Radontherapie und Strahlenrisiko Alexander Kaul, Menzenschwand, 7.10.2006

1. Radontherapie und Strahlenrisiko Alexander Kaul, Menzenschwand, 7.10.2006 1. Allgemeine Kriterien für den Schutz von Patient und Personal 2. Strahlendosis des Patienten bei der Radontherapie 2.1 Biokinetik des Radons und seiner Zerfallsprodukte 2.2 Zelluläre Dosis und biologische Strahlenwirkung 2.3 Effektive Dosis im Vergleich zur natürlichen Strahlenexposition 2.4 Lungendosis einmaliger und mehrmaliger Inhalationskuren im Vergleich zur Dosis durch natürliches Radon in Wohnungen und im Freien 3. Vergleichende Bewertung der Ergebnisse 4. Quantifizierung des Strahlenrisikos 4.1 Ergebnisse epidemiologischer Untersuchungen an Kollektiven Strahlenexponierter 4.2 Mechanismen der biologischen Strahlenwirkung im Niedrigdosisbereich und deren Einfluss auf die Dosiswirkungsbeziehung 4.3 Strahlenrisiko im Niedrigdosisbereich unter dem Vorsorgeaspekt des Strahlenschutzes 4.4 Hypothetisches Lungenkrebsrisiko des Patienten der Radoninhalationstherapie 5. Strahlendosis des Personals 6. Zusammenfassende Bewertung von Strahlendosis und –risiko der Radontherapie

2. 1. Allgemeine Kriterien für den Schutz von Patient und Personal

3. Patientenschutz • Die mit der therapeutischen Anwendung des Radons verbundene • Strahlendosis des Patienten und das daraus möglicherweise re- • sultierende Strahlenrisiko sind gegen den Nutzen der Therapie abzu- • wägen (= Aufgabe des Arztes) • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Schutz des Personals • AAAAAAAAA • Die Strahlenschutzmassnahmen bei der therapeutischen Anwen- • dung des Radons sind so zu optimieren, dass beim Personal die ge- • setzlich geforderten Grenzwerte der Dosis möglichst weit unter- • schritten werden, ohne den Nutzen der therapeutischen Massnahme • in Frage zu stellen (= Aufgabe der für den Strahlenschutz verantwort- • lichen Personen) • AAAAAAAAA Aufgaben des Strahlenschutzes bei der Radontherapie

4. 2. Strahlendosis des Patienten bei der Radontherapie

5. Über die Haut (Diffusion durch die Epidermis) • Wannenbad mit radonhaltigem Wasser • Radon-Trockengasbad • Radon-Dunstbad • AAAAAAAAA • Thermal-Heilstollen • BBBBBBBBBB • Über die Lunge (Diffusion durch die Lungenepithelien) • AAAAAAAAA • Heilstollen • Thermal-Heilstollen • AAAAAAAAA • Radongas-Therapie • Über den Magen-Darm-Trakt (Diffusion durch die Magenschleimhaut) Die wesentlichen Diffusionswege des Radons bei unterschiedlichen Arten der Radontherapie

6. Biokinetikdes Radons und seiner kurzlebigen Zerfallsprodukte • physikalische Diffusion von Rn in die Epidermis, das subbasale Hautgewebe und die Blutkapillaren des Hautgewebes • AAAAAAAAA • Adsorption von kurzlebigen Zerfallsprodukten an der Epidermis • BBBBBBBBBB • Lösung des Radons im Blut, Verteilung im gesamten Körper entsprechend seiner spezifischen Löslichkeit in den einzelnen Geweben, Transport der durch Zerfall im Organismus gebildeten Zerfallsprodukte • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA • Ausscheidung des Rn durch Exhalation und Diffusion über die Haut Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Radon und Zerfalls- produkten im Organismus (Biokinetik) am Beispiel der Radon-Badekur

7. AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Exhalation von Radon während der Therapie im Wannenbad (v. Philipsborn, 2000)

8. Fluenz (Alphateilchen von 5 MeV Anfangsenergie, Energie- dosis in der Epidermis ≤ 2 mGy): 80/mm2 • Zellquerschnitt: 100 μm2 = 0,0001 mm2 • bei diesen sehr niedrigen Energiedosen werden die weit- aus meisten Zellen von keinem Alphateilchen getroffen • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • LET (α, 5 MeV): 750 keV/μm • AAAAAAAAA • Zelldicke: 5 μm • AAAAAAAAA →etwa 25 000 Ionisationsprozesse, d.h. sehr hohe lokale Energiedeposition und damit starke biologische Wirkun- gen in den getroffenen Zellen und in deren Nachbar- schaft (Reichweite der α-Teilchen etwa 35 μm und By- stander-Effekt durch Botenstoffe) Energiedeposition von Alphateilchen in Zellen der Epidermis

9. Energiedepositionvon Alphateilchen in einem kleinen Bruchteil der Zellen der Epidermis • AAAAAAAAA • Herunterregulierung der transendothelialen Leukozy- tenmigration durch die zelluläre Innenauskleidung der Blutgefässwände sowie der Makrophagen- und Neutro- philenaktivitäten, d.h. des enzymatischen Abbaus von phagozytierten Zellen zu kleineren Molekülen mit Hilfe antiinflammatorischer Zytokine mit einerschützenden Rolle bei Entzündungen • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Molekularer und zellulärer Reaktionsweg der Schmerztherapie chronischer Entzündungen bei der Radon-Badetherapie

10. Thermal-Heilstollen-Kur 44 kBq 222Rn/m3, 10x1h 1,6–2,2 μGy Muskeln, Gonaden, Knochen 3,3-8,8 μGy rotes Knochenmark, Nebenniere, Leber, Blut 22 μGy Niere 410 μGy Lunge, tracheo- bronchialer Bereich 495 μGy Epidermis (265 μGy Haut) effektive Dosis 1 mSv Wannenbad-Kur 662 Bq 222Rn/L, 10x20 min 0,1 μGy Knochen 0,3-0,5 μGy Leber,Muskel, Blut, Gonaden, Niere 3 μGy Lunge, tracheo- bronchialer Bereich 800 μGy Epidermis (425 μGy Haut) effektive Dosis 0,2 mSv • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Werte der Energiedosis in Organen/Geweben (berechnet nachDaten von Hofmann, 1999) und der effektiven Dosis einer Kur

11. AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Äquivalentdosis von Lunge und Epidermis sowie effektive Dosis von Patienten bei unterschiedlichen Arten der Radon-Therapie (1-malige Kur) im Vergleich zur natürlichen Strahlenexposition

12. Diffusion von Radon in Häuser und Verteilung in Wohnungen (Radon-Handbuch Deutschland, Stand 9.8.2001)

13. Bis 100 Bq/m3: 90% der untersuchten Aufenthaltsräume Häufigkeitsverteilung der Radonkonzentration in Aufenthaltsräumen von Gebäuden mit 1 oder 2 Wohnungen (Radon-Handbuch Deutschland, Stand 9.8.2001)

14. Deutschlandkarte der Radonaktivitätskonzentra-tion in der Bodenluft

15. Auswirkung verschiedener Nutzungszustände auf die Radonkonzentration in einem Raum (Ettenhuber, 2006)

16. 3. Vergleichende Bewertung der Ergebnisse

17. Vergleich der effektiven Dosen • Badekur: maximal 0,5 mSv • Thermalstollen-Inhalationskur: maximal 2 mSv • Jährliche natürliche Strahlendosis: 2,1 mSv (Variationsbreite 1 – 10 mSv) • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Vergleich der Radonexpositionen • AAAAAAAAA • Thermalstollen-Inhalationskur: 3,5 x 105 Bqh/m3 • AAAAAAAAA • Aufenthalt in Wohnungen und im Feien: jährlich 2,8 x 105 Bqh/m3 Vergleichende Bewertung der Strahlenexposition des Patienten durch 1-malige Radonkuren mit der natürlichen Strahlendosis bzw. Radon in Wohnungen und im Freien

18. Patienten6 Kuren (Mittelwert) 8 Stunden mittl. Aufenthaltsdauer im Stollen pro Kur 44 kBq/m3 Radon-Aktivitätskonzentration (Mittelwert) Exposition: 6 x 8 x 44 000 Bq/m3 = 2,1 x 106 Bq h/m3 Bevölkerung75 Jahre mittlere Lebenserwartung 19 h/d Aufenthaltsdauer in Wohnungen 5 h/d Aufenthaltsdauer im Freien 40 Bq/m3 in Wohnungen (Median) 10 Bq/m3 im Freien (Median) • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Exposition: 75 x 365 x (19 x 40 + 5 x 10) Bq h/m3 = 2,2 x 107 Bq h/m3 Verhältnis der Radon-Exposition Patient/Bevölkerung: < 10 % Vergleichende Bewertung der Radon-Exposition des Patienten (mehrmalige Thermalstollen-Inhalationskuren)

19. Die effektive Dosis des Patienten einer 1-maligen radon-balneotherapeu- tischen Kur liegt mit 0,05 bis 2 mSv deutlich unter bzw. maximal bei dem Wert der mittleren effektiven jährlichen Strahlendosis von 2,1 mSv (Variationsbereich: 1-10 mSv). • AAAAAAAAA Die Radonexposition einer 1-maligen Inhalationskur im Thermal-Heilstollen entspricht etwa derjenigen durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien (3,5 bzw. 2,8 x 105 Bqh/m3). • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Die Gesamtexposition des Patienten einer mehrmaligen Inhalationskur imThermal-Heilstollen beträgt maximal 10 % der Radon-Exposition von Personen der Bevölkerung über eine Lebenszeit von 75 Jahren durch Aufenthalt in Wohnungen und im Freien. Zusammenfassende vergleichende Bewertung der Expositionen durch therapeutisches und natürliches Radon

20. 4. Quantifizierung des Strahlenrisikos

21. *Definition hängt vom Blickwinkel ab: Umweltkontaminationen, berufliche Strahlenexposition, Strahlentherapie Krebsrisiken niedriger Dosisraten (ICRP Committee 1 Task Group Report 2005; nach Jacob, 2006)

22. Zusätzliches relatives Risiko der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki, nach einer Dosis von 0-1 Sv an einem soliden Krebs zu sterben (Preston et al., 2004)

23. Zusätzliches relatives Risiko der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki, an Leukämie zu sterben (nach Breckow, 2006)

24. Oben: Häufigkeitsverteilung der Radonkonzentration in Wohn-räumen in der Bundesrepublik Deutschland (Wichmann et al. 1998). Unten: Relatives Risiko für Lungenkrebs in 13 europä-ischen Ländern mit 95-%-Vertrauensintervallen in Abhängigkeit von der korrigier-ten Radonkonzentration in Wohnungen (nach Darby et al., 2004). Lineare Anpassungskurve: ohne Schwelle nach Darby, mit Schwelle von Harder, 2006. In x-Richtung eingetragene Unsicherheitsintervalle: Breite der von Darby verwendeten Expositionsklassen. Linear mit Schwelle Linear ohne Schwelle

25. Adaptive response (2,3) Anzahl benötigter Mutationen (3) Apoptose (2,3) Bystander Effekt (5) Genetische Prädisposition (5) Genomische Instabilität (5) Immunabwehr (3) Reparatur (2,3,4) Anzahl strahlenbedingter Tumorfälle im Nierigdosisbereich durch Extra- polation aus dem Bereich höherer Dosen (in Anlehnung an Müller, 2006)

26. Adaptive response (2,3): Eine Vorbestrahlung mit niedriger Dosis kann eine nachfolgende Ex- position mit höherer Dosis weniger wirksam machen Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

27. Anzahl benötigter Mutationen (3): Mehrere Mutationen können notwendig sein, um aus einer normalen Zelle eine Tumorzelle zu machen Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

28. Apoptose (2,3): Biologischer Prozess, d.h. ein in jeder Zelle vorhandenes Programm, das auf Grund eines bestimmten Signals in Gang gesetzt wird und zu einem für den Organismus weitgehend unproble- matischen Sterben der betroffenen Zelle führen kann Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

29. Bystander Effekt (5): Nicht nur direkt von der Strahlung ge- troffene Zellen zeigen einen Schaden, sondern es können auch „unbeteiligte Zuschauer“ geschädigt werden Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

30. Genetische Prädisposition (5): Es liegen im Genom bestimmte Veränderungen vor, die die Wahr-scheinlichkeit einer Tumorauslösung nach Einwirkung ionisierender Strahlung deutlich erhöhen können Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

31. Genomische Instabilität (5): Ionisierende Strahlung kann dafür sorgen, dass das Genom anfälliger wird gegenüber äusseren Einwir-kungen, also „instabil“ Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

32. Immunabwehr (3): Niedrige Strahlendosen können die Immunabwehr stimulieren, damit effektiver Tumorzellen erkennen und biologischen „Schutzmechanismen“ zuführen, z.B. Reparatur, Apoptose Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

33. Reparatur (2,3,4): Niedrige Strahlendosen können Reparaturmechanismen (Enzyme) anstossen Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola- tionsbeeinflussende Rolle spielen können

34. Zu komplex sind die Zusammenhänge, zu widersprüchlich viele Ergebnisse, zu unvollständig unser Wissen über die biologischen Mechanismen, als dass wir konkrete Rückschlüsse auf den Verlauf der Dosis-Wirkungsbeziehungen im Niedrigdosisbereich ziehen könnten. Es ist deshalb angezeigt, dass strahlenbedingte Risiko einer Exposition mit ionisierenden Strahlen im Bereich niedriger Strahlendosen durch den Vergleich mit der natürlichen Strahlen-dosis und deren Schwankungsbreite oder konservativ abzu-schätzen wie im Strahlenschutz unter dem Vorsorgeaspekt üblich, nämlich unter Annahme der Gültigkeit einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung ohne Schwellenwert der Dosis (LNT: Linear Non Threshold) im Bereich niedriger Dosen und Dosisleistungen. Bewertung der biologischen Mechanismen und Konzept der Abschätzung strahlenbedingter Risiken

35. Medianwert der 222Rn – Aktivitätskonzentration: 40 Bq/m3 Mittlere jährliche Aufenthaltsdauer: 7 000 h/a • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB Exposition während einer Zeit von 75 Jahren: 2,1 x 107 Bq h/m3 • AAAAAAAAA • Lungenkrebsrisiko bis zum Alter von 75 Jahren (berechnet auf der Grundlage der LNT-Hypothese und nach Angaben von S. Darby et al., 2005) • Nichtraucher: 0,41% + 0,0007% (Bq/m3)-1 x 40 Bq/m3 = 0,413% (~0,5%) • Raucher: 10,1% + 0,0147% (Bq/m3)-1 x 40 Bq/m3 = 10,7% (~11%) • AAAAAAAAA Exposition und rechnerisches Lungenkrebsrisiko durch 222Rn in Wohnungen

36. 6 Kuren, 8h mittlere Aufenthaltsdauer im Stollen pro Kur, mittlere 222Rn-Aktivitätskonzentration 44 kBq/m3 • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • Zusätzliches Lungenkrebsrisiko durch Radon-Balneotherapie • und Radon in Wohnungen: • Nichtraucher: (0,413 + 0,04)% = 0,417% (~0,5%) • Raucher: (10,7 + 1,07)% = 11,77% (~12%) • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA 222Rn-Exposition und rechnerisches Lungenkrebsrisiko von Patienten nach mehrmaligen Kuren in einem Radon-Thermalstollen

37. 5. Strahlendosis des Personals

38. AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Effektive Jahresdosis des Personals bei verschiedenen therapeutischen Applikationsformen von Radon

39. Die jährliche effektive Dosis des Personals liegt abhängig vom Therapie- verfahren und der Aufenthaltsdauer im Therapieraum zwischen 0,2 (Radon- Badekur) und 15 mSv (Radon-Thermalstollen-Kur) und damit zwischen 10% und maximal bei 75% des Grenzwertes der gesetzlichen jährlichen beruflichen Strahlenexposition. Die Strahlendosis des Personals kann bei der Radon-Balneotherapie im Thermal-Heilstollenim Sinne der Optimierung des Strahlenschutzes durch einfache Strahlenschutzmass- nahmen weiter reduziert werden. • AAAAAAAAA • BBBBBBBBBB • AAAAAAAAA • AAAAAAAAA Zusammenfassende Bewertung der Strahlenexposition des Personals

40. 6. Zusammenfassende Bewertung der Strahlendosis und des Strahlenrisikos von Patienten der Radontherapie

41. Bei einer Energiedosis in der Epidermis von weniger als 2 mGy bedingt die hohe Energiedeposition der Alpha-Teilchen in einem kleinen Bruchteil der Zellen der Epidermis die Herunterregulierung der transendothelialen Leukozytenmigration, d.h. des enzymatischen Abbaus von phagozytierten Zellen mit Hilfe antiinflammatorischer Zytokine mit einer schützenden Rolle bei Entzündungen. Die mittlere effektive Dosis einer Wannenbad-Kur beträgt 0,2 mSv, die einer Thermalheilstollen-Kur 1 mSv. D.h., die Dosis liegt deutlich unter oder höchstens bei 50% der jährlichen natürlichen Strahlen-dosis von etwa 2,1 mSv (Schwankungsbreite: 1 – 10 mSv/Jahr). Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (1)

42. Die Radonexposition des Patienten einer einmaligen Thermal- stollen-Inhalationskur entspricht mit 3,5 x 105 Bqh/m3 dem Medianwert von 2,8 x 105 Bqh/m3 durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien während eines Jahres. Die Radonexposition eines Patienten durch 6 Kuren beträgt im Mittel insgesamt 2,1 x 106 Bqh/m3, die aus der Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien während 75 Lebensjahre resultierende Exposition errechnet sich zu 2,2 x 107 Bqh/m3, d.h., sie ist 10 mal höher. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (2)

43. Epidemiologische Untersuchungen an Strahlenexponierten erlauben es aus statistischen Gründen (zu geringe Fallzahlen und Einfluss von Confoundern) nicht, im Bereich niedriger Dosen (1 – 10 mSv) den Beweis zu erbringen, dass auch in diesem Dosisbereich wie bei hohen Dosen eine lineare Korrelation zwischen Dosis und Wirkung besteht. Vielmehr können biologische Mechanismen wie Adaptive response, Apoptose, Bystander Effekt, Genomische Instabilität, Reparatur im Niedrigdosisbereich, eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen. Zu komplex, zu widersprüchlich sind die Ergebnisse, zu unvollständig unser Wissen, als dass wir konkrete Rückschlüsse auf den Verlauf der Dosis-Wirkungsbeziehungen im Niedrigdosisbereich ziehen könnten. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (3)

44. Es ist deshalb angezeigt, das strahlenbedingte Risiko einer Exposition mit ionisierenden Strahlen im Bereich niedriger Strahlendosen durch den Vergleich mit der natürlichen Strahlendosis und deren Schwankungsbreite oder konservativ abzuschätzen wie im Strahlenschutz unter dem Vorsorgeaspekt üblich, nämlich unter Annahme der Gültigkeit einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung ohne Schwellenwert der Dosis im Bereich niedriger Dosen und Dosisleistungen. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (4)

45. Unter der konservativen Annahme des Strahlenschutzes, nämlich der Gültigkeit der LNT-Hypothese auch im Niedrigdosisbereich, errechnet sich die Erhöhung des Lungenkrebsrisikos eines Patienten nach 6- maliger Radontherapie in einem Radon-Thermalheilstollen gegenüber dem mittleren Lungenkrebsrisiko durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien für Nichtraucher von 0,41 % um 0,03 % zu 0,44 % Raucher von 10,1 % um 0,59 % zu 10,69 %. Unter Berücksichtigung der geogen und durch Nutzung der Räume bedingten Schwankungsbreite der Radonkonzentration in Wohnun-gen und im Freien ist diese hypothetisch abgeschätzte Erhöhung des Lungenkrebsrisikos von Patienten der Radoninhalationstherapie irrelevant. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (5)

46. Die jährliche effektive Dosis des Personals liegt abhängig vom Therapie- verfahren und der Aufenthaltsdauer im Therapieraum zwischen 0,2 (Radon- Badekur) und 15 mSv (Radon-Thermalstollen-Kur) und damit zwischen 10% und maximal bei 75% des Grenzwertes der gesetzlichen jährlichen beruflichen Strahlenexposition. Die Strahlendosis des Personals kann bei der Radon-Balneotherapie im Thermal-Heilstollenim Sinne der Optimierung des Strahlenschutzes durch einfache Strahlenschutzmass- nahmen weiter reduziert werden. Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (6)