Gruppe Strahlenrisiko - Projekte

Mission: Abschätzung personalisierter Gesundheitsrisiken nach Strahlenexposition für Klinik und Bevölkerung

Die Arbeitsgruppe Strahlenrisiko beschäftigt sich mit den Gesundheitsrisiken nach Exposition mit ionisierender Strahlung. Es werden Modelle der Entstehung von Krebs und Herz-Kreislauferkrankungen zur Abschätzung von strahleninduzierten Risiken entwickelt und angewandt. Diese Modelle können überall eingesetzt werden, wo Menschen ionisierender Strahlung ausgesetzt sind. Fokus der Arbeiten ist die Bestimmung der Risiken bei der Anwendung therapeutischer und diagnostischer Verfahren in der Medizin.

PASSOS: Personalisierte Abschätzung von Spätfolgen nach Strahlenexposition und Orientierungshilfe für Strahlenanwendungen in der Medizin

Laufzeit: 1. Januar 2013 - 31. Dezember 2016
Fördernde Institution: Bundesministerium für Bildung und Forschung, Kompetenzverbund Strahlenforschung (KVSF)
Gesamtbudget: 2.780.000 €
Koordinator: Dr. Markus Eidemüller
Mitarbeiter: Dr. Markus Eidemüller, Dr. Alexander Ulanowski, Dr. Cristoforo Simonetto, Dr. Pavel Kundrat, Noemi Castelletti, Elena Shemiakina und Dr. Denise Güthlin
Anzahl der Partnerinstitutionen: 9
Link: PASSOS

Das Ziel von PASSOS ist die Abschätzung der Risiken von Krebs und Herz-Kreislauf-Erkrankungen nach medizinischer Strahlenexposition unter Berücksichtigung individueller Faktoren. Es werden Verfahren der Brustkrebstherapie und der Diagnose von Herzerkrankungen untersucht. In beiden Anwendungsfällen konzentriert sich das Vorhaben auf Erkrankungen mit guter Prognose, d.h. auf erwartete Überlebenszeiten von vielen Jahren. Deshalb hat die Abschätzung möglicher Spätfolgen durch die Strahlenexposition eine hohe medizinische, gesellschaftliche und sozio-ökonomische Relevanz.

Für verschiedene Verfahren der Brustkrebstherapie und der Diagnose von Herzerkrankungen wird die Organdosisverteilung im Körper untersucht, dabei sollen die individuellen Eigenschaften des Patienten berücksichtigt werden. Es müssen Risikomodelle unter Berücksichtigung individueller Risikofaktoren für alle Krebsarten und Herz-Kreislauf-Erkrankungen entwickelt werden. Eine besondere Herausforderung ist dabei der sehr große Dosisbereich von niedrigen (ab 10 mGy) bis zu therapeutischen (> 4 Gy) Dosen.

Es soll ein Softwarepaket zur Abschätzung der Spätfolgen für zwei Arten von Anwendungen erstellt werden, zum einen beim Vorliegen einer definierten Organdosis und zum anderen für unterschiedliche Arten der Strahlenanwendung bei Brustkrebs und Herzerkrankungen. Dem behandelnden Arzt soll so eine Orientierungshilfe bei der personalisierten Auswahl verschiedener Therapie- oder Diagnoseverfahren gegeben werden.

Ansprechpartner: Dr. Markus Eidemüller

CONCERT

Projekttitel: CONCERT - European Joint Programme for the Integration of Radiation Protection Research
Laufzeit: 1. Juni 2015 - 31. Mai 2020
Fördernde Institution: Europäische Kommission
Mitarbeiter: Dr. Markus Eidemüller
Links: CONCERT, MELODI, DoReMi, HLEG
Dokumente: MELODIE SRA (09/2016), DoReMi TRA (03/2016), HLEG Report (01/2009)

Das gemeinsame europäische CONCERT Programm zur Integration der Strahlenschutzforschung (European Joint Programme for the Integration of Radiation Protection Research) unter ‚Horizon2020‘ agiert als Dachstruktur für die Forschungsinitiativen, die von den Strahlenschutzplattformen MELODI, ALLIANCE, NERIS und EURADOS gemeinsam gestartet wurden. Bei CONCERT handelt es sich um ein Projekt auf Ko-finanzierter Basis das darauf abzielt, nationale Forschungsanstrengungen anzuziehen und mit europäischen Forschungszielen zu bündeln, um öffentliche Mittel für Forschung und Entwicklung besser zu nutzen, und die allgemeinen europäischen Strahlenschutzaufgaben durch gemeinsame Forschungsanstrengungen in Schlüsselbereichen effektiver angehen zu können.

Im Jahre 2009 hat die ‚European High Level and Expert Group‘ (HLEG) Schlüsselpolitiken und wissenschaftliche Fragestellungen definiert, die durch eine strategische Forschungsagenda (SRA) für Strahlenrisiko nach niedriger Dosis angegangen werden sollen. Sodann haben die Institutionen, die in der Strahlenschutzforschung in Europa aktiv sind, die europäische Forschungsplattform MELODI gegründet. Ein wesentliches Ergebnis von MELODI ist die Entwicklung einer SRA im Bereich der Risikoforschung bei Niedrigdosis und der Empfehlung von kurz- und mittelfristigen Forschungsprioritäten. Ähnliche Aktivitäten im Bereich der Radioökologie und der nuklearen Notfallvorsorge haben entsprechend zur Gründung der Forschungsplattformen ALLIANCE und NERIS geführt. Heutzutage ist CONCERT in einer Position die es ermöglicht, den gesamten Forschungsaufwand all dieser Plattformen (EURADOS als langjährige Organisation ist beigetreten) unter eine Schirmstruktur zu vereinen, um allgemeine Forschungsbedürfnisse im Strahlenschutz gemeinsam anzusprechen und um die finanzielle Förderung von Forschungsprojekten zu organisieren.

CONCERT wird, basierend auf den SRA's der Plattformen, Forschungsprioritäten entwickeln, diese dann entsprechend mit den Prioritäten von teilnehmenden Mitgliedsstaaten koordinieren, und wird dann nach weiterem Input aus der Gesellschaft und den Stakeholdern suchen. CONCERT wird danach streben, die größere wissenschaftliche Gemeinschaft in seine Projekte einzubinden, mit dem Ziel die Bedürfnisse im Strahlenschutz für die Öffentlichkeit, für Menschen die berufsbedingt Strahlung ausgesetzt sind, für medizinische Patienten und für die Umwelt zu decken.

Ansprechpartner: Dr. Markus Eidemüller


CONFIDENCE

Laufzeit: 1. Januar 2017 - 31. Dezember 2019
Fördernde Institution: Europäische Kommission
Mitarbeiter: Dr. Alexander Ulanowski, Elena Shemiakina
Link: CONFIDENCE

Im Rahmen des Task 2.3 “Health risk assessment” des CONFIDENCE Projektes werden strahleninduzierte Risiken nach Notfall-Expositionen untersucht und modelliert. Die betrachteten Endpunkte sind alle soliden Tumore, Schilddrüsenkrebs, weiblicher Brustkrebs und Leukämie. Unter plausiblen Annahmen von Notfall- und Bevölkerungsexpositionen wird eine Benutzer-freundliche Software Anwendung entwickelt. Diese wird es erlauben, schnelle Abschätzungen zu Lebenszeitrisiken für die betroffenen Bevölkerungsgruppen durchzuführen. Robuste phänomenologische Risikomodelle, kompatibel mit denjenigen, die kürzlich von der WHO für Risikoabschätzungen nach Fukushima durchgeführt wurden, werden verwendet um Lebenszeitrisiken zusammen mit einer soliden Abschätzung der assoziierten Unsicherheiten zu berechnen. Wesentliche Elemente der Unsicherheitsabschätzungen sind: i) Verteilungen des Dosis; ii) Unsicherheiten der Modellparameter; iii) Modellunsicherheiten auf Basis der Methode der Multi-Modell-Inferenz; iv) Transfer der Risiken von strahlenepidemiologischen Kohorten auf die Zielbevölkerung; v) stochastische Berücksichtigung von Latenzzeiteffekten. Diese Elemente werden zur Plausibilität der Risikoschätzungen beitragen und das Vertrauen in die Lebenszeitrisiken für relevante europäische Bevölkerungen erhöhen. Die Software Anwendung zur Risikoabschätzung soll in existierende Entscheidungshilfesysteme integriert werden.

Ansprechpartner: Dr. Alexander Ulanowski

ProZES

Projekttitel: Quantitative Abschätzung des Strahlenrisikos unter Beachtung individueller Expositionsszenarien, Teil 2
Laufzeit: 1. Februar 2013 - 31. Dezember 2015
Fördernde Institution: Bundesamt für Strahlenschutz
Budget: 403.180 €
Mitarbeiter: Dr. Alexander Ulanowski, Fr. Elena Shemiakina, Dr. Denise Güthlin, Dr. Jan Christian Kaiser, Dr. Markus Eidemüller
Link: ProZES (BfS Website)

In diesem Projekt werden die Methoden und das Softwareprogramm ProZES entwickelt, um abzuschätzen, welchen Anteil die Strahlenexposition einer Person an einer späteren Krebsentstehung hat. Das aktuelle Projekt führt Entwicklungen aus einer ersten Phase fort (siehe Abgelaufene Projekte (2011-2014) 'Strahlenepidemiologische Tabellen'). Es sollen in diesem Projekt nun alle Krebsarten berücksichtigt werden sowie hoch-LET-Strahlung mit Einflüssen von Latenzzeit, Expositionsraten und weiteren Faktoren. Die Zusammenhangswahrscheinlichkeit Z ist definiert als die Wahrscheinlichkeit, mit der der beobachtete Krebsfall durch frühere Strahlenexposition verursacht wurde, Z=strahleninduzierte Inzidenzrate / totale Inzidenzrate.

Die Krebs-Risikomodelle sind ein zentraler Teil von ProZES. Die meisten dieser Modelle wurden für ProZES neu entwickelt oder an Kohortendaten neu evaluiert. Für Niedrig-LET Strahlung beruhen die Modelle hauptsächlich auf den Inzidenzdaten der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki, die die weltweit größte Studie zu strahleninduziertem Krebs darstellt. Für Radon wurden separate Modelle für Lungenkrebs nach Exposition im Bergbau und in Innenräumen implementiert. ProZES enthält spezialisierte Risikomodelle der häufigsten strahleninduzierten Krebsarten, für Krebs von Lunge, weibliche Brust, Darm, Magen und Schilddrüse. Die Risikomodelle für die weiteren Krebsarten wurden für Gruppen von funktionell verwandten Krebsarten entwickelt.

Die Berechnung der Zusammenhangswahrscheinlichkeit ist mit einer Reihe von methodischen Herausforderungen verbunden. Risiken von der japanischen Bevölkerung müssen auf eine aktuelle deutsche Bevölkerung übertragen werden. Die Methode der Multi-Modell Inferenz wird eingesetzt, um verschiedene Dosisabhängigkeiten gleichermaßen zu berücksichtigen und einen Selektions Bias zu reduzieren. Mit Monte-Carlo Methoden werden verschiedene Quellen von Unsicherheiten abgeschätzt. ProZES wird als Windows Programm mit graphischer Oberfläche in Deutsch und Englisch entwickelt.

Ansprechpartner: Dr. Markus Eidemüller

Software tool
Abb. 1: Screenshot des Software Programms ProZES

Kompetenzverbund Strahlenforschung (KVSF): Verbundprojekt LET: Simulation von Hoch-LET-Effekten mittels fokussierter Niedrig-LET-Strahlung

Projekttitel: KVSF - Verbundprojekt LET: Simulation von Hoch-LET-Effekten mittels fokussierter Niedrig-LET-Strahlung
Laufzeit: 1. Juni 2013 - 31. Mai 2017
Fördernde Institution: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Budget: 238.179 €
Mitarbeiter: Dr. Werner Friedland, Dr. Pavel Kundrát und Dr. Elke Schmitt
Partnerinstitutionen: Universität der Bundeswehr München (Koordinator), Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München, GSI Helmholtz Zentrum für Schwerionenforschung GmbH

Ziel des Projekts ist ein besseres Verständnis der erhöhten relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) von dicht ionisierender Strahlung, also von Strahlung mit hohem LET (Linear Energy Transfer) im Vergleich zu Niedrig-LET-Strahlung. Die Vorhersage der RBW in Abhängigkeit von LET und Teilchenenergien der Ionen soll anhand neuartiger experimenteller Ansätze validiert und verbessert werden. Dieses innovative Verfahren liegt im Einsatz von fokussierten Niedrig-LET-Protonenbündeln an der Ionenmikrostrahlanlage SNAKE der TU München für die Bestrahlung von Zellen im Vergleich mit homogener Bestrahlung mit den gleichen Ionen und Energien sowie der Applizierung der gleichen Dosis mit einzelnen schweren Ionen. Anhand dieser Experimente werden Computermodelle zur Berechnung von RBW in Abhängigkeit des LET und der Ionengeschwindigkeit in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Biophysik der GSI entwickelt und validiert. Umgekehrt soll die Modellierung Hinweise geben, welche Experimente entscheidende Informationen zur Aufklärung von Strahlenwirkungsmechanismen im Rahmen der Modellrechnungen liefern können.

Ziel des am ISS bearbeiteten Teilprojekts ist es, die Abschätzung von Strahlenwirkungen nach Ionenbestrahlung im biophysikalischen Simulationsprogrammpaket PARTRAC zu verbessern und Ergebnisse dieser spurstrukturbasierten Modellrechnungen auch im Rahmen der therapeutischen Anwendung ionisierender Strahlung für deren Optimierung nutzbar zu machen. Dafür soll das DNA-Reparaturmodell in PARTRAC zu einem Zellinaktivierungsmodell weiterentwickelt werden, das diesen Endpunkt aus den Ergebnissen zu DNA-Fehlverbindungen und nicht verbundenen DNA-Enden nach langer Reparaturzeit ableitet. Die Ergebnisse des Projekts zur Wirkung von Hoch-LET-Strahlung sind sowohl für die Tumortherapie mit Ionenstrahlen als auch für die Risikoabschätzung bei Strahlenunfällen für das fliegende Personal und im Rahmen der bemannten Raumfahrt relevant.

Ansprechpartner: Dr. Werner Friedland

EpiRadBio: Krebsrisko nach Exposition mit ionisierender Strahlung mit Dosen in der Größenordnung von oder geringer als 100 mSv

Projekttitel: Combining epidemiology and radiobiology to assess cancer risks in the breast, lung, thyroid and digestive tract after exposures to ionizing radiation with cumulated doses in the order of 100 mSv or below (EpiRadBio)
Laufzeit: 1. April 2011 - 31. März 2015
Fördernde Institution: Europäische Kommission
Gesamtbudget: 9.400.000 €
Koordinator: Dr. Peter Jacob
Mitarbeiter: Dr. Peter Jacob, Dr. Markus Eidemüller, Dr. Pavel Kundrat, Dr. Sascha Zöllner und Dr. Ignacio Zaballa
Anzahl der Partnerinstitutionen: 17
Link: EpiRadBio

Neuere epidemiologische Studien geben Hinweise, dass das Krebsrisiko nach Expositionen, die den Dosisgrenzwerten für beruflich strahlenexponierte Personen entsprechen, höher sein könnten als gegenwärtig von der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP) angenommen ( Highlight: Krebsrisiko nach Exposition mit niedrigen Dosen). Die Höhe der Strahlenrisiken einzelner Krebstypen und -lokalisationen und ihre Abhängigkeiten von Strahlenart und individuellen Faktoren sind im Wesentlichen unbekannt.

Der innovative Forschungsansatz des Projektes kombiniert Epidemiologie und Strahlenbiologie, um Krebsrisiken nach Expositionen mit niedrigen Dosen oder Dosisraten zu erfassen. Schlüsselfaktoren der Karzinogenese nach Strahlenexposition wie die genomische Instabilität werden in Krebsgeweben und Blutproben von Mitgliedern der französischen Kohorte von Hämangioma-Patienten und der Kohorte der Majak-Arbeiter ( Highlight: Majak), und von ukrainischen Schilddrüsenkrebspatienten nach dem Tschernobylunfall analysiert. Der interzelluläre Signalaustausch nach Exposition mit niedriger Dosis und sein Einfluss auf Apoptosis, genomische Instabilität und Zellproliferation und -differenzierung werden mit Zellkulturen und dreidimensionalen Gewebemodellen untersucht. Dies schließt Experimente mit Stammzellen ein, die aus gesundem menschlichem Brustgewebe isoliert werden sollen.

Die Ergebnisse der strahlenbiologischen Experimente werden in Modelle der Karzinogenese nach Strahlenexposition integriert. Mit diesen Modellen werden Daten der folgenden strahlenepidemiologischen Kohorten analysiert: Atombombenüberlebende von Hiroshima und Nagasaki, französische, schwedische und italienische Schilddrüsenkrebspatienten, Majak-Arbeiter, schwedische Hämangioma-Patienten, ukrainische Schilddrüsenkrebspatienten nach dem Tschernobylunfall und beruflich strahlenexponierte Personen in Großbritannien. In den Kohorten werden Krebsrisiken für die weibliche Brust, die Lunge, die Schilddrüse und den Verdauungstrakt nach Exposition mit niedrig-LET-Strahlung (externe Gammastrahlung oder interne Strahlung von inkorporiertem 131I) und für die Lunge nach Exposition mit hoch-LET Strahlung (Alpha-Strahlung von inkorporiertem Plutonium) analysiert.

Basierend auf den Analysen der strahlen-epidemiologischen Daten werden Lebenszeitrisiken in Abhängigkeit von individuellen Risikofaktoren berechnet. Mögliche Anwendungen liegen in einer Überprüfung geltender Dosisgrenzwerte und in einer Optimierung von medizinischen Strahlenanwendungen.

Ansprechpartner: Dr. Peter Jacob


DoReMi - Integrating Low Dose Research

Projekttitel: DoReMi - Low Dose Research towards Multidisciplinary Integration
Laufzeit: 1. Januar 2010 - 31. Dezember 2015
Fördernde Institution: Europäische Kommission
Gesamtbudget: 5.414.780 €
Mitarbeiter: Dr. Markus Eidemüller, Dr. Peter Jacob, Dr. Pavel Kundrat und PD Dr. Helmut Schöllnberger
Links: DoReMi, MELODI, HLEG
Dokumente: DoReMi TRA (09/2010), MELODIE SRA (09/2011), HLEG Report (01/2009)

Obwohl viel über die Auswirkungen von radioaktiver Strahlung bekannt ist, existieren weiterhin große Unsicherheiten und verschiedene Meinungen über Gesundheitseffekte bei niedrigen Dosen. Um die europäischen Forschungsprogramme auf diesem Gebiet zu integrieren, hat die "European High Level and Expert Group" (HLEG) die Bildung einer "Multidisciplinary European Low Dose Research Initiative" (MELODI) vorgeschlagen, die eine Plattform für Forschung bei niedrigen Dosen unter einer gemeinsamen strategischen Forschungsagenda (Strategic Research Agenda, SRA) etablieren soll. Die Agenda soll sich auf Schlüsselfragen zum Strahlenrisiko konzentrieren und einen Fahrplan für die Forschung bei niedrigen Dosen für die nächsten Jahre und Dekaden entwickeln.

Im Jahr 2010 wurde das DoReMi "Network of Excellence" in Rahmen des Euratom FP7 Programms gegründet. DoReMi wird als operatives Netzwerk für die Entwicklung der MELODI-Plattform für die nächsten 6 Jahre, 2010-2015, dienen. Das gemeinsame Forschungsprogramm fokussiert sich auf die Bereiche, die die HLEG als entscheidend für die Klärung der Schlüsselfragen zum Strahlenrisiko erachtet. Im Besonderen sind dies: die Form der Dosisabhängigkeit von Krebs, individuelle Suszeptibilität und Nicht-Krebs-Effekte. Strahlenqualität, Gewebesensitivität und interne Exposition sind "Cross Cutting"-Themen innerhalb der drei Haupt-Forschungsbereiche.

Eine der frühen Aktivitäten von DoReMi ist die Entwicklung der "Transitional Research Agenda" (TRA), die sich auf Ziele konzentriert, die innerhalb von 6 Jahren erreicht werden können oder auf Bereiche, in denen Hindernisse beseitigt werden müssen, um die langfristigen strategischen Ziele zu erreichen. Die TRA ist der erste Schritt im Fahrplan zu einem gemeinsamen europäischen Forschungsprogramm zum Strahlenrisiko bei niedrigen Dosen. Es beschreibt die Methodik, um Forschungsbereiche zu identifizieren, wie Prioritäten gesetzt werden und wie die Forschungsstrategie implementiert wird. Die TRA enthält Details zu den wissenschaftlichen Fragen, den aktuellen Forschungsthemen und gibt einen Ausblick auf künftig zu erwartende wesentliche Forschungsrichtungen. Der Fahrplan und der "Call plan" geben eine frühe Einschätzung zu identifizierten Forschungsprioritäten und zukünftigen Entwicklungen.

Ansprechpartner: Dr. Markus Eidemüller


Projekte vor 2015

Zur Erforschung des Einflusses von ionisierender Strahlung auf die Entwicklung kardiovaskulärer Erkrankungen

Projekttitel: Entwicklung kardiovaskulärer Erkrankungen nach Strahlenexposition mit niedrigen Dosen
Laufzeit: 1. November 2011 - 31. Oktober 2014
Fördernde Institution: Bundesamt für Strahlenschutz
Budget: 469.000 €
Mitarbeiter: Dr. Cristoforo Simonetto und PD Dr. Helmut Schöllnberger

Seit einigen Jahren gibt es eindeutige wissenschaftliche Hinweise auf einen schädigenden Einfluss von hohen Dosen ionisierender Strahlung auf die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Im vorliegenden Projekt sollen mehrere wichtige und neue Datensätze analysiert werden, die sich auf die sog. Majak-Arbeiter beziehen, die externer Gamma- und interner Alphastrahlung ausgesetzt waren. Die Kohorte der Majak-Arbeiter ist u.a. deshalb so wichtig, da diese Arbeiter bei kleinen Dosisraten, also protrahiert, bestrahlt wurden. Im Gegensatz zu den Atombombenüberlebenden ist ihre Expositionssituation daher eher vergleichbar zu jener der Allgemeinbevölkerung.

Das vorliegende Projekt untersucht den Einfluss von ionisierender Strahlung auf die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen beim Menschen. Empirische und mechanistische mathematische Modelle werden an die neuesten epidemiologischen Daten der Majak-Arbeiter angepasst, die vom Southern Urals Biophysics Institute zur Verfügung gestellt werden. Die Anpassung der empirischen Modelle liefert die Form der Dosiswirkungsbeziehungen. Hierfür wird eine innovative Technik verwendet, die sog. Multi-Model-Inference-Methode. Dies erlaubt eine mathematische Superposition von verschiedenen Modellen, sodass man Risikofaktoren berechnen kann, die auf mehreren plausiblen Dosiswirkungsbeziehungen beruhen anstatt nur auf einem einzigen Modell. Die Anpassungen mit einem in unserer Gruppe entwickelten stochastischen mechanistischen Modell für Atherosklerose erlaubt es zu untersuchen, welche Teile dieses Erkrankungsprozesses ionisierende Strahlung beeinflussen kann. Parallel zu diesen Modellierungsanalysen werden am Institut für Strahlenbiologie des Helmholtz Zentrum München Proteomanalysen von Gewebeproben unterschiedlich exponierter Majak-Arbeiter durchgeführt. Die Erkenntnisse aus den Proteomanalysen sollen in die mechanistischen Modelle integriert werden. Damit soll eine bessere quantitative Beschreibung der Risiken von Herz-Kreislauf-Erkrankungen erreicht werden.

Ansprechpartner: Dr. Cristoforo Simonetto


ProCardio: Mathematische Modellierung von strahleninduzierten Herz-Kreislauf-Erkrankungen

Projekttitel: Cardiovascular risk from exposure to low-dose and low-dose-rate ionizing radiation (ProCardio)
Laufzeit: 1. Oktober 2011 - 30. September 2014
Fördernde Institution: Europäische Kommission
Budget: 155.000 €
Mitarbeiter: PD Dr. Helmut Schöllnberger
Anzahl der Partnerinstitutionen: 12

Seit einigen Jahren gibt es eindeutige wissenschaftliche Hinweise auf einen schädigenden Einfluss von hohen Dosen ionisierender Strahlung auf die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Im vorliegenden Projekt wird der Einfluss von kleinen, mittleren und hohen Dosen von ionisierender Strahlung auf die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen im Menschen untersucht. Einer der wichtigsten Datensätze zur Erforschung des Strahlenrisikos ist jener aus der Life Span Study (LSS), d.h. die Daten der Atombombenüberlebenden.

Innerhalb des von unserer Gruppe behandelten Arbeitspaketes werden die neuesten LSS-Mortalitätsdaten für zerebrovaskuläre und kardiovaskuläre Erkrankungen analysiert. Verschiedene parametrische und kategorielle Risikomodelle werden an die Daten angepasst, um die Form der Dosiswirkungsbeziehungen zu bestimmen. Hierfür wird eine innovative Technik verwendet, die sog. Multi-Model Inference-Methode. Dies erlaubt eine mathematische Superposition von verschiedenen Modellen, sodass man Risikofaktoren berechnen kann, die auf mehreren plausiblen Dosiswirkungsbeziehungen beruhen anstatt nur auf einem einzigen Modell.

Ansprechpartner: PD Dr. Helmut Schöllnberger


DoReMi - Task INITIUM

Projekttitel: Track structure and initial events: an integrated approach to assess the issue of radiation quality dependence
Laufzeit: 1. Februar 2012 - 31. Januar 2014
Fördernde Institution: Europäische Kommission
Budget: 85.300 €
Mitarbeiter: Dr. Werner Friedland, Dr. Pavel Kundrát und Dr. Elke Schmitt
Partnerinstitutionen: Universität Pavia, Italien (Koordinator), Institut für Strahlenbiologie des Helmholtz Zentrums München

Das INITIUM-Projekt beschäftigt sich mit der unterschiedlichen biologischen Wirkung verschiedener Strahlenqualitäten durch die Untersuchung räumlich-zeitlichen Muster der elementaren Wechselwirkungen mit Materie. Das Projekt verwendet und erweitert das etablierte physikalisch- biologische Monte-Carlo-Modellierungsprogramm PARTRAC. Zur verbesserten Vorhersage der biologischen Wirksamkeit verschiedener Strahlenqualitäten werden verschiedene Aspekte initialer Schäden und deren Entwicklung auf zellulärer Ebene untersucht:
(1) DNA-Schäden durch Beta-Strahler niedriger Energie in Abhängigkeit vom Verhältnis der Radionuklidkonzentration in Zytoplasma und Zellkern, welches von der molekularen Form des Radionuklids abhängt; (2) Erweiterung der Anwendbarkeit von PARTRAC auf leichte Ionen (Kohlenstoff, Stickstoff; Sauerstoff) mit niedrigen Energien unterhalb von 1 MeV pro Nukleon, um neben den Effekten beim Abbremsen im Gewebe - etwa bei der Strahlentherapie - künftig auch die Energieabhängigkeit der Strahlenwirkung schneller Neutronen infolge von freigesetzten Rückstoßkernen modellieren zu können; (3) Untersuchung der Relation zwischen DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) und durch ionisierende Strahlung induzierten Foci (IRIF) für unterschiedliche Strahlenqualitäten, um aus experimentellen Untersuchungen anhand von IRIF-Daten die Bildung von DSB wie auch die Kinetik ihrer Reparatur zuverlässig ableiten zu können; (4 ) Experimente und Simulationsrechnungen zur Hypothese, dass Mitochondrien wichtige Targets von Niedrigdosis-Strahlung im Rahmen der sogenannten nicht-DNA-vermittelten Strahleneffekte sind.

Ansprechpartner: Dr. Werner Friedland

Strahlenepidemiologische Tabellen

Projekttitel: Quantitative Abschätzung des Strahlenrisikos unter Beachtung individueller Expositionsszenarien
Laufzeit: 1. November 2009 - 31. Oktober 2012
Fördernde Institution: Bundesamt für Strahlenschutz
Budget: 301312 €
Mitarbeiter: Dr. Peter Jacob und Dr. Alexander Ulanovsky

Eine Krebserkrankung einer beruflich strahlenexponierten Person führt in der Regel zu der Frage, ob die Erkrankung durch die Strahlenexposition hervorgerufen wurde. Da Strahlenexposition und andere Faktoren (z.B. Rauchen, Ernährung, genetische Prädisposition oder Viren) in der Krebsentstehung zusammenwirken, ist in solchen Fällen die eigentliche Frage nicht, ob die Erkrankung durch die Strahlung hervorgerufen wurde, sondern welchen Anteil die Strahlenexposition an der Krebsentstehung hatte. Gegenwärtig wird in unserer Arbeitsgruppe ein Programm entwickelt, das die Wahrscheinlichkeit für den Zusammenhang der Krebserkrankung mit der Strahlenexposition abschätzt.

Das Projekt ist der erste Teil eines größeren Projektes. Dieser erste Teil konzentriert sich auf die Methodenentwicklung und die Erstellung eines Computerprogramms für Krebs nach Gamma- und Röntgenstrahlungsexposition derjeniger Organe, in denen Krebs besonders häufig auftritt oder die besonders strahlenempfindlich sind. Dieses sind der Dickdarm, die Lunge, der Magen und die weibliche Brust. Die Abschätzungen der Krebsrisiken beruhen auf den Inzidenzdaten für die Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki. Da verschiedene Modelle basierend auf den gleichen Daten unterschiedliche Aussagen machen können, wird die Methode der Multi-model inference benutzt, um modellunabhängige Risikofaktoren abzuleiten. Für Brustkrebs sollen auch Ergebnisse anderer Studien als die der Atombombenüberlebenden berücksichtigt werden, insbesondere auch um individuelle Risikofaktoren wie z.B. eine Kinderlosigkeit mit berücksichtigen zu können. Bei der Übertragung der Risikofaktoren von den Atombombenüberlebenden auf einen Krebsfall in Deutschland werden aktuelle Daten zum Krebsrisiko in Deutschland und Unsicherheiten, die sich z.B. durch den geringen Kenntnisstand zum Krebsrisiko nach Expositionen mit niedrigen Dosisleistungen ergeben, berücksichtigt. Das Programm berechnet eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Zusammenhang der Erkrankung und einer Strahlenexposition (siehe Tabelle).

Tabelle: Beispiel einer Wahrscheinlichkeitsverteilung für den Zusammenhang einer Darmkrebserkrankung eines Mannes im Alter von 70 Jahren und einer 30-jährigen Exposition beginnend im Lebensalter von 20 Jahren mit jährlichen Dosen von 3 mGy (Gesamtdosis 90 mGy). In diesem Beispiel kann mit 99-prozentiger Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden, dass die Strahlenexposition mit mehr als 24% an der Entstehung der Krebserkrankung beteiligt war. Für Anerkennungsverfahren beruflich bedingter Erkrankungen spielt in Deutschland der Median der Verteilung eine wichtige Rolle. In dem Beispiel hat entsprechend des Medianwertes die Strahlenexposition 9% zur Verursachung der Krebserkrankung beigetragen.

Wahrscheinlichkeit: 50% 90% 95% 99%
dass die Zusammenhangwahrscheinlichkeit zwischen Erkrankung und Exposition geringer ist als:  9% 13% 15% 24%

Ansprechpartner: Dr. Peter Jacob


Kompetenzverbund Strahlenforschung (KVSF): 3D/4D-Architektur von chromosomalen Bruchpunktregionen im Zellkern nach Bestrahlung von Normalzellen und Tumorzellen

Projekttitel: KVSF - 3D/4D-Architektur von chromosomalen Bruchpunktregionen im Zellkern nach Bestrahlung von Normalzellen und Tumorzellen
Laufzeit: 1. Oktober 2010 - 30. September 2013
Fördernde Institution: Bundesamt für Strahlenschutz
Budget: 184.929 €
Mitarbeiter: Dr. Pavel Kundrat und Dr. Werner Friedland
Partnerinstitutionen: Universitäten Heidelberg (Koordinator), Darmstadt und München (LMU und Universität der Bundeswehr)

Im Rahmen des Verbundprojektes sollen Mechanismen der Induktion von Doppelstrangbrüchen (DSB) auf der Ebene struktureller Veränderungen von Chromatinregionen in Zellkernen experimentell und mit Hilfe von Computermodellen untersucht werden. Verschiedene Zelltypen sollen hierzu hinsichtlich zelltypischer Konformationen und räumlicher Strukturen dargestellt und unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen bis in den Niedrigdosisbereich untersucht werden.

Dabei wird die Hypothese untersucht, dass bestimmte Chromatinabschnitte für eine erhöhte Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung onkogener Translokationen prädestiniert sind. Dazu werden spezifische Modelle der Zellkern- und der Chromatinstruktur durch hochauflösende Mikroskopieverfahren unter Verwendung molekularer Markierungsmethoden kalibriert. Diese Modellentwicklungen fließen in das DNA-Targetmodell in PARTRAC und den Code zur Simulation von DNA-Reparaturprozessen ein. Zur Modellierung von Chromosomen-Aberrationen sind spezifische Weiterentwicklungen hinsichtlich der Typen von Chromosomen-Aberrationen und ihrer Nachweisbarkeit nötig.

Ziel des Projektes ist es, ein durch experimentelle Daten abgesichertes mechanistisches Modell der Strahlenwirkung zu erzeugen, das zur Abschätzung der karzinogenen Wirkung niedriger Strahlendosen wichtige Beiträge liefern wird. Die Erweiterungen und Entwicklungen sowohl der Simulations- als auch der experimentellen Untersuchungsmethoden im Verbund werden eine Vielzahl an Daten und Techniken produzieren, um die grundlegenden Mechanismen und Prozesse zu verstehen, die in Zellen als Folge einer Bestrahlung entstehen.

Ansprechpartner: Dr. Werner Friedland

Kompetenzverbund Strahlenforschung (KVSF): Individuelle Strahlenempfindlichkeit und genomische Instabilität

Projekttitel: KVSF - Individuelle Strahlenempfindlichkeit und genomische Instabilität
Laufzeit: 1. Januar 2009 - 31. Dezember 2011
Fördernde Institution: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Budget: 252.449 €
Mitarbeiter: Dr. Markus Eidemüller und Dr. Peter Jacob

Epidemiologische Studien zeigen eine klare Evidenz für einen strahlenbedingten Anstieg der Krebshäufigkeit bei Dosen oberhalb von 100 mGy. Da aber die Tumorigenese ein stochastischer Prozess ist, lässt sich für einen individuellen Fall keine sichere Aussage über die Beteiligung einer vorhergegangenen Strahlenexposition machen.

Strahlenexpositionen können möglicherweise in gesundem Gewebe oder in Krebsvorläuferzellen eine genomische Instabilität bewirken. Diese kann ein wichtiger Faktor in einer mit der Strahlenexposition assoziierten Karzinogenese sein. Um mögliche Auswirkungen einer strahleninduzierten genomischen Instabilität auf das Krebsrisiko zu untersuchen, werden Mechanismen einer genomischen Instabilität in mathematische Modelle der Karzinogenese eingebaut. Geeignete epidemiologische Kohorten werden dann mit diesen Modellen untersucht und die Konsequenzen für das Krebsrisiko abgeschätzt.

Zwischen Individuen gibt es eine bisher noch weitgehend unverstandene Variabilität des strahleninduzierten Krebsrisikos. Besondere Bedeutung erlangt diese Frage in der Strahlentherapie, in der akute Gewebsschädigungen starke Komplikationen in der Behandlung auslösen können. Ebenso stellt das Auftreten von Therapie-assoziierten Sekundärtumoren eine Gefahr dar, die individuell sehr verschieden ausfallen kann. Die schwedische Hämangioma-Kohorte wird zusammen mit dem Brustkrebsrisiko der Mütter und Schwestern untersucht. Aus einem Vergleich der familiären Prädisposition und dem Risiko nach einer Strahlenexposition wird die Variabilität des individuellen bzw. familiären Risikos abgeschätzt.

Ansprechpartner: Dr. Markus Eidemüller