Strahlenbiologie / Radiation Biology: Teil 1 / Part 1

ISBN-13: 9783642999017 / Angielski / Miękka / 2012 / 726 str.

A. Zuppinger

Opis

Die Strahlenbiologie hat sich von einem Forschungszweig, mit dem sich noch vor wenigen J ahrzehnten nur die Strahlentherapeuten und vereinzelte Biologen beschaftigten, zu einem Arbeitsgebiet entwickelt, das die gesamte Medizin und weiteste Gebiete der Biologie interessieren muB. Auf dem Gebiet der Radiologie wird die Radiobiologie von zwei verschiedenen Richtungen gefOrdert. Einerseits - hier ist der Ursprung dieser vVissenschaft zu suchen - ergeben sich aus der klinischen Beobachtung Fragestellungen, die man auf experimentellem Veg zu beantworten versucht. Andererseits bearbeitet eine besondere Gruppe von Biologen, die vornehmlich die ionisierende Strahlung als Instru ment benutzt, ihre Probleme. Beide Gebiete haben enge Verbindung, sollten sich gegen seitig fOrdern und konnen auch vereint, sogar durch dieselbe Person, ihre praktische Auswirkung erfahren. Zuerst haben die Radiologen ihre mannigfaltigen Probleme selbst aufzuklaren versucht. Mit zunehmender Verbesserung und Verfeinerung der Methode hat sich im Rahmen der Radiologie die besondere Arbeitsrichtung der Radiobiologie ausgesondert, die heute zum Teil eigene Wege geht. Die Radiobiologie gewinnt fur die Strahlentherapie immer mehr an Bedeutung, so daB man versucht ist, die Hoffnung auszudrucken, daB die Radiobiologie berufen sein wird, die Radiotherapie aus der empiri schen Sphare in eine exakt fundierte zu fum'en. In noch starkerem MaB hat sich auf dem Gebiet der Radiodiagnostik die Situation gewandelt. Ohne grundliche radiobiologische Kenntnisse kann die Anwendung ionisierender Strahlen fUr Untersuchungszwecke heute nicht mehr verantwortet werden. Die Nuclearmedizin vereinigt auf radiobiologischem Gebiet die Forderungen, die fur Radiotherapie und -diagnostik aufgestellt wurden.

Spis treści

von Bd. II/I.- A. Direct and indirect effects of ionizing radiations.- I. History.- Primary physical steps.- II. The direct action theory.- 1. Sigmoid-shape survival curves.- 2. Genetic effect caused by single hits in genes.- 3. Estimate of target sizes.- 4. Associated volume-method modified for very large targets and soft Roentgen rays.- a) Further factors involved in the estimation of target-sizes.- b) Extension of experiments with dry substances.- c) Summary.- III. A contrasting point of view.- IV. The indirect action theory.- 1. The formation of radicals in water by irradiation.- 2. Criterion of the indirect action: the “dilution effect”.- 3. The protection effect.- 4. Futher yield — dose relationships.- 5. The yield-concentration dependence for the deamination of amino acids.- 6. The protection effect as an analytical tool.- 7. Note on radiation “Yield”.- 8. Interrelation between direct and indirect mode of action of radiation.- 9. The oxygen effect.- 10. The effect of inert gases and of nitric oxide (NO) in relation to the oxygen effect.- 11. Water content as a modifying factor of radiation sensitivity.- 12. Phase effect.- 13. Radiation effects in polymers.- 14. The significance of microwave spectroscopy (electron spin resonance).- V. Clinical applications.- VI. Concluding remarks.- References.- B. Strahlenchemie des Wassers, wäßriger Lösungen und einfacher organischer Verbindungen.- I. Allgemeine Gesichtspunkte der Darstellung strahlenchemischer Ergebnisse.- 1. Begriff und Ziel der Strahlenchemie.- 2. Strahlenchemische Ausbeute.- 3. Dosimetrische Grundlagen.- 4. Chemische Nachweisverfahren.- a) Manometrie.- b) Viscositätsmessung.- c) Chromatographie und Elektrophorese.- d) Titration.- e) Colorimetrie und Spektralphotometrie.- f) pH-Messung und Konduktometrie.- g) Radioisotopennachweis.- h) Die paramagnetische Resonanzabsorption.- i) Massenspektrometrie.- II. Strahlenchemie anorganischer wäßriger Systeme.- 1. Strahlenchemie des Wassers.- a) Einleitung und Allgemeines.- b) Strahlenchemische Primärreaktionen des Wassers.- ?) Hochionisierende Strahlungen.- ?) Strahlungen mit geringer spezifischer Ionisation.- ?) Einfluß des Sauerstoffes.- ?) Elektronische Zustände in bestrahltem Eis.- 2. Die Strahlenoxydation von Eisensulfat.- a) Allgemeines.- b) Analytische Meßverfahren.- c) Absolutmessung des Umsatzes.- d) Phänomenologie der Eisen(II)-Strahlenoxydation.- e) Natur der aktiven Wasserprodukte.- f) Luft- respektive O2-Gehalt.- g) Strahlungen mit verschiedener spezifischer Energieabgabe.- 3. Strahlenchemie anderer wäßriger Elektrolytlösungen.- a) Einfache Strahlenoxydationen.- b) Einfache Strahlenreduktionen.- c) Wirkungen in Stoffgemischen.- 4. Kritischer Ausblick.- III. Strahlenchemie einfacher organischer Verbindungen.- 1. Abgrenzung des Gegenstandes.- 2. Die organische Molekülbindung.- a) Allgemeines.- b) Modellmäßige Darstellung der Molekülbindung.- c) Verfeinertes wellenmechanisches Modell.- d) Die Bindungsverhältnisse des Kohlenstoffatoms.- e) Bindungsenergien.- 3. Strahlenreaktionen in der Gasphase.- a) Einfachste Kohlenstoffverbindungen.- b) Butane und ungesättigte C4-Kohlenwasserstoffe.- ?) Butane.- ?) Butene.- ?) Butadiene.- c) Octane.- 4. Strahlenchemische Reaktionen in konventionellen Systemen.- a) Kohlenwasserstoffe.- ?) Methan.- ?) Andere gasfürmige Paraffine.- ?) Hörhere Paraffine.- ?) Ungesättigte Kohlenwasserstoffe.- ?) Cyclische Kohlenwasserstoffe.- ?) Gemische zwischen Benzol und anderen Stoffen.- b) Organische Halogenverbindungen.- c) Sauerstoffhaltige Verbindungen.- ?) Alkohole.- ?) Äther.- ?) Aldehyde und Ketone.- ?) Säuren.- d) Stickstoff- und schwefelhaltige Verbindungen.- e) Organische Lösungen.- IV. Strahlenchemie wäßriger Lösungen einfacher organischer Stoffe.- 1. Allgemeines.- 2. Aliphatische Kohlenwasserstoffe.- 3. Benzol.- 4. Halogenverbindungen.- 5. Sauerstoffhaltige Verbindungen.- a) Alkohole.- b) Aldehyde.- c) Säuren.- 6. Stickstoffhaltige Verbindungen.- a) Amine.- b) Aminosäuren.- 7. Schwefelhaltige Verbindungen.- 8. Farbstoffe.- 9. Stoffe verschiedener Zusammensetzung.- 10. Einige organische Synthesen.- Literatur.- C. Changes in macromolecules produced by ionizing radiations.- I. Macromolecules as the site for the initial chemical lesion.- II. The different types of effects produced in macromolecules.- 1. Influence of external factors on radiation effects in macromolecules.- a) Oxygen.- b) Protection by added substances.- III. Crosslinking and degradation of synthetic polymers.- 1. Degradation.- 2. Inter-molecular crosslinking.- 3. Intra-molecular crosslinking.- 4. Relation between structure and radiation response.- a) Direct action.- b) Indirect action.- 5. Intra-molecular energy transfer and electron spin resonance of trapped radicals.- IV. Effect of radiation on the structure of proteins.- 1. Indirect action.- a) Oxygen effect.- b) Difference between irradiation with ?-particles and with Roentgen rays.- 2. Direct action.- Oxygen effect, protection and e.s.r. signals.- V. Effect of radiation in nucleic acids and nucleoproteins.- 1. Indirect action.- a) Changes in size and shape.- a) Changes in size and shape.- b) Chemical changes.- c) Changes produced in cellular nucleoproteins.- 2. Direct action.- a) Effect on nucleoprotein.- b) Action of polonium ?-particles.- c) Trapped radical and protection by added substances.- VI. Changes produced in polysaccharides.- VII. Biological implications.- References.- D. Irradiation effects on enzymes (in vitro).- 1. Introduction.- 2. Earlier literature.- 1. Denaturation of proteins and enzymes.- 1. SH enzymes.- 2. The “mixed disulphide” hypothesis.- 3. Non-SH groups in protein molecules affected by radiation.- II. Inactivation of enzymes in aqueous solutions.- 1. Radiation yields.- 2. Surface films of enzymes.- 3. Which of the primary or secondary radiation products from water are the active agents of radiation effects?.- 4. The effect of densely-ionizing radiations on enzymes (?-radiation).- 5. Conjugated enzymes.- III. Modification of enzymic characteristics.- 1. Change of the Michealis constant.- 2. Bifunctional enzymes.- 3. After-effects.- IV. Irradiation of interrelated enzyme systems.- V. Concluding remarks.- References.- E. Einfluß der Strahlenqualität auf die Strahlenwirkung.- I. Einleitung.- II. Der lineare Energietransfer (LET).- III. Die Abhängigkeit physikalischer und chemischer Strahlenwirkungen von der Strahlenqualität.- IV. Die Abhängigkeit biologischer Strahlenwirkungen von der Strahlenqualität.- 1. Biologische Elementareinheiten.- 2. Zelle und Zellteilung.- 3. Organe und Gewebe.- 4. Letaleffekte und Wachstumshemmung bei höheren Organismen.- 5. Früh- und Spätreaktionen.- 6. Nebenbedingungen.- V. Die biophysikalische Deutung.- VI. Die RBW ionisierender Strahlenarten in Strahlentherapie und Strahlenschutz.- Literatur.- F. Der Zeitfaktor.- I. Einleitung.- 1. Historisches.- 2. Erläuterungen einiger Begriffe.- II. Theoretischer Teil.- 1. Voraussetzungen für das Zustandekommen eines Zeitfaktors.- 2. Allgemeiner mathematischer Ansatz.- a) Die Kinetik der Strahlenwirkung.- b) Berücksichtigung des Zeitfaktors im mathematischen Modell.- c) Die reversible und die irreversible Komponente der Strahlenwirkung.- d) Die verschiedenen Wirkungsstufen, auf denen es zu einem Zeitfaktor kommen kann.- e) Berücksichtigung der spontanen physiologischen Abläufe.- 3. Mathematische Modelle für komplexere Strahlenreaktionen.- III. Experimenteller Teil.- 1. Celluläre Strahlenwirkungen.- a) Celluläre Sofortreaktionen.- b) Mitosestörungen.- ?) Mitosehemmung.- ??) Kontinuierliche Bestrahlung.- ??) Fraktionierung.- c) Zelltod.- d) Ultrafraktionierung.- e) Neuere Zeitfaktorstudien an Zell- und Gewebekultnren.- f) Zeitfaktor und RBW bei cellulären Strahlenwirkungen.- 2. Der Zeitfaktor bei geweblichen Strahlenwirkungen.- a) Mausergewebe.- ?) Blutbildende Organe und peripheres Blut.- ??) Kontinuierliche Bestrahlung.- ??) Fraktionierung.- ?) Schleimhäute.- ?) Gonaden.- ??) Hoden.- ??) Ovar.- b) Nervensystem.- ?) Funktionelle Störungen.- ?) Morphologisch faßbare Veränderungen.- ?) Das zentralnervöse Syndrom bei sehr hohen Strahlendosen.- 3. Die akute Strahlenmortalität.- a) Die Erholung bei Totalbestrahlung (Fraktionierungsversuche).- b) Protrahierung.- 4. Störungen der Embryonalentwicklung.- 5. Wachstumsstörungen des Skeletsystems.- 6. Strahlenspätschäden unter besonderer Berücksichtigung des Strahlenkrebses.- a) Der Strahlenkrebs.- b) Strahlenkatarakt.- c) Andere degenerative Strahlenspätschäden, Lebensverkürzung und vorzeitige Alterung.- 7. Strahlengenetik.- a) Punktmutationen.- b) Chromosomenaberrationen.- 8. Zeitfaktorstudien an Tiertumoren.- IV. Klinischer Teil.- 1. Einleitung.- 2. Übliche Methoden der Protrahierung und Fraktionierung.- 3. Formales zur graphischen Darstellung äquivalenter Röntgendosen.- 4. Der Zeitfaktor bei der Strahleneinwirkung auf Haut und Tumoren und seine Bedeutung für die Strahlentherapie.- a) Haut.- ?) Protrahienmg, Fraktionierung mit veränderter aktueller Dosisleistung.- ?) Zeitfaktor bei Fraktionierung.- b) Andere Zeitfaktorbeobachtungen.- c) RBW und Zeitfaktor.- d) Klinische Beobachtungen über den Zeitfaktor an Tumoren.- e) Kritik der klinischen Zeitfaktorbetrachtungen.- 5. Verschiedene Fraktionierungsverfahren.- Literatur.- G. Some aspects of the effects of radiations on the metabolism of tissues and tumours.- Basic mechanisms.- 1. Effects of radiations on metabolic processes in relation to radiosensitivity.- a) Introductory discussion.- b) Highly radiosensitive biochemical changes: observed after small doses up to about 100–150 rads.- ?) Effects on the metabolism of organic phosphates and related biochemical changes.- ??) Increase of organic acid-soluble phosphorus content of leukocytes and erythrocytes.- ??) Increase in acid-hydrolysable phosphate in Phycomyces Blakesleeanus.- ??) Decrease of mitochondrial phosphorylation and related biochemical changes, including loss of NAD (DPN).- ??) Inhibition of nuclear phosphorylation.- ?) Loss of sodium and potassium from cell nuclei after irradiation in vivo and in vitro.- ?) Effects on nucleic acid metabolism and associated changes.- ??) Inhibition of the incorporation of precursors into the DNA of highly radiosensitive cells.- ??) Radiosensitivity of the synthesis of fractions of the nuclear RNA and related observations of fundamental biochemical interest.- ??) Accumulation of nucleotides and RNA.- ??) Changes in nucleoproteins and related compounds demonstrable by fluorescence microscopy.- ??) Decrease of concentration of cytoplasmic solids of lymphocytes after irradiation.- ??) Labilization of deoxyribonucleoproteins and effects on the nucleoprotein system of the nucleus after irradiation in vivo.- ??) Effects of small doses of radiation on preparations of deoxyribonucleoproteins in vitro.- ?) Highly radiosensitive changes in the matrix of connective tissues.- ?) Temporary oedema after irradiation.- ?) Increase in the activity of certain enzymes and enzyme systems after irradiation.- ??) Cathepsin.- ??) Acid deoxyribonuclease.- ??) Ribonucleases.- ??) 5-Nucleotidase.- ??) Acid phosphatase and ?-glucuronidase.- ??) Delta-aminoaevulic acid dehydrase (ALAD).- ??) Tryptophane-auxin enzyme of animal tissues.- ??) Plasma peptidase.- ??) Transaminase activities of serum.- ??) Synthesis of antibodies.- ??) Level of 17 -hydroxycorticosteroids in plasma in man.- ?) Decrease in enzyme activity after irradiation with small doses.- ??) Nuclear catalase and evidence concerning its relationship to radio-sensitivity.- ??) Cholinesterase activity of blood and serum, and some effects on acetyl-choline metabolism.- ?) Increased rate of formation of methaemoglobin in mammalian red blood cells after total body irradiation with very small doses.- ?) Effects on iron metabolism.- ??) Depression of tracer iron uptake curve in rat erythrocytes after total body irradiation with small doses.- ??) Effects on plasma iron concentration after total body irradiation with small doses.- ?) Various biochemical effects of small doses of radiation.- ??) Studies of blood cells using methionine-35S.- ??) Depletion of the ascorbic acid content of the adrenal gland.- ??) Biochemical changes in the radiosensitive mould Phycomyces Blakesleeanus.- ?) Relation between 5-hydroxy-tryptamine (serotonin) and the effects of irradiation at low dose levels.- ?) Urinary excretion of metabolites after irradiation with particular reference to small doses.- ??) Increased urinary excretion of taurine and other amino-acids, except BAIBA.- ??) Increased urinary excretion of beta-aminoisobutyric acid (BAIBA).- ??) Increased urinary excretion of deoxycytidine.- ??) Urinary deoxyribonucleases.- ??) End products of metabolism of 5-hydroxy-tryptamine.- ??) Decreased urinary excretion of 2-aminoethanol after irradiation.- ??) “Corticoid-like substances”.- ?) Relevant electronmicroscopical studies observed after small doses of radiation.- ?) Certain physiological and biophysical changes of biochemical interest observed after irradiation with small doses.- ??) Effects of small doses of radiation on the nervous system.- ??) Effects on visual function.- ??) Reflex-like responses of lower animals to ionizing radiation.- ??) Effects of small doses of radiation on an electrical potential difference in the onion root.- ??) Inhibition of salivary secretion.- ??) Effects on mast cells.- ?) Some relevant highly radiosensitive physical and physico-chemical changes.- ??) Changes in the ?-potential of colloids after irradiation at low dose levels.- ??) Some other studies of the effects of radiation on colloids.- ??) Electron spin resonance studies.- 2. The role of DNA in the effects of ionizing radiations on the metabolism of normal tissues and malignant tumours.- a) Effects of radiation on the division cycle of proliferating cells and on the metabolism of DNA.- b) Further evidence concerning the problem of the action of radiation on DNA synthesis.- c) Relative biological efficiency for inhibition of DNA synthesis.- d) Further evidence concerning the biochemical effects of irradiation, in relation to DNA synthesis, especially during the G1 phase.- e) Relationship between the inhibition of DNA synthesis by ionizing radiation and the content of NAD (DPN).- f) Some general considerations including effects of irradiation in the G2 phase.- 3. Some aspects of the relationship between DNA and RNA and protein synthesis, with special reference to the effects of irradiation.- 4. Evidence concerning the effects of irradiation in vivo on DNA and nucleoproteins.- 5. Effects of irradiation in vitro on DNA and nucleoproteins.- 6. Tentative conclusions.- H. Genetic effects of ionizing radiations.- I. Introduction and description of the genetic materials.- 1. Scope.- 2. The genetic apparatus.- a) The bearers of the genetic information.- b) Cell division.- c) Chromosomal genes.- d) Non-chromosomal genes.- e) Meiosis.- f) Somatic crossing over.- g) Sex determination.- h) Responses to radiation.- II. Effects on the genetic materials.- 1. Changes in the fine structure.- a) Kinds of gene change.- b) The nature of the mutated gene. Kinds of evidence.- c) Evidence from recombination.- d) Evidence from reversible and irreversible mutations.- e) Evidence from comparisons of induced and spontaneous mutations.- f) Mechanisms of mutation. Target theory and copy error theory.- g) Evidence from the times of completion of mutations.- h) Evidence from irradiated viruses.- i) Evidence from chimaeras and sectorials.- k) The coding of the genetic information.- 2. Coarse changes.- a) Kinds of change in the gene string.- b) Breakage and its consequences.- c) The distance over which rejoining may occur.- d) The proportion of breaks which restitute.- e) The time over which the breaks remain open.- f) Number of ionizations required to produce a break.- g) Induced crossing over.- 3. Genetic consequences of physiological damage.- a) Methods of study.- b) Spindle effects and induced polyploidy.- c) Chromosome stickiness.- d) Division lag.- 4. Non-chromosomal structures.- 5. Effects during prolonged interphase.- III. Response in relation to dose and its distribution in time and space.- 1. Linear responses with dose.- a) Gene mutations.- b) Single hit chromosome and chromatid aberrations.- c) Changes of uncertain origin.- 2. Non-linear responses with dose.- a) Two-hit rearrangements.- b) High dose effects.- 3. Dose rate and fractionation effects.- 4. Ion density effects.- IV. Sensitivity, resistance and the modification of genetic damage.- 1. Sensitivity of the nucleus and cytoplasm.- a) Microbeam experiments.- b) Other tests.- 2. Natural variations in sensitivity.- a) Chromosome number and size.- b) Polyploidy.- c) Stages in the mitotic cycle.- d) Diffuse centromeres.- 3. Mutations to radioresistance.- 4. Artificial modification of the effects.- a) Oxygen and other gases.- b) Temperature, infra-red and ultraviolet.- c) Other modifying agents.- 5. Extent of the opportunity for post-irradiation repair of genetic damage.- V. Radiomimetic effects.- 1. Ultraviolet and photoreversal.- 2. Mustard gas and other organic chemicals.- 3. Inorganic agents.- 4. Mutagenicity and carcinogenicity.- VI. Effects in individuals, populations, mammals and man.- 1. Heritable effects in individuals.- a) Dominant lethal changes.- b) Hereditary partial sterility.- c) Dominant sterility.- d) Dominant gene mutations.- e) Recessive lethal and deleterious mutations.- f) Sex linked mutations.- g) Rate doubling dose.- h) Continuously variable characters.- i) Detriment versus benefit.- k) Induced as compared with natural mutations.- 2. Effects in populations.- 3. Effects in somatic cells.- a) Causes of cell destruction.- b) Tumour induction.- c) Cell population dynamics.- d) Aging of exposed individuals.- 4. Mammalian studies relating to hazards.- a) Chromosomal effects.- b) Specific locus mutations.- c) Induced mutation rates.- d) Dose-rate effects.- e) Male and female sensitivity.- f) The possibility of recovery.- g) Heritable effects on longevity.- h) Other quantitative characters.- i) Somatic mutations.- k) Applications to man.- 5. Human studies.- a) Congenital abnormalities.- b) Effects on the sex ratio.- c) Somatic mutation.- 6. Quantitative assessments of hazards.- a) Frequencies of hereditary diseases.- b) Mutation versus selection.- c) Doubling dose for man.- d) Calculations based on the prevalence of hereditary disease.- e) Calculations based on total “genetic deaths”.- f) Calculations based on consanguineous marriage data.- g) Quantitative characters.- h) Incompleteness of present information and methods of study.- 7. Problems of permissible exposures.- Namenverzeichnis — Author-Index.