g-H2AX-Analyse werden die Doppelstrangbrüche immunhistochemisch dargestellt. Die Genexpressionsanalyse beruht auf eine durch IS verursachte Veränderung in der RNA-Zusammensetzung der Zelle (z. B. Erhöhung der Kopienanzahl eines RNA-Transkriptes). Die als Goldstandard geltende Dizentrikanalyse ist hochspezifisch für eine Strahlenexposition und zudem sehr sensitiv, leider aber auch sehr zeitaufwendig (Abb. 3). Dizentrische Chromosomen entstehen fast ausschließlich und dosisabhängig durch die Einwirkung ionisierender Strahlen. Die untere Nachweisgrenze liegt bei 0,1 Gy akuter Ganzkörperexposition. Ihre Verteilung in den analysierten Lymphozyten erlaubt die Abschätzung sowohl von Ganzkörper- als auch von Teilkörperexpositionen.

Die Induktion von Mikrokernen ist zwar nicht strahlenspezifisch, wurde in den letzten Jahren aber umfangreich validiert und gilt mittlerweile als international anerkannte Methode in der Strahlendosimetrie. Die Mikrokernanalyse ist besonders geeignet, im Rahmen einer Triage über eine zeitsparende automatisierte Auswertung sehr schnell zumindest eine vorläufige Dosisabschätzung abzuliefern.
Die Analyse stabiler Translokationen erlaubt als einzige zytogenetische Methode Dosisabschätzungen nach lange zurückliegenden Strahlenexpositionen (Jahrzehnte!). Das Verfahren ist aber verglichen mit den anderen zytogenetischen Methoden noch zeitaufwendiger und kostenintensiver.
Die bei der g-H2AX-Analyse nachgewiesenen DNA-Doppelstrangbrüche sind ebenfalls nicht strahlenspezifisch, können aber dennoch für die Abschätzung von akuten Ganz- und Teilkörperexpositionen herangezogen werden. Nachteil ist, dass die zu erfassenden DNA-Brüche nur über einige Stunden nachweisbar sind und somit Probengewinnung, Versand und Aufarbeitung sehr schnell nach Strahlenexposition erfolgen muss.
Dosisabschätzungen auf der Grundlage von Veränderungen der Genexpression stellen einen recht neuen und vielversprechenden Ansatz dar. Das Ziel ist die Identifizierung strahleninduzierter „gene targets“, die eine Aussage zum Strahlenschaden bzw. der absorbierten Dosis zulassen.

Internationale Zusammenarbeit

Da bei einem Massenanfall von potentiell strahlenexponierten Personen ein einzelnes Labor schnell überfordert wäre, ist in der Vergangenheit weltweit sowohl die nationale als auch die internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Biodosimetrie intensiviert worden. In enger Kooperation erfahrener Wissenschaftler wird die Standardisierung einzelner Methoden durch die Erarbeitung von gemeinsamen Richtlinien (IAEA 2011: „Cytogenetic Dosimetry: Applications in Preparedness for and Response to Radiation Emergencies“) und ISO Normen (DCA: ISO 19238: 2011, ISO21243:2008; CBMN: ISO/DIS 17099, in Entwicklung, Translokationen: geplant) vorangetrieben. Photo Abb. 4: Ablauf der von InstRadBioBw organisierten und durchgeführten NATO Biodosimetrie Studie.

Umfangreiche Projekte werden initiiert, um die Anwendung verschiedener Biodosimetrie-Methoden an denkbare Szenarien radiologischer Zwischenfälle oder Terroranschläge mit radiologischem Material anzupassen und die Methoden optimal der jeweiligen Fragestellung entsprechend durchzuführen. Zu diesem Zweck wurde von 2010 - 2013 das EU-geförderte MULTIBIODOSE-Projekt (www.multibiodose.eu) unter Beteiligung von des Institut für Radiobiologie der Bundeswehrw (InstRadBioBw) durchgeführt und mit der Herausgabe eines Leitfadens “Guidance for using MULTIBIODOSE tools in Emergencies for Radiation Emergency Response Organisations in Europe“ abgeschlossen. Seit 2012 läuft nun ebenfalls unter Mitwirkung von InstRadBioBw das Nachfolge-Projekt (RENEB „Realizing the European Network of Biodosimetry“, www.reneb.eu) zum Aufbau eines dauerhaften Netzwerkes der biologischen Dosimetrie in Europa. Ziel ist es, dem europäischen Notfallmanagement bei Strahlenunfällen eine schnelle und effektive Unterstützung zu bieten. Im Falle einer sehr großen Zahl an zu untersuchenden Personen, erhöht ein solches Netzwerk durch die gemeinsame Bewältigung des Probenaufkommens die biodosimetrische Kapazität immens. Auch die WHO hat zum Zwecke der internationalen Hilfestellung ein weltweites Biodosimetrie Netzwerk aus über 40 Dosimetrielaboren, unter anderem InstRadBioBw, aus 28 Staaten, aufgebaut (BioDoseNet, „The Global biodosimetry laboratories network for radiation emergencies“, www.biodosenet.org).
Eine weitere Strategie zur Kapazitätssteigerung stellt die zeitsparende Automatisierung einzelner Arbeitsschritte bis hin zur Vollautomatisierung einer Technik dar. Insbesondere die Automatisierung der bildanalytischen Dizentrik-Auswertung wurde im Rahmen des MULTIBIODOSE-Projektes vorangetrieben. Die Erfassung der dizentrischen Chromosomen in den Metaphasezellen konnte so um den Faktor 10 beschleunigt werden.
Ein weiteres Beispiel für die internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Biodosimetrie ist die vom InstRadBioBw durchgeführte sog. NATO-Studie (s. u.).

Strahlenunfall / Triage

Abhängig vom Szenario kann die Zahl der zu untersuchenden Blutproben erheblich variieren (einige – hunderte – tausende), was die Wahl der Analyseverfahrens und des Auswertemodus beeinflusst. Gegenwärtig gilt die Dizentrikanalyse als Methode der Wahl. Bei einem Massenanfall stellt der Mikrokerntest zwar eine gute Alternative dar, ist bez. des Nachweises von Teilkörperexpositionen allerdings weniger zuverlässig als die Dizentrikanalyse. Bei der Dizentrikanalyse werden für eine individuelle, möglichst genaue Dosisabschätzung nach einer akuten, kürzlich erfolgten Exposition routinemäßig 500 bis 1 000 Metaphasezellen ausgewertet. Der Befund liegt aber in der Regel erst innerhalb von 1 - 2 Wochen vor. Handelt es sich aber um deutlich mehr betroffene Personen (abhängig vom Ereignis und den zu erwartenden Strahlendosen, z. B. > 30), tritt die Genauigkeit einer Methode zugunsten der Geschwindigkeit und dem möglichen Probendurchsatz in den Hintergrund. Dann wird zunächst im sog. Triage-Modus auf der Grundlage von bis zu 50 ausgewerteten Metaphasezellen eine schnelle und vorläufige Dosisabschätzung vorgenommen. Auf dieser Basis und der Wahl geeigneter Schwellendosen ist eine schnelle, aber für die Triage ausreichende Klassifizierung der Betroffenen in größere Expositionskategorien möglich, z. B. < 0,1 Gy / > 0,1 Gy, < 1,5 Gy / > 1,5 Gy, oder < 4,0 Gy / > 4,0 Gy. Bei Bedarf kann zu einem späteren Zeitpunkt die Auswertung fortgeführt und in eine genauere Dosisabschätzung vorgenommen werden. Photo Abb. 4: Ablauf der von InstRadBioBw organisierten und durchgeführten NATO Biodosimetrie Studie.

NATO Biodosimetrie Studie

InstRadBioBw hat zur Beurteilung der Eignung etablierter zytogenetischer und neuer molekularer Biodosimetrieverfahren für die medizinische Triage im Rahmen der NATO „Research and Technology Organization – Human Factors and Medicine Panel“ (heute: „Science and Technology Organization – Human Factors and Medicine Panel“), Arbeitsgruppe „Radiation Bioeffects and Countermeasures“ eine umfangreiche Studie (Beteiligung von 12 Biodosimetrielaboren aus 6 NATO-Staaten) organisiert (Abb. 4). Die zwei validiertesten, zytogenetischen Methoden, Dizentrikanalyse und Cytokinese-Block Mikrokerntest, wurden mit zwei neuen molekularen Verfahren, DNA-Doppelstrangbruch-Analyse (g-H2AX-Foci) und Genexpressionsanalyse, verglichen.

Die im InstRadBioBw durchgeführte Auswertung der Studie ergab, dass die Dizentrikanalyse nach wie vor der unverzichtbare Goldstandard der individuellen Biodosimetrie ist. Dennoch müssen die neuen Verfahren weiterentwickelt und validiert werden, da sie aufgrund ihres deutlich geringeren Zeitaufwandes (einige Stunden für die Bereitstellung erster dosimetrischer Befunde, Zytogenetik: 3 - 4 Tage) und möglichen Einsatzes als Hochdurchsatzmethode, ein großes Potential besitzen. Diese Eigenschaften sind essentiell, um dem behandelnden Arzt in einer Notfallsituation mit einer großen Zahl potentiell strahlenexponierter Personen eine schnelle Entscheidungshilfe für das weitere Vorgehen zu bieten (Abb. 5).

Photo Abb. 5: Die Fachzeitschrift Radiation Research veröffentlichte eine Serie von 5 Artikeln, die die Auswertung der 4 umfangreichen Ringversuche und den Vergleich der 4 Methoden miteinander zusammenfasst. (Mit freundlicher Genehmigung von „Radiation Research“) Im InstRadBioBw sind alle vier Methoden etabliert und können bei unklarer individueller Strahlenexposition durchgeführt werden. Bei einem Strahlenszenario im Rahmen eines militärischen Einsatzes wird die Gewinnung von Blutproben vor Ort durch die Task Force Anteile des InstRadBioBw erfolgen und die Spezialdiagnostik mittels Biodosimetrie nach Transport der Proben im InstRadBioBw durchgeführt werden.
Das InstRadBioBw, die singuläre nationale Ressource auf dem Gebiet des medizinischen Strahlenunfallmanagements, konnte in dieser sehr erfolgreich durchgeführten NATO-Studie wiederum seine herausgehobene Position auch im internationalen Vergleich unter Beweis stellen. Die medizinischen / biologischen Erkenntnisse stellen sowohl für den Truppenführer wie auch für die versorgende Sanität eine wertvolle unterstützende Hilfeleistung dar. Als wehrmedizinisches Ressortforschungsinstitut stellt es seine Fähigkeiten der Bundeswehr und subsidiär dem zivilen Bereich zur Verfügung. In 2013 wurde das Institut von der Bundesregierung der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) in Wien gegenüber als nationales Responseteam für Strahlenunfälle benannt.

Datum: 31.10.2014

Quelle: Wehrmedizin und Wehrpharmazie 2014/3