Biologische Dosimetrie - Entwicklung, Potenzial und Einsatzmöglichkeiten auf nationaler und internationaler Ebene
Biologische Dosimetrie ist ein international anerkanntes Verfahren, das im Falle einer
unklaren Exposition durch ionisierende Strahlung am Menschen und basierend auf
biologischen Indikatoren, eine nachträgliche Quantifizierung der individuell erhaltenen
Strahlendosis ermöglicht. Hierzu werden in Lymphozyten des peripheren Blutes
strahlenbedingte Veränderungen auf chromosomaler Ebene analysiert, die aufgrund
eindeutiger Dosiseffektbeziehungen einer Strahlendosis zugeordnet werden können.
Unter den hierfür zur Verfügung stehenden Methoden gilt die Analyse dizentrischer
Chromosomen als der „Goldstandard“ der biologischen Dosimetrie. Dizentrische
Chromosomen sind zwar seit längerem als Biomarker für ionisierende Strahlung
bekannt, die Methode hat sich jedoch in den letzten Jahren durch neue technische
Fortschritte sehr stark weiterentwickelt und so stehen mittlerweile neben der
konventionellen, manuellen Auswertung auch softwarebasierte, automatisierte
Analyseverfahren zur Verfügung. In der Dissertation werden neue Ergebnisse
aufgezeigt, die im Rahmen verschiedener EU-Forschungsprojekte erzielt wurden und
die qualitative und quantitative Optimierung der biologischen Dosimetrie, speziell der
Analyse dizentrischer Chromosomen, sowohl für den Einsatz im Strahlenschutz als
auch in der strahlenbiologischen Forschung, verdeutlichen. Die regelmäßige
Durchführung qualitätsgesicherter Ringversuche hat sich als wesentliches Instrument
erwiesen, um auch auf internationaler Ebene vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Im
Rahmen von MULTIBIODOSE (FP 7 – 241536) wurden verschiedene Strategien
verwendet, um die Analyse dizentrischer Chromosomen an einen großen
Strahlenunfall anzupassen, und dadurch den Durchsatz der Methode zu erhöhen und
die Verfügbarkeit der Dosisabschätzungen zu beschleunigen. Neben der manuellen
Auswertung im „Triage“-Modus, bei welcher die Anzahl der ausgewerteten Zellen
stark reduziert wird, wurde die Web-basierte Auswertung elektronischer Bilder von
Metaphasen am Bildschirm als digitales Medium eingesetzt. Zudem konnte das
Potential der automatisierten Auswertung dizentrischer Chromosomen als neue
Möglichkeit getestet werden, um Strahlenexponierte, die medizinische Versorgung
benötigen, rasch zu identifizieren.
Die Ergebnisse zeigten insgesamt eine sehr gute Korrelation zwischen den acht
teilnehmenden Laboren, was darauf zurückgeführt wurde, dass hier vor allem Labore
mit langjähriger Erfahrung auf dem Gebiet der biologischen Dosimetrie beteiligt waren.
Für alle getesteten Strahlenszenarien (akut, protrahiert und Teilkörperbestrahlung)
konnten die Strahlendosen > 1 Gy klar von den unbestrahlten Kontrollproben
unterschieden werden. Die starke Limitierung der ausgewerteten Zellen zur
Zeitersparnis bereitete bei der protrahierten Bestrahlung hoher Dosen und bei der
Teilkörperexposition niedriger Dosen bei fast allen Auswertestrategien
Schwierigkeiten. In diesen Fällen ist die nachträgliche Auswertung zusätzlicher Zellen
angezeigt, um falsch-negative Ergebnisse auszuschließen.
Das Ziel, ein nachhaltiges Netzwerk für biologische und retrospektive Dosimetrie in
Europa zu etablieren, wurde im Rahmen von RENEB (FP 7 – 295513) verfolgt. Es
beteiligten sich 23 Institutionen aus 16 Ländern der EU daran, die Kapazität der
Methode im Falle eines großen Strahlenunfalls zu erhöhen. Um die Vergleichbarkeit
der Ergebnisse aus den verschiedenen Laboren zu gewährleisten, war die
Durchführung qualitätsgesicherter Ringversuche notwendig, die inhaltlich und
umfangmäßig aufeinander aufbauten und zunächst nur innerhalb des RENEB
Netzwerks und anschließend auf globaler Ebene durchgeführt wurden. Durch die
Möglichkeit von Trainingskursen und wissenschaftlichem Austausch zwischen den
Laboren konnte sowohl eine Verbesserung der Durchführung einschließlich Transport
und Zustellung als auch der Dosisabschätzung, vor allem im höheren Dosisbereich,
erzielt werden. Das Potential der Analyse dizentrischer Chromosomen für die
Anwendung im Rahmen eines großen Strahlenunfalls konnte verdeutlicht werden.
Einen wichtigen Beitrag konnte der Einsatz der semi-automatischen Auswertemethode
für dizentrische Chromosomen zur strahlenbiologischen Forschung leisten, um
Unterschiede in der altersabhängigen Strahlensensitivität bei niedrigen Dosen (< 100
mSv) und dadurch den Bedarf an weiterer Forschung auf diesem Gebiet aufzuzeigen.
So wurde das Verfahren zur Untersuchung der Strahlensensitivität verschiedener
Altersgruppen in dem für diagnostische CT-Aufnahmen (41 mSv) relevanten
Dosisbereich angewendet. In den Blutlymphozyten von Kindern < 5 Jahren konnten
signifikant mehr Chromosomenschäden nachgewiesen werden als bei Erwachsenen.
Diese Erkenntnisse waren nur durch die Erhöhung der statistischen Power mit Hilfe
einer starken Erhöhung der Zellzahl möglich. Durch das semi–automatisierte
Auswerteverfahren konnten die Ergebnisse im Vergleich zur konventionellen
Auswertung sehr viel schneller zur Verfügung gestellt werden, wodurch sich für die
automatisierte Auswertelösung neue Einsatzmöglichkeiten ergeben.
Biological dosimetry is an internationally recognized method which enables the quantification of individually received radiation doses based on biological indicators in the event of unclear exposure to ionizing radiation in humans. For this purpose, radiation-related changes on the chromosomal level are analyzed in lymphocytes of the peripheral blood. These changes can be assigned to a radiation dose on the basis of a pronounced dose-effect relationship. Among the various biological markers for ionizing radiation, the analysis of dicentric chromosomes is the “gold standard” of biological dosimetry. Dicentric chromosomes have long been known as biomarkers for ionizing radiation. In recent years, the method has evolved considerably due to new technical advances, so that software-based, automated analysis methods are now available in addition to conventional manual evaluation. The dissertation shows new results that have been achieved in various EU research projects and illustrates the qualitative and quantitative optimization of biological dosimetry, especially the analysis of dicentric chromosomes, for use in radiation protection as well as in radiation biological research. The regular performance of quality-assured proficiency tests has proven to be an essential instrument for achieving comparable results on an international level. MULTIBIODOSE (FP 7 - 241536) used various strategies to adapt the dicentric chromosome analysis to a major radiation accident, thereby increasing the throughput of the method and accelerating the availability of dose estimates. In addition to the manual evaluation in "triage" mode, i.e. the number of evaluated cells is greatly reduced, the web-based evaluation of electronic images of metaphases on the screen was used as a digital medium and the potential of automated scoring of dicentric chromosomes was tested as a new way to quickly identify radiation exposed individuals who need medical care. Overall, the results showed a very good correlation between the 8 participating laboratories, which was attributed to the fact that mainly laboratories with many years of experience in the field of biological dosimetry were involved. For all tested radiation scenarios (acute, protracted and partial body radiation) the radiation doses > 1 Gy could be clearly distinguished from the unirradiated control samples. The strong limitation of the evaluated cells to save time caused difficulties with the protracted irradiation of high doses and with partial body exposure to low doses in almost all evaluation strategies. In these cases, the subsequent analyzes of additional cells is indicated in order to rule out false negative results. The goal of establishing a sustainable network for biological and retrospective dosimetry in Europe was pursued within the framework of RENEB (FP 7 - 295513). 23 institutions from 16 EU countries participated in increasing the capacity of the method in the event of a major radiation accident. In order to ensure the comparability of the results from the various laboratories, it was necessary to carry out quality-assured inter-laboratory exercises. These were based on each other in terms of content and scope and were initially carried out only internally within RENEB and then at a global level. Training courses and scientific exchange between the laboratories enabled improvements of the implementation, including transport and delivery as well as the dose estimation, especially in the higher dose range. The potential of dicentric chromosome analysis for use in the context of a major radiation accident could be clarified. The use of the semi-automatic evaluation of dicentric chromosomes for radiation biological research provided an important contribution to show differences in age-dependent radiation sensitivity at low doses (<100 mSv) and, thus, the need for further research in this area. The method was used for examining the radiation sensitivity of different age groups in the dose range relevant for diagnostic CT images (41 mSv). Significantly more induced chromosome damage was detected in the blood lymphocytes in children <5 years than in adults. The latter could only be shown by increasing the statistical power, which was achieved by strongly increasing the number of cells. Thanks to the semi-automated evaluation process, the results could be obtained much faster compared to conventional evaluation, which also opens up new application possibilities for the automated evaluation of dicentric chromosomes.