Umgang mit radioaktiven Stoffen in der Medizin
Die Medizin verwendet radioaktive Stoffe und ionisierende Strahlung zur Identifikation (Diagnose) und Behandlung (Therapie) von Krankheiten. Ein bekanntestes Beispiel ist die Durchleuchtung mit Röntgenstrahlen (Röntgenaufnahme, Computertomografie). Durch die Verabreichung radioaktiver Substanzen, sog. Radio- oder Nuklearpharmaka, können in der Nuklearmedizin Organfunktionalitäten überprüft und Krankheitsherde lokalisiert werden. Die Strahlentherapie nutzt die unterschiedliche Empfindlichkeit von Zellen gegenüber ionisierender Strahlung. Zellen mit hoher Teilungsrate und großer Stoffwechselleistung (z.B. bösartige Tumore) sind strahlenempfindlicher als Zellen, die sich nur langsam vermehren.
Durch Einwirkung ionisierender Strahlung auf Zellen und Gewebe können Krankheitsherde behandelt und im günstigsten Fall beseitigt werden. Idealerweise beschränkt sich die Strahlenwirkung auf den Krankheitsherd und das umliegende gesunde Gewebe wird nur gering beeinträchtigt. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Behandlung individuell auf den Patienten abgestimmt und vorausgeplant werden. Die Planung basiert auf Bildinformationen aus der Radiologie (Röntgendiagnostik) und der Nuklearmedizin (Szintigrafie). Röntgentechnologische Verfahren und Radionuklidszintigrafien ergänzen sich in ihren bildlichen Darstellungen von Körperteilen und Organen. Während Röntgenaufnahmen und Computertomografien infolge der unterschiedlichen Absorption von Röntgenstrahlen Unterschiede in der Gewebedichte sichtbar machen, bilden Szintigrafien Gewebefunktionen ab. Unterschiedliche Gewebefunktionen manifestieren sich in einer unterschiedlichen Aufnahme- und Speicherfähigkeit bestimmter Substanzen. Bei der Radionuklidszintigrafie werden dem Patienten radioaktive Substanzen verabreicht, die im Körper denselben Stoffwechsel-, Transport- und Ausscheidungsvorgängen unterliegen wie ihre inaktiven Analoga. Durch Detektion der von den radioaktiven Substanzen ausgehenden, den Körper durchdringenden Strahlung entsteht ein Abbild der Radionuklidverteilung, das sog. Szintigramm. Szintigramme können von den meisten Organen und Organsystemen aufgenommen werden. Am häufigsten sind Aufnahmen der Schilddrüse und der Knochen. Als Radionuklid wird vorwiegend Technetium-99m mit Aktivitäten von bis zu einigen hundert Mega-Becquerel eingesetzt.
Die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) nutzt den Effekt, dass Positronen und Elektronen beim Aufeinandertreffen zwei entgegengesetzte Gammaquanten aussenden, die sog. Paarvernichtungsquanten. Sie sind leicht nachzuweisen, so dass in der nuklearmedizinischen Diagnostik auch Positronen-Strahler wie Kohlenstoff-11, Stickstoff-13, Sauerstoff-15 und Fluor-18 Anwendung finden. Mit den genannten Radionukliden lassen sich einfache organische Verbindungen (Glucose, Aminosäuren, Fettsäuren etc.) radioaktiv markieren und als Radiopharmaka einsetzen. Typische Anwendungsbeispiele sind Untersuchungen des Glucosestoffwechsels im Gehirn oder im Herzmuskel, die Erfassung von Durchblutungsstörungen sowie Studien zum Tumorstoffwechsel (Therapieverlaufskontrolle). Aufgrund der kurzen Halbwertszeit der Positronen-Strahler (T1/2 < 2 h) kann ein PET-System nur in unmittelbarer Nähe eines Zyklotrons betrieben werden, mit dem diese Radionuklide erzeugt werden. Bei der PET werden Aktivitäten von 300 – 400 Mega-Becquerel je Patient und Aufnahme eingesetzt.
Offene radioaktive Stoffe (Radiopharmaka) werden auch zur Behandlung von Krankheitsherden eingesetzt. Typisches Beispiel ist die Radiojodtherapie (Jod-131) bei Schilddrüsenerkrankungen. Aufgrund der beim Beta-Zerfall des Jod-131 auftretenden Gammastrahlung, die den Körper nach außen durchdringt, kommt dem Strahlenschutz bei der Anwendung große Bedeutung zu (Schutz des medizinischen Personals und anderer Kontaktpersonen). Die Therapie darf in Deutschland nur unter besonderen stationären Bedingungen durchgeführt werden. Mit der sog. Radio-Synovi-Orthese (RSO, Synovia = Gelenkschleimhaut, Orthese = Wiederherstellung) werden entzündliche Gelenke behandelt. Im Gegensatz zur Radiojodtherapie, bei der das Radiopharmakon oral oder intravenös verabreicht wird, wird bei der RSO der radioaktive Stoff (Yttrium-90, Erbium-169 oder Rhenium-186) direkt in das Gelenk bzw. eine Gelenkhöhle injiziert. Bei der Radiojodtherapie und der RSO werden je nach Erfordernis und Anwendung Aktivitäten im zweistelligen Mega-Becquerel-Bereich bis hin zu einigen Giga-Becquerel („hochdosierte Jodtherapie“) verabreicht.
Die Radioonkologie (Onkologie = Behandlung von Tumorerkrankungen) verwendet Strahlenquellen (Röntgengeräte, Teilchenbeschleuniger, umschlossene radioaktive Stoffe) zur Zerstörung oder Volumenverminderung von Tumoren. Die Behandlung basiert auf der zielgerichteten Einstrahlung hoher Energiedosen („Herddosis“) auf den Tumor. Je nach Tumor werden Herddosen von 20 Gray (bei Gammastrahlung entspricht dies einer Energie von 20 Sievert) und mehr appliziert. Um bei der Therapie das den Tumor umliegende gesunde Gewebe weitestgehend zu schonen, wird die zur Zerstörung des Tumors benötigte Herddosis meist in mehrere, zeitlich voneinander getrennte Einzelenergiedosen aufgeteilt („fraktionierte Bestrahlung“). Als Strahlungsarten werden
- Röntgenstrahlung,
- Gammastrahlung,
- Betastrahlung (Radionuklide),
- Elektronenstrahlung (Teilchenbeschleuniger),
- Ultraharte Bremsstrahlung,
- Neutronenstrahlung,
- Protonen- und Schwerionenstrahlung
angewendet. Die Bestrahlung kann von außen über die Haut (perkutan), von Körperhöhlen aus (intrakavitär), in der offenen Operationswunde (intraoperativ) oder direkt im Gewebe (interstitiell, Interstitium = Gewebe zwischen den Organen) erfolgen.
Liegt der Tumor tief im Körperinneren, erfolgt die Bestrahlung mit durchdringender Strahlung von außen (z.B. durch Röntgenstrahlung, hochenergetische Teilchenstrahlung). Aufgrund des Abstandes der Strahlenquelle vom Patienten wird diese Behandlungsart auch als Fern- oder Teletherapie bezeichnet. Oberflächlich gelegene Tumore können mit Strahlung geringer Eindringtiefe wie der Betastrahlung behandelt werden (Kurzdistanz- oder Brachytherapie). Tiefer liegendes gesundes Gewebe wird dabei weitestgehend geschont. Die Oberflächen-Kontaktbestrahlung verwendet Beta-Strahler wie Phosphor-32, Schwefel-35, Strontium-90/Yttrium-90 oder Ruthenium-106 in Form umschlossener Strahlenquellen. Die Strahler werden für Minuten bis Stunden auf das Tumorgewebe gehalten, bis die gewünschte Herddosis verabreicht ist. Umschlossene radioaktive Stoffe können auch im Körperinneren in Kontakt/Reichweite mit einer Geschwulst gebracht werden. Heute eher von historischer Bedeutung ist die Verwendung von Radium-226, das bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts als Strahlenquelle für gynäkologische Anwendungen eingesetzt wurde. Aus Gründen des Strahlenschutzes wurde die Radium-Therapie durch das sog. Afterloadingverfahren (Nachladeverfahren) ersetzt. Bei dieser Methode wird ein Hohlrohr („Applikator“) mit einem verschlossenen Ende in den Patienten eingeführt und über eine Fernsteuerung eine Strahlenquelle an den Bestrahlungsort transportiert. Das Bedienungspersonal befindet sich während der Anwendung außerhalb des Bestrahlungsraumes. Beim Afterloadingverfahren werden üblicherweise Strahlenquellen aus Iridium-192 verwendet. Die eingesetzten Aktivitäten reichen bis zu einigen hundert Tera-Becquerel. Bei einem anderen Verfahren, der interstitiellen Therapie, verbleibt der in den Körper in Form von radioaktiven Seeds, Nadeln oder Drähten eingebrachte Strahler im Tumorgewebe („Spickung“) und zerfällt dort entsprechend seiner physikalischen Halbwertszeit. Eingesetzt werden Radionuklide wie Palladium-103 oder Jod-125 mit Halbwertszeiten von Tagen bis wenigen Monaten.
Radioaktive Stoffe und ionisierende Strahlung finden in der Medizin breite Anwendung. Über ihren Einsatz entscheidet ein Arzt mit der erforderlichen Fachkunde im Strahlenschutz.