Eigenschaften hochenergetischer Ionenstrahlung

Eigenschaften hochenergetischer Ionenstrahlung

Beim Durchgang durch Materie verliert ein hochenergetisches Ion seine Energie fast ausschließlich durch Stöße mit den Elektronen der Materie. Dadurch entstehen freie Elektronen und angeregte Atom- bzw. Molekülzustände. Damit einhergehend werden Molekülbindungen zerstört. Bei Bestrahlung des sensibelsten Bestandteils von lebenden Zellen, des Zellkerns, entstehen dadurch Schäden im Erbmolekül DNA, von denen die sogenannten Doppelstrangbrüche (DSB) die schwerwiegendsten sind.

Ein wesentliches Maß für die Schädigungswirkung eines hochenergetischen Ions stellt die Energiemenge dar, die entlang der zurückgelegten Spurlänge deponiert wird. Quantitativ wird dies durch den LET ( = linearer Energietransfer) Wert beschrieben. Dieser hängt stark von der Ladungszahl des Ions ab, sodass sich die Wirkung von leichten und schweren Ionen deutlich unterscheidet. Für das Ionenspektrum, welches am 14 MV Tandembeschleuniger zur Verfügung steht, kann der LET-Wert um mehr als drei Größenordnungen variiert werden (siehe Abbildung rechts, die aufgetragenen Werte wurden mit SRIM berechnet). Die Bestrahlung eines Zellkerns mit einem Schwerion (Iod, LET ≈ 10 MeV / µm) produziert eine sehr dichte Schädigung und damit eine gänzlich andere Schadensqualität als ein hochenergetisches Proton (LET ≈ 2 keV / µm).

 

Die Schädigungsspur eines hochenergetischen Ions besitzt in radialer Richtung eine gewisse räumliche Ausdehnung des Energieeintrags. Diese wird von Elektronen verursacht (sog. δ-Elektronen), die beim Stoß durch das Ion einen höheren Energiebetrag aufnehmen und dadurch eine größere Reichweite im umgebenden Medium besitzen. Der Effekt der Spurausdehnung steigt mit zunehmender Ionengeschwindigkeit. Aufgrund der bei einem Stoß maximal übertragbaren Energie existiert für jede Ionengeschwindigkeit ein maximaler Radius (rmax), bis zu dem Energie deponiert wird. In der Abbildung links ist exemplarisch für zwei Ionenstrahlsorten, die am Rasterionenmikroskop SNAKE für Zellbestrahlungsexperimente zur Verfügung stehen, die Verteilung der lokalen Energiedosis (Einheit: 1 Gy = 1 J / 1 kg) dargestellt. Man erkennt, dass im zentralen Bereich ("core") der Spur Energiedosen von bis zu 107 Gy und mehr deponiert werden. Allerdings erstreckt sich dieser Bereich nur wenige nm um die Ionenspur herum. Außerhalb des "core", in der sog. "Penumbra" fällt die lokale Energiedosis mit dem Quadrat des Abstandes zum Spurzentrum ab. Zum Vergleich ist in der Abbildung schematisch ein Zellkern mit einer typischen Querschnittsfläche im gleichen Maßstab wie die x- bzw. y-Skala der Dosisverteilungen eingetragen. Man erkennt, dass die Variation der maximalen Dosisausdehnung auf der biologisch relevanten Längenskala liegt. Dies bedeutet, dass bei den Zellbestrahlungsexperimenten durch Auswahl der Ionengeschwindigkeit festgelegt werden kann, ob die Schädigungswirkung eines Ionendurchgangs auf einen kleinen Bereich des Zellkerns beschränkt bleibt oder sich über den kompletten Zellkern erstreckt. Allerdings ist zu beachten, dass es sich bei dieser Darstellung der lokalen Dosis um eine gemittelte Verteilung handelt, welche die stochastische Natur der δ-Elektronen-Erzeugung nicht berücksichtigt. Die gezeigten Verteilungen wurden nach dem Chatterjee-Modell berechnet (Rad. and Environm. Biophys. 13, 215-227 (1976)).

 

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