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Foto: Till Jahnke
Energiereiche Strahlung schlägt aus dem unteren Wassermolekül ein Elektron heraus. Beim Auffüllen der Lücke wird Energie frei, die im Nachbarmolekül ein langsames Elektron herauslöst. Dieses kann Brüche in der DNA verursachen.
 
Radiologie 27. Jänner 2010

Energietransfer im Wassertropfen

Nachweis eines neuen Mechanismus für biologische Strahlenschäden

Nicht nur von außen auf biologisches Gewebe auftreffende Strahlung, wie beispielsweise Röntgenstrahlung, kann zu Schäden führen. Die DNA lässt sich auch leicht durch niederenergetische Elektronen aufbrechen, die im Körper infolge von Bestrahlung entstehen. Dr. Till Jahnke von der Goethe Universität hat entdeckt, dass solche Elektronen frei werden, wenn hoch energetische Strahlung im Körper auf Wasser trifft.

Bei der Beurteilung von Strahlenschäden, aber auch der Dosierung von Strahlentherapien für Tumoren, könnte die Einbeziehung dieses Effekts künftig zu präziseren Einschätzungen führen. Jahnke erhielt dafür den Röntgenpreis der Justus Liebig Universität Gießen.

Ein Erwachsener besteht zu 60 Prozent aus Wasser. Wird das Molekül aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen von energiereicher Strahlung getroffen, bricht es auseinander und bildet mit einem benachbarten Wassermolekül ein positiv geladenes Hydronium-Ion, ein negativ geladenes Hydroxid-Ion bleibt zurück. Der von Dr. Till Jahnke und seinen Kollegen, Goethe Universität Frankfurt, entdeckte Prozess ist jedoch so schnell, dass er leicht zu übersehen ist. „In einem Wassertropfen kann ein niederenergetisches Elektron, das DNA-Brüche verursacht, prinzipiell durch Strahlung jeder beliebigen Energie erzeugt werden“, erklärt Jahnke die biomedizinische Bedeutung seiner Arbeit, die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Physics publiziert ist.

DNA-Brüche mit wenig Energie

Bisher wurde der Prozess an kleinsten Wassertropfen untersucht, die nur aus zwei Wassermolekülen bestehen. Mithilfe der hochenergetischen Synchrotron-Strahlung des Berliner BESSY-Beschleunigers lösten die Physiker aus einer inneren Schale des einen Wassermoleküls ein Elektron heraus. Schnell sortierten sich die Elektronen um und füllten das Loch mit einem Elektron aus der äußeren Schale auf. Die dabei frei werdende Energie löste im Nachbarmolekül ein zweites Elektron heraus. Dieses hat wenig Energie und kann Brüche in der DNA hervorrufen. „Dieser Prozess kann ebenso durch natürliche Strahlung ausgelöst werden“, sagt Jahnke.

Der als Interatomic Coulombic Decay (ICD) bezeichnete Prozess läuft innerhalb von 50 Femtosekunden ab. (Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde.) In der Physik ist ein schneller Prozess gleichbedeutend mit einem sehr wahrscheinlichen, so dass ICD in Wasser vermutlich ein sehr allgemeines Phänomen darstellt. Eine Berlin-Garchinger Kollaboration hat die Existenz des Effekts in einer eigenen Messung bestätigt. ICD könnte einen relevanten Beitrag zu Strahlenschäden in biologischer Materie leisten. Das wäre auch für die Strahlentherapie von Bedeutung, denn die Behandlung von Tumoren lässt sich umso gezielter und schonender gestalten, je genauer die verwendeten Modelle die Realität abbilden.

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