Die Ablagerung radioaktiver Substanzen im Knochen PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS NORD RHEIN-WESTFALEN Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. leo Brandt Nr. 394 Privatdozent Dr. med. Wilhelm Koch Oberarzt der Orthopädischen Universitätsklinik und Poliklinik (Hüfferstiftung) Münster (Westf.) Direktor: Prof. Dr. med. 0. Hepp Die Ablagerung radioaktiver Substanzen im Knochen Als Manuskript gedruckt SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1958 ISBN 978-3-663-03398-1 ISBN 978-3-663-04587-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04587-8 Forschungsberichte des W~rtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e d e r u n g s. A. Prinzipien radiologischen Denkens und Arbeitens • 7 . . . . . . . . . . s. I. Die radioaktiven Strahlenarten 10 . . . . . . . . . s. 1. Alpha-Strahlen. 10 . . . . s. 2. Beta-Strahlen 11 . . . . . . . . . . . . . 3. Gamma-Strahlen • s. 12 . . . . . . . . . . . 4. Gamma-Absorption • s. 12 . . . . . . . s. II. Die biologische Strahlenwirkung • 13 . . . . . . . s. III. Der Nachweis radioaktiver Substanzen 15 . . . s. 1. Die Maßmethode mit dem GEIGER-MÜLLER-Gerät • 15 . . . . . . . s. a) Die Trockenveraschung der Gewebsproben • 18 . . s. b) Die Flüssigveraschung der Gewebsproben • 19 . . . . . . . . . . . . . s. c) In vivo-Messungen 21 2. Die Autoradiographie zum Nachweis radioaktiver Sub- s. stanzen im Gewebe 21 . . . . . . s. a) Die autoradiographische Technik • • • • • 24 . . s. b) Stripping-Film-Methode • • • • • • • • • • 26 . . . . . . . s. IV. Dosierungsfragen und Toleranzdosen 28 . . . . . . . . . . s. V. Strahlenschäden 32 s. 1. Die akuten und subakuten Strahlenschädigungen 33 . . . . . s. 2. Spätschäden und Spätschädigungen • 35 s. 3. Strahlenschäden der Keimdrüsen und des Erbgutes 39 s. VI. Der Strahlenschutz und seine Durchführung ••••• 41 B. Die Anwendung radioaktiver Isotope in der medizinischen Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s. 44 I. Indikator- und strahlenbiologische Untersuchungen des Knochengewebes mit natürlichen radioaktiven Isotopen s. 46 . . . . . . . . 1. Uran-Radium-Reihe s. 46 . . . . 2. Thorium-Reihe s. 48 3. Thorium X-Reihe s. 51 4. GEIGER-MÜLLER-Messungen über die abweichende ThX- und ThB-Verteilung im menschlichen Organismus und beim . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaninchen s. 61 Seite 3 Förschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 5. Die Ausscheidung von Thorium X und seinem Nachfolge produkt Thorium B beim Menschen nach parenteraler und . . . . . . . . . . . . . . oraler Anwendung • • • s. 68 6. Was ist von in vivo Messungen am Menschen bei der ThX- . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendung zu halten s. 71 7. Autoradiographische Untersuchungen über die Organver- teilung von ThX und ThB· beim Kaninchen • • • • • • • • S. 72 8. Autoradiographische Untersuchungen über die ThX-Ver- . . . teilung im Knochengewebe • • • • • • • • • • s. 76 a) Die ThX-Ablagerung in der Wachstumsfuge • • • s. 76 . . . . b) Die ThX-Ablagerung im frischen Frakturkallus • s. 19 c) Die ThX-Ablagerung in pathologischen Gewebsverkal- . . . . . . . . . . . . . . . . . . kungen •••• s. 80 9. Physiologische Knochenstudien mit Thorium X beim . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaninchen s. 82 a) Radiographische Untersuchung der Knochenbruchheilung • S. 82 b) Radiographische Untersuchungen über die Autotransplan tation des periostgedeckten und periostfreien Tibia- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . span • s. 84 10. Die biologische Wirkung und der Einfluß der Alpha Strahlung auf die enchondrale und endesmale Ossifi- . . . . . . . . . . kation • • • • • • • • • • • • • • s. 88 a) Die Störung des Fugenwachstums durch Thorium X • • • • s. 88 b) Verzögerter Fugenschluß beim Kaninchen nach der Tho- . . . . . . . . . . . . . . . . . . rium X-Behandlung s. 96 c) Der Einfluß von Vitamin D auf das durch Thorium X ge- störte Fugenwachstum beim Kaninchen • • • • • • • • • S. 100 11. Andere mit einer Fugenwachstumsstörung einhergehende Krankheitsbilder im Vergleich zu den durch Thorium X . . . . . . . . . bedingten Fugenveränderungen • s. 103 . . . . . . . . . . . . a) Rachitis • • • • • • • • • • • s. 103 . . . . . . . . . . b) Kongenitale Knochensyphilis s. 104 . . . . . . . . . . . . 12. Exogen toxische Osteopathien • s. 106 . . . . . . a) Blei • s. 107 . . . . . . . b) Phosphor s. 108 Seite 4 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 13. Der Einfluß der Alpha-Strahlung auf die Knochenbruch- heilung des Kaninchens bei der Thorium X-Behandlung • S. 110 a) Der hormonelle Einfluß auf die experimentelle Fraktur- heilung im Vergleich zu Thorium X • • • • • • • • • • S. 114 14. Die Alpha-Strahlung verhindert die endesmale, hetero tope Knochenbildung im Nierenbecken des mit Thorium X . . . . . behandelten Kaninchens s. 115 15. Zusammenfassung der experimentellen Thorium X-Studien S. 116 II. Indikatoruntersuchungen des Knochengewebes mit künst lichen radioaktiven Isotopen und der Einfluß der Beta s. und Gamma-Strahlung auf die Ossifikationsvorgänge 118 1. Der Einfluß der Beta-Strahlung auf die enchondrale und endesmale Ossifikation bei der innerlichen Anwen- dung künstlicher Radioisotope • • • • s. 119 . . . . . a) Radiophosphor, P32 •• s. 119 1) Die Verteilung von p32 im wachsenden Knochen s. 120 2) Der Einfluß von P32 (Beta-Strahler) auf das Fugen- . . . . . . . . . . . . . . . . wachsturn s. 121 3) Der Einfluß von P32 auf die Knochenbruchheilung und s. die endesmale Knochenbildung in der Niere • • • • 123 b) Radiostrontium, sr89 • • • • • • • s. 125 2. Der Einfluß der Gamma-Strahlung auf die enchondrale Ossifikation bei der innerlichen Anwendung von Radio- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . gold, Au 198 s. 129 a) Der Einfluß harter Röntgenstrahlen auf die Ossifi- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kation s. 138 C. Die innerliche Anwendung von radioaktiven Isotopen in der Klinik und ihre Bedeutung für die Orthopädie • • • S. 139 I. Die Ergebnisse einer fünfjährigen intravenösen Thorium X-Behandlung der Spondylarthritis ankylopoetica • • • s. 140 II. Die Behandlung der Myositis ossifieans progressiva mit Thorium X • • • • • S • 1 64 . . . . . . . . . . . D. Literaturverzeichnis • s. 170 E. Anhang: Abbildungen Seite 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen A. P r i n z i p i e n r a d i o 1 o g i s c h e n D e n k e n s u n d A r b e i t e n s Jegliche Art der Anwendung radioaktiver Substanzen in der Medizin setzt ein gründliches Vertrautsein mit den wichtigsten radiologischen Fragen voraus. Hierbei läßt es sich nicht vermeiden, auch auf kernphysikalische Probleme einzugehen. Sie erklären letzten Endes die biologische Bedeutung der radioaktiven Strahlung. Unsere Kenntnisse über den Atomaufbau sind eng mit der Entdeckung der Radioaktivität1) durch BECQUEREL im Jahre 1896, ein Jahr nach der Entdek kung der Röntgenstrahlen, verbunden. BECQUEREL gelang die wichtige Fest stellung, daß Uranverbindungen, u92, i·n der Lage sind, durch die Kassette hindurch eine Fotoplatte zu belichten, wie man es bis dahin nur von der Lichtstrahlung kannte. Zwei Jahre später fand CURIE das Radium, Ra88, und das Polonium, Po84. Um die Jahrhundertwende entdeckte E.C. SCHMIDT das Thorium und 1902 gelang RUTHERFORD und SODDY die Darstellung von Thorium X. Nach ZIMEN sind heute 51 natürliche radioaktive Atomarten bekannt, die 18 verschiedenen Elementen von Thallium, T81 , bis zum Uran, u92, angehö ren. SODDY u.a. fiel bei der Erforschung natürlicher radioaktiver Sub stanzen auf, daß ein und dasselbe Element aus den verschiedensten Atom arten zusammengesetzt sein kann, ohne daß sich dadurch die chemischen Eigenschaften des Elementes ändern. Sie führten hierfür den Begriff der Isotopie ein. Zum besseren Verständnis sei hier ganz kurz der Aufbau eines Atoms ge schildert (Abb. 1). Der Atomkern wird von dem positiven Proton und dem elektrisch neutralen Neutron gebildet. Beide sind gleich schwer und be stimmen das Atomgewicht. Die positive Kernladung wird durch die gleiche Zahl von negativ geladenen Elektronen, die in den Atomhüllen liegen, kom pensiert. Die Zahl der positiv geladenen Protonen ist ausschlaggebend z, für die Ordnungszahl welche die 92 stabile Elemente im periodischen System besitzen. So hat beispielsweise das einfachste Atom, das Wasaer stoffatom, ein Proton, das durch ein Hüllenelektron abgesättigt wird, 1. Unter Radioaktivität versteht man einen Vorgang, bei dem instabile Atomkerne spontan Energie in Form einer Korpuskulären- oder Wellen Strahlung abgeben, um dabei sofort oder stufenweise in stabile Atom kerne überzugehen Seite 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen und damit die Masse 1. Ein Heliumatom setzt sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen zusammen und besitzt neben der Ordnungszahl 2 die Masse 4, was in der folgenden Schreibweise zum Ausdruck kommt: ~He. Durch eine Zu nahme der Neutronen ändert sich wohl das Atomgewicht aber nicht die Kern z. ladung und damit auch nicht die Ordnungszahl Dies bedeutet aber, daß die Atomart auf dem gleichen Platz im periodischen System steht wie das Element, von welchem sie ein Isotop darstellt (isos = gleich, topos Platz). Von den bekannten Elementen sind 23 Reinelemente, wie z.B. das Natrium, das Aluminium, der Phosphor, das Jod und das Gold. Alle übrigen haben bis zu zehn stabile Isotope, die ihre Eigenschaften ohne äußere Beeinflussung nicht ändern, d.h. bei Bildung einer chemischen Verbindung reagieren nur die Elektronen der Atomhüllen. Außer den bekannten 274 stabilen Atomarten gibt es aber auch in der Natur instabile Isotope, die unter Aussendung von Strahlen entweder in weitere instabile oder sofort in stabile Atom arten mit anderen Eigenschaften übergehen. Sie bilden drei größere Grup pen, die sogenannten natürlichen radioaktiven Familien. Einer der bekann testen Vertreter der natürlichen radioaktiven Isotope ist das Radium. 1919 beschreibt RUTHERFORD die erste stabile Kernumwandlung: Trifft ein energiereicher Alpha-Strahl eines Radiumpräparates auf einen Stickstoff kern, so entsteht ein Sauerstoffkern unter Abgabe eines Protons nach der folgenden Reaktionsgleichung: Durch den Alpha-Strahlenbeschuß wird eine stabile Atomart in eine neue Atomart unter Freiwerden eines Teilchens oder Quants übergeführt. Die erste instabile Kernumwandlung, bei welcher der entstehende Atomkern nicht stabil ist, gelang 1934 dem französischen Forscherehepaar JOLIOT CURIE. Beim Beschießen von Bor mit Alpha-Teilchen entsteht ein instabi les Stickstoffisotop und ein Neutron nach der Reaktionsgleichung Dieser neu entstandene Stickstoff ist .nicht mehr stabil und geht unter Abgabe von Strahlung in den stabilen Kohlenstoff, c13, über. Er ist das Seite 8 des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Forschungsbericht~ erste künstliche radioaktive Isotop. Im gleichen Jahr 1934 wendet FERMI die durch einen Kernpro~ess gewonnenen Neutronen zur Herstellung von ra dioaktiven Isotopen an. Aber erst nach Entdeckung der Kernspaltung durch HAHN und STRASSMANN (1938) konnte in Amerika der Atombrenner "pile" entwickelt werden, was zu einer genügenden und auch wirtschaftlichen Herstellung der heute mit über 700 angegebenen künstlichen radioaktiven Isotopen führte. Bei der von HAHN und STRASSMANN durch langsame Neutronen erzielten Uran (2§~u)-Kernspaltung werden durchschnittlich zwei Neutronen frei. Sie ru fen bei genügender Verlangsamung und ausreichend vorhandenem u235 neue Kernspaltungen hervor, wodurch weitere Neutronen abgegeben werden. Diese Kettenreaktion von Atomkernen läuft im Uranmeiler im Gegensatz zur Atom bombe unter Kontrolle ab. Ferner lassen sich geladene Teilchen, Protonen und Deuteronen, in Hoch spannungsanlagen kinetisch beschleunigen, wie es z.B. in der Beschleuni gungskammer eines Zyklotrons der Fall ist, um sie dann als Geschoßteil chen zum Beschießen stabiler Atomarten zu verwenden. Jedoch von allen sogenannten Geschoßteilchen, Alpha-Teilchen(~ ), Protonen (ip), Deute ronen (id), sind die Neutronen (bn) für die Herstellung von künstlichen radioaktiven Isotopen am wichtigsten, da sie am leichtesten in die schwersten geladenen Atomkerne eindringen, wie es bei der Uranspaltung der Fall ist. Bei der Bestrahlung von Atomarten ist es wichtig, ob es sich um Reinele mente oder Isotopengemische handelt. Bei letzteren können durch die Kern reaktionen mehrere Atomarten und damit unerwünschte radioaktive Verunrei nigungen auftreten. Die wichtigsten Daten der künstlichen radioaktiven Isotopen, die z.Zt. aus Harwell in England zu beziehen sind, können den einschlägigen Tabel len mit der Preisangabe pro Bestrahlungseinheit entnommen werden. So ist es besonders wichtig, vor jeder biologischen oder medizinischen Verwendung eines künstlichen Radioisotops seine Zerfallszeit, die soge nannte Halbwertszeit, die ausgesandte Strahlenart und ihre Energie zu kennen. Unter der Halbwertszeit, H.W., eines natürlichen oder künstli chen radioaktiven Isotops versteht man die Zeit, in der das Radioisotop die Hälfte seiner Strahlung abgegeben hat. Diese H.W. kann sich von Seite 9 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen :Bruchteilen von Sekunden bis zu :Milliarden von Jahren ausdehnen und wird z.:B. von KORMAN für das Radium mit 1622 Jahren angegeben. Was die radioaktive Strahlung angeht, so müssen grundsätzlich drei Strah lenarten untarschieden werden: Die Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlen, von denen die beiden ersten korpuskuläre Strahlen sind und sich im Magnetfeld ablenken lassen. Die Gamma-Strahlen stellen eine elektromagnetische Strahlung von der Natur des Lichtes dar und haben eine kürzere Wellen länge als die Röntgenstrahlen. Zur Beurteilung der biologischen Bedeu tung dieser drei Strahlenarten müssen ihr unterschiedliches Verhalten beim Durchdringen von Materie und ihre speziellen Fähigkeiten im einzel nen näher besprochen werden. I. Die radioaktiven Strahlenarten 1. Alpha-Strahlen Die bei der Alpha-Umwandlung ausgesandten Alpha-Teilchen entsprechen im Aufbau dem Heliumion ~He mit zwei Protonen und zwei Neutronen im Kern. Durch die Abgabe von Alpha-Teilchen beim Radiumzerfall, als reiner Al pha-Strahler, verringert sich die Ordnungszahl um zwei und die Masse zahl um vier. Nach der folgenden Reaktionsgleichung bildet sich aus Radium die gasförmige Radiumemanation, Rn, das sogenann te Radon. Diese Alpha-Umwandlung kommt bei relativ schweren Atomarten und nicht nur bei den 30 natürlichen Radioisotopen der drei natürlichen radioaktiven Familien, wie der Thorium-, Actinum- und Uran-Reihe vor, sondern auch bei etwa 70 künstlichen radioaktiven Isotopen, die zum Teil den Elementen der seltenen Erden angehören (zit.n.ZIMEN). Diese Fest stellung ist deshalb besonders wichtig, da in medizinischen Publikatio nen über die Radioisotopen-Anwendung nicht selten das Auftreten von Al pha-Strahlen bei der sogenannten künstlichen Radioaktivität völlig ne giert oder nicht erwähnt wird. Dies ist wohl darauf zurückzuführen, daß die künstlichen Alpha-Strahler nur wenig medizinisches Interesse haben. Alpha-Absorption: Beim Durchtritt von energiereichen Alpha-Teilchen durch Luft oder Materie tritt eine sogenannte primäre Ionisation auf. Sie wird in der Wilsonkammer durch Ionisation der mit Wasserdampf ge- Seite 10
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