Gesundheitliche Effekte ionisierender Strahlung

Manuskript für eine Publikation, die ich im Auftrag der Aerzte und Aerztinnen für Umweltschutz (AefU) im Juli 2016 verfasst habe. Der im Oeksokop, dem Periodikum der AefU, gedruckte Text ist redaktionell bearbeitet und etwas gekürzt. (Oekoskop 3/16, 30.9.2016)

Eine grossflächige radioaktive Verseuchung wie bei den Atomunfällen von Tschernobyl und Fukushima hat unabsehbare Auswirkungen auf Mensch und Tier. Ärztinnen und Ärzte sind oft machtlos.

Ionisierende Strahlung wird in der Physik unterteilt in Alpha-, Beta-, Gammastrahlung und Neutronenstrahlung. Sie entsteht beim Zerfall von instabilen Atomkernen, ihr ist gemein, dass sie imstande ist, Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu entfernen. Dazu kommt künstlich erzeugte Röntgenstrahlung, die nicht durch Atomkernzerfälle entsteht, sondern durch Aufprall schneller Elektronen auf Wolframstahl und es gibt korpuskuläre Strahlung, die mit Teilchenbeschleunigern generiert wird. Die Energiedosis, die ein Organismus aus ionisierenderStrahlung absorbiert, ist als Gray definiert. In Lebewesen eindringende ionisierende Strahlen schädigen vor allem die Erbsubstanz. Da die Auswirkungen der erwähnten Strahlenarten auf die Organismen verschieden intensiv ist, wurde das Sievert (Sv) definiert, das diese relative biologische Wirksamkeit berücksichtigt. Für die äusserst energiereiche Alphastrahlung beträgt der Strahlungsgewichtungsfaktor 20, d. h., 1 Gray entspricht 20 Sv. Für Gamma-, Beta- und Röntgenstrahlung ist der Faktor 1, für die Neutronenstrahlung gilt ein Faktor von 5 bis 20. Der Strahlenschutz erlaubt international zusätzlich zur natürlichen Hintergrundstrahlung für die Durchschnittsbevölkerung eine Belastung aus künstlich erzeugter Strahlung von 1 Millisivert (mSv)/Jahr. Für beruflich Strahlenbelastete sind 20 mSv/Jahr toleriert. Für medizinisch bedingte Strahlenanwendungen gibt es keinen Grenzwert.

Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlen verursachen Schäden an der DNA (Desoxyribonucleinsäure) und damit am Genom, aber auch in anderen zellulären Strukturen. In der Strahlenbiologie werden zwei Dosisbereiche unterschieden, der deterministische (mit akuter Strahlung undDosen > 0.5 Sv) und der stochastische (Dosen < 0.5 Sv). Beim Menschen führen akute Dosen über 0.5 Sv zur sogenannten Strahlenkrankheit. Es ist dies der Bereich der hochdosierten Strahlen. Eine Belastung unter 0.5 Sv führt nicht zu einer akuten, merklichen Erkrankung, hinterlässt aber trotzdem Schäden an den zufällig getroffenen Zellen in Form von Erbgut-Veränderungen. Später im Leben eines Individuums können dieseKrebs oder in den Folgegenerationen genetischen Schäden verursachen. Nicht nur maligne Erkrankungen sind Folgen kleinerer Strahlendosen. Es können sichauch Autoimmunphänomene entwickeln und Schäden an Endothelien entstehen. Letztere führen zu Herzkreislauferkrankungen.

Die akute Strahlenkrankheit – deterministiche Schäden

An der akuten Strahlenkrankheit – kombiniert mit Verbrennungen und anderen Verletzungen/Schädigungen – starben 1945 wegen zwei amerikanischen Atombombenabwürfen über Hiroshima und Nagasaki mehr als hunderttausend Japanerinnen und Japaner. Die meisten waren Zivilpersonen. Je nach Dosis der Verstrahlung resultiert eine Hautrötung, eine Knochenmarkshemmung mit Störung der blutbildenden Systeme. Bei höheren Dosen folgt ein Haarverlust und dann das sogenannte gastrointestinale Syndrom, bei noch grösseren Dosen das Versagen des zentralen Nervensystems, das zum Tod innerhalb weniger Stunden führt. Andere Organsysteme sind ebenfalls betroffen und es kommt so zum Multiorganversagen. In jeder erwähnten Krankheitsgruppe tritt mehr oder weniger unausweichlich der Tod ein. Dies ist neben den japanischen Opfern von 1945 auch Feuerwehrleuten und vielen Liquidatoren von Tschernobyl im Jahr 1986 widerfahren. Biologisch steht hinter dem Tod ein Overkill von unzähligen Körperzellen durch die hohe Strahlendosis, die die Opfer trifft. Besonders schwerwiegend ist dies bei den sich dauernd regenerierenden Organe wie den blutbildenden Knochenmarkszellen und den Darmwandepithelien. In Tschernobyl litten auch zivile Personen unter der akuten Strahlenkrankheit.

Die Umgebung eines havarierten Atomkraftwerkes muss vor allem deswegen sofort evakuiert werden. Bei der akuten Strahlenkrankheit können nur noch die Symptome behandelt, nicht aber die Ursache beseitigt werden. Ein Massenanfall von Strahlenkranken könnte kein Gesundheitswesen bewältigen. Zudem die Pflegenden und die Angehörigen der Opfer würden von den stark verstrahlten Patienten ihrerseits bestrahlt. Im Grunde genommen müssten wir Ärztinnen und Ärzte den Leuten ehrlich sagen: «Wir werden Euch nicht helfen können.»

Stochastische Schäden – Niedrigstrahlung

Die Schäden durch niedrige Dosen ionisierender Strahlung werden vom Organismus teilweise repariert, können aber zu einer Instabilität des Genoms führen (Abbildung 1). Ist das Genom einer einzelnen Zelle instabil, signalisiert sie ihren Zustand über Zellbrücken an umgebende Zellen und mittels Signalstoffen an ferne Zellsysteme, die dadurch ebenfalls instabil werden. Die ersten reproduzierten Filialzellen sind noch unauffällig, spätere Filialgenerationen weisen dann aber detektierbare Störungen auf, wie Mikronuclei (geschrumpfte Zellkerne), Genmutationen, Störungen bei der Kernteilung, Anomalien bei den Chromosomen und Zelltod.[1]

Abbildung 1: Beispiel eines Strahlenschadens an einer Stammzelle. Oben ist das Ereignis (als hit bezeichnet) an einer Stammzelle beschrieben. Diese wird repariert, teilt sich und erst in ihrer Nachkommenschaft hier in der dritten Filalgeneration tre… — Abbildung 1: Beispiel eines Strahlenschadens an einer Stammzelle. Oben ist das Ereignis (als hit bezeichnet) an einer Stammzelle beschrieben. Diese wird repariert, teilt sich und erst in ihrer Nachkommenschaft hier in der dritten Filalgeneration treten dann offensichtliche Schäden auf.

Die stochastischen Schäden folgen einer linearen Dosis-Wirkungs-Beziehung, es gibt in diesem Bereich keine Schwellendosis. (LNT= linear no threshold)[2]. Das heisst: Jede Strahlung ist ein zusätzliches Gesundheitsrisiko. Dies ist auch in einer Publikation der Universität Bern klar geworden. Abhängig von der natürlichen Hintergrundstrahlung in der Schweiz ist die Häufigkeit von Kinderkrebs mehr oder weniger erhöht.[3]

Auch die diagnostisch eingesetzte Röntgenstrahlung ist nicht ungefährlich und verursacht Krebse. Eine kritiklose Anwendung der Bildgebung durch Röntgenstrahlen rächt sich oft Jahre nach der Anwendung.[19]

Keimbahn - transgenerationelle Schäden - Epigenetik

Es bestehen dringende Indizien, dass stochastische Schäden am genetischen Material bei Menschen und Tieren über die direktbetroffene Generation hinausreichen. Spätere Generationen können wegen des Strahlenschadens an der Keimbahn ihrer Vorfahren erkranken. Eine epidemiologischen Studie von Martin Gardner gibt Hinweise darauf, dass Kinder von Vätern, die in der Wiederaufbereitungsanlage von Sellafield (UK) gearbeitet haben und vor der Zeugung ihrer Kinder mehr als 100 mSv an radioaktiver Strahlung akkumuliert hatten, signifikant häufiger an Leukämien erkrankten als Kinder, deren Väter nicht strahlenbelastet waren.[4],[5] Gehäufte Totgeburten im Nachwuchs strahlenexponierter Sellafieldarbeiter sind ein weiterer Hinweis auf einen Keimbahneffekt von ionisierender Strahlung.[6]

Wichtig für die Krebsentstehung und auch andere Störungen der normalen physiologischen Regulierung des Organismus ist der Aspekt der Epigenetik. Epigenetische Phänomene wie das Abschalten (silencing) und das Aktivieren von Genen können Folge ionisierender Strahlung sein und führen zur Erkrankung.[7] Epigenetische Veränderungen sind vererbbar.

Eindrückliche Folgen von grossflächiger Verstrahlung mit kleinen Dosen

Für die gesundheitlichen Folgen beim Menschen liegen für Fukushima im Gegensatz zu Tschernobyl erst spärliche Daten vor.

Dubrova wies im Erbgut von Kindern der Region Mogilew in Weissrussland, die zwischen Februar und September 1994 geboren wurden (also 8 Jahre nach dem Super-GAU von Tschernobyl) und deren Eltern immer in der kontaminierten Region gelebt hatten, eine von der Strahlendosis abhängige Vermehrung von Mutationen im Minisatellitengenom (bestimmte, nicht codierende DNA-Abschnitte) nach.[8] Ebenso waren bei Kindern, die von Vätern nach ihrem Einsatz als Liquidatoren gezeugt worden waren, sieben Mal mehr Mutationen im Minisatellitengenom vorhanden, als dies bei von den gleichen Vätern vor ihrem Einsatz gezeugten Kindern der Fall war.[9]

Eindeutig und eindrücklich ist der Anstieg der Häufigkeit des papillären Schilddrüsenkrebses bei Jugendlichen aber auch bei Erwachsenen in weiten Teilen der Ukraine, von Weissrussland und der russischen Föderation.[10],[11] Auch die Häufigkeit anderer Krebserkrankungen ist angestiegen [12] und nicht zuletzt kommt der Diabetes Typ I in Weissrussland früher im Leben der Kinder und häufiger vor. Auch die Hashimotothyreoiditis und der graue Star sollen gehäuft vorkommen. Dazu kommen vermehrte Herzkreislaufkrankheiten bei Erwachsenen und Kindern, die in den mit radioaktiven Isotopen belasteten Gegenden wohnen.

Strahlenschäden treffen nicht nur den Menschen, sondern das gesamte Biota. Sowohl in Tschernobyl als auch in Fukushima sind Untersuchungen der Strahlenfolgen bei Tieren publiziert. Hans Ellegren [13] wies Mutationen an den Schwalben von Tschernobyl nach, ein Teilalbinsmus (Abbildung 2) trat auf, ausserdem wurden ihre Gehirne von Generation zu Generation kleiner, die Spermienproduktion war minderwertig, die Population brach zusammen und es zeigte sich ein frühe Sterblichkeit.[14]

Abb. 2 Teilalbinismus einer Tschernobylschwalbe (Bild von Timothy Mousseau)

Untersuchungen an Tierpopulationen sind wichtig wegen der schnelleren Generationenabfolge. Wir erhalten so einen besseren biologischen Einblick in die genetischen Mechanismen nach Strahlenschäden, die auch für Menschen eine Bedeutung haben dürften.

Fukushima

Die Kernschmelzen in Fukushima Dai-ichi begannen am 11. März 2011 nach dem grossen Tohöku-Erdbeben. Grosse Mengen radioaktiver Isotope wurden freigesetzt und auf den umliegenden Böden und im Pazifik deponiert. Im Mai 2011 begann eine Forschergruppe der Ryukyus-Universität von Okinawa eine Schmetterlingsart einzufangen, den Yamato shijimi (Zizeeria maha). Die Schmetterlinge wurden an verschieden stark radioaktiv belasteten Orten gesammelt und die Hintergrundstrahlung am Sammelpunkt gemessen. Die lebenden Tiere wurden nach Okinawa geflogen und ihre Eier dort in einem radiologisch sauberen Milieu auf Horn-Sauerklee (Oxalis corniculata) aufgebracht und so die F1-Generation herangezogen. Verschiedene Anormalitäten fanden sich in der im Mai gesammelten Population selber, aber weit grössere Abnormitäten in ihren Folgegenerationen. Dass es sich nicht nur um physiologische Veränderungen der Tiere durch direkte Strahleneinwirkung handelte, bewiesen Merkmale, die sich von der F1- auf die F2-Generation vererbten. Es liegen transgenerationelle genetische Phänomene vor. Ein Experiment, das an nicht belasteten Schmetterlingen aus Okinawa durchgeführt wurde und exakt die Strahlenbedingungen der Fukushima-Schmetterlinge simulierte (gleiche externe und interne Strahlenbelastung), zeigte dieselben Abnormitäten.[15] (Abbildung 3)

Abb 3 Verschiedene Abnormalitäten an Schmetterling Zizeeria maha (Bild aus einer Publikation der Ryukyus-Gruppe aus Japan)

Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern beschrieb Reproduktion und Nistverluste von Fujiyama-Habichten (Accipiter gentilis fujiyamae). Das Ausmass des Verlustes im Vergleich zu normalen Nisterfolgen war abhängig von der gemessenen Strahlendosis unterhalb der Nester.[16]

Was die Menschen in Japan betrifft, scheint sich eine Epidemie von papillären Schilddrüsenkrebsen anzubahnen. Für abschliessende Aussagen über die erhobenen Daten ist es noch zu früh. In einem sorgfältig redigierten Blog von Yuri Hiranuma werden sich in Zukunft Angaben über die weitere Entwicklung dieses Problems finden.[17]

Ein grosses Kapitel wäre es, die Bemühungen in Japan für die Dekontamination des verseuchten Gebietes darzulegen.[18] Hinzu kommt die Zumutung an die japanische Bevölkerung und vor allem an die Kinder, statt eine zusätzliche Strahlendosis von 1 mSv/Jahr (international gültiger Grenzwert), 20 mSv/Jahr auf sich nehmen zu müssen. 20 mSv/Jahr gelten heute in Japan als sicher genug. In der ehemaligen Sowjetunion lag der Evakuationsgrenzwert bei 5 mSv/Jahr. Japan, ein grosses Versuchslabor der IAEA, der ICRP und der UNSCEAR? Die drei Organisationen hatten zum Grenzwert von 20mSv/Jahr geraten.

Literatur

[1] Walter, M. Strahlenschutz – Argumente gegen die von der ICRP (Internationale Kommission für Strahlenschutz) vorgesehenen Lockerungen der Regeln. Schweizerische Ärztezeitung, 2005;86: Nr 26

[2] Sumner D, Wheldon T, Watson W (1991). Radiation Risks. Tarragon Press, Third edition, ISBN 1 870781 04 X.

[3] Spycher BD, Lupatsch JE, Zwahlen M, Röösli M, Niggli F, Grotzer MA, Rischewski J, Egger M, Kuehni CE. Background ionizing radiation and the risk of childhood cancer: a census-based nationwide cohort study. Swiss Pediatric Oncology Group; Swiss National Cohort Study Group. Environ Health Perspect. 2015 Jun;123(6):622-8. doi: 10.1289/ehp.1408548. Epub 2015 Feb 23.

[4] Gardner Martin J, Snee MP, Hall AJ, Powell CA, Downes S, Terrell JD. Results of case-control study of leukaemia and lymphoma among young people near Sellafield nuclear plant in West Cumbria. BMJ 1990;300:423-9.

[5] Gardner Martin J, Hall AJ, Snee MP, Downes S, Powell CA, Terrell JD. Methods and basic data of case-control study of leukaemia and lymphoma among young people near Sellafield nuclear plant in West Cumbria. BMJ 1990;300:429-34.

[6] Parker L, Pearce MS., Dickinson HO, Aitkin M, Craft AW, Stillbirths among offspring of male radiation workers at Sellafield nuclear reprocessing plant. Lancet 1999;354:1407-14

[7] Boyer AS, Walter D, Sørensen CS. DNA replication and cancer: From dysfunctional replication origin activities to therapeutic opportunities. Semin Cancer Biol. 2016 Jun;37-38:16-25. doi: 10.1016/j.semcancer.2016.01.001. Epub 2016 Jan 12.

[8] Dubrova YE, Nesterov VN, Krouchinsky NG, Ostapenko VA, Neumann R, Neil DL, Jeffreys AJ, Human minisatellite mutation rate after the Chernobyl accident. Nature. 1996 Apr 25;380(6576):683-6.

[9] Weinberg HS, Korol AB, Kirzhner VM, Avivi A, Fahima T, Nevo E, et al., Very high mutation rate in offspring of Chernobyl accident liquidators. Proc Biol Sci 2001;268(1471):1001-5. Received 24 January 2000, Accepted 2 March 2001.

[10] Abelin T, Averkin JI, Egger M, Egloff B, Furmanchuk AW, Gurtner F, Korotkevich JA, Marx A, Matveyenko II, Okeanov AE, et al. Thyroid cancer in Belarus post-Chernobyl: improved detection or increased incidence? Soz Praventivmed. 1994;39(4):189-97.

[11] Baverstock K, Egloff B, Pinchera A, Ruchti C, Williams D., Thyroid cancer after Chernobyl., Nature. 1992 Sep 3;359(6390):21-2.