Physikalische Parameter bei der Inkorporation von Radon und seinen Folgeprodukten im Modell und Organismus

Das radioaktive Edelgas Radon ist allgegenwärtig in unserer Umwelt und trägt zu einem signifikanten Anteil der jährlichen Strahlenbelastung bei. Inhalierte Zerfallsprodukte akkumulieren in der Lunge und sind die zweithäufigste Ursache für die Induktion von Lungenkrebs nach Rauchen. Auf der anderen Seite wird Radon zur Behandlung von entzündlichen Krankheiten wie beispielsweise rheumatoider Arthritis und Morbus Bechterew eingesetzt. Dennoch ist der Wirkungsmechanismus der Radontherapie bis heute weitestgehend ungeklärt. Es existieren jedoch erste Hinweise auf eine Wirkung über die Stimulation des Immunsystems. Zur Risikoeinschätzung sowie der Aufklärung des Wirkungsmechanismus der Radontherapie ist eine akkurate Dosisbestimmung und Kenntnis der Radonverteilung im Körper essentiell. Derzeitige Verfahren zur Dosisabschätzung beruhen jedoch auf unsicherheitsbehafteten, retrospektiven epidemiologischen Studien oder biokinetischen Modellen, in die Daten aus Tierexperimenten einfließen, die auf den menschlichen Organismus übertragen werden. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit Aktivitätsmessungen an einem Probanden direkt nach Radonexposition zur Dosisbestimmung in der abdominalen sowie thorakalen Region vorgestellt. Nach einstündiger Inhalation von Radon und seinen Zerfallsprodukten in einem Therapiestollen wurden extern gamma-Spektren der gamma-emittierenden Radonzerfallsprodukte Blei (Pb-214) und Bismut (Bi-214) in der abdominalen und thorakalen Region eines freiwilligen Probanden aufgenommen. Aus diesen Spektren wurde der zeitliche Aktivitätsverlauf der Nuklide bestimmt und durch Kenntnis der Zerfallskaskade von Radon Rückschlüsse auf die in der Körperregion applizierte Dosis gezogen. Zudem wurden aus dem Zeitverlauf der Aktivitäten unterschiedliche Verweildauern von Radon in den einzelnen Körperregionen ermittelt und mit ihren physiologischen Charakteristika verknüpft. Um die in der Arbeit verwendete Messmethode zu validieren, wurden im Vorfeld Absorptionsmessungen der Zerfallsprodukte auf einem luftdurchströmten Filtersystem durchgeführt. Die so erhaltenen Daten können einheitlich in einem Modell mit rein physikalischen Parametern beschrieben und verstanden werden. Bei den Probandenmessungen hingegen musste die Modellvorstellung zur konsistenten Beschreibung der Daten um biologische Komponenten wie aktive Transportprozesse und unterschiedliche Gewebeeigenschaften erweitert werden. Ein weiteres Hindernis war die inhomogene Verteilung von Radon in den gemessenen Körperregionen, die bei der Aktivitätsbestimmung von Pb-214 und Bi-214 eine große Rolle spielt. Bei den Probandenmessungen werden Dosiskonversionsfaktoren, die die Exposition mit einer bekannten Radonaktivitätskonzentration bei bekannter Expositionsdauer in eine Dosis überführen, für die abdominale und thorakale Region bestimmt. Diese betragen im Abdomen 1,55+/-0,33 microGy und im Thorax 1,11+/-0,35 microGy für eine einstündige Exposition bei 55 kBq/m^3 . Somit liegen sie in derselben Größenordnung wie derzeitige Modelle des Strahlenschutzes vorhersagen, jedoch weisen sie um einen Faktor 2-4 höhere Dosiswerte auf. Des Weiteren kann ein linearer Zusammenhang zwischen der Radonaktivitätskonzentration während der Exposition und der applizierten Dosis verifiziert und jeweils zwei verschiedene Verweildauern für Radon in der abdominalen sowie thorakalen Region bestimmt werden. Daraus wird der Dosisanteil durch lang- sowie kurzzeitig gespeichertes Radon ermittelt, wobei etwa ein Drittel des Radons länger im Körper verbleibt und dabei für über 80 % der applizierten Dosis durch Radoninkorporation verantwortlich ist. Im Gegensatz zu der Vorhersage bisheriger Modelle deuten die in der Arbeit durchgeführten Messungen auf einen fast doppelt so hohen Anteil inkorporierten Radons hin, das nach Exposition schnell aus dem Körper abtransportiert wird. Zudem konnte ein größerer Anteil lang gespeicherten Radons in der abdominalen als in der thorakalen Region detektiert werden, was mit dem höheren subkutanen Fettgehalt im Abdomen korreliert wurde. In dieser Arbeit werden durch direkte Aktivitätsmessungen am Probanden Dosiskonversionsfaktoren für verschiedene Körperregionen bestimmt. Die hier präsentierten Experimente liefern das erste in dieser Präzision erhobene Datenset, das ohne weitere Modellierungen eine inhomogene Verteilung von Radon im menschlichen Körper zeigt. Zusätzlich bietet es die Möglichkeit bisher existierende Modelle auf ihre Richtigkeit zu prüfen und anzupassen, um eine verbesserte Dosisabschätzung durch Radonexposition im Strahlenschutz und zur Untersuchung der entzündungshemmenden Wirkung von Radon zu erlangen

Spatial Arrangements of Connexin43 in Cancer Related Cells and Re-Arrangements under Treatment Conditions: Investigations on the Nano-Scale by Super-Resolution Localization Light Microscopy

Cancer studies suggest that the spatial localization of connexin43 (Cx43) could play an important role during tumor genesis and the formation of metastasis. Cx43 has been shown to be upregulated in cancer cells; thereby a shift from Cx43 normal localization in gap junctions in the cell membrane towards a primarily cytoplasmic localization was observed in many studies. So far neither the spatial arrangements of Cx43 in breast cancer cells nor the effects of treatment outcome (ionizing radiation and antibody therapy) on the spatial arrangements of Cx43, have been microscopically studied on the nanoscale. This has brought up the idea to study the micro- and nanoscaled spatial Cx43 arrangements in a model of breast cancer-related cell types, i.e., SkBr3 breast cancer cells, BJ fibroblasts, and primary human internal mammary artery endothelial cells (HIMAECs). The cells were treated with neuregulin1 (NRG1), trastuzumab (Herceptin), or 6MeV-photon irradiation at a dose of 4 Gy. NRG1 stimulates further NRG1 release in the tumor endothelium that may lead to an enhanced tumor protective effect whereas Herceptin, used in antibody treatment, works in an antagonistic fashion to NRG1. After fluorescent labelling with specific antibodies, the molecular positions of Cx43 in the perinuclear cytosol and in the cell periphery at the membrane were determined for the three treatment related applications (NRG1, trastuzumab, 4 Gy irradiation) using confocal laser scanning microscopy (CLSM) and single molecule localization microscopy (SMLM). These techniques enable investigations of Cx43 enrichment and topological arrangements of Cx43 molecules from the micro-scale of a whole cell to the nano-scale of single molecules. In SkBr3 cells with and without radiation treatment high density accumulations were detected which seem to be diluted after NRG1 and trastuzumab treatment although the SMLM distance frequency distributions did not significantly vary. In BJ fibroblasts and HIMAECs differences between periphery and perinuclear cytosol were observed after the different treatment processes. HIMAECs showed significant Cx43 accumulation after NRG1, trastuzumab, and radiation treatment in the perinuclear region whereas in the periphery radiation has less influence as compared to the control. BJ cells were reacting to the treatments by Cx43 accumulations in the perinuclear region but also in the periphery. In conclusion, it was shown that by using CLSM and super-resolution SMLM, treatment effects on the spatial and thus functional arrangements of Cx43 became detectable for investigations of tumor response mechanisms

In-vivo dose determination in a human after radon exposure: proof of principle

Radon-222 is pervasive in our environment and the second leading cause of lung cancer induction after smoking while it is simultaneously used to mediate anti-inflammatory effects. During exposure, radon gas distributes inhomogeneously in the body, making a spatially resolved dose quantification necessary to link physical exposure conditions with accompanying risks and beneficial effects. Current dose predictions rely on biokinetic models based on scarce input data from animal experiments and indirect exhalation measurements of a limited number of humans, which shows the need for further experimental verification. We present direct measurements of radon decay in the abdomen and thorax after inhalation as proof of principle in one patient. At both sites, most of the incorporated radon is removed within ~ 3 h, whereas a smaller fraction is retained longer and accounts for most of the deposited energy. The obtained absorbed dose values were [Formula: see text]  µGy (abdomen, radon gas) and [Formula: see text]  µGy (thorax, radon and progeny) for a one-hour reference exposure at a radon activity concentration of 55 kBq m(−3). The accumulation of long-retained radon in the abdomen leads to higher dose values at that site than in the thorax. Contrasting prior work, our measurements are performed directly at specific body sites, i.e. thorax and abdomen, which allows for direct spatial distinction of radon kinetics in the body. They show more incorporated and retained radon than current approaches predict, suggesting higher doses. Although obtained only from one person, our data may thus represent a challenge for the barely experimentally benchmarked biokinetic dose assessment model

Radon progeny measurements in a ventilated filter system to study respiratory-supported exposure

Abstract Radon (222Rn) and its progeny are responsible for half of the annual dose from natural radiation and the most frequent cause for lung cancer induction after smoking. During inhalation, progeny nuclides accumulate in the respiratory tract while most of the radon gas is exhaled. The decay of progeny nuclides in the lung together with the high radiosensitivity of this tissue lead to equivalent doses implying a significant cancer risk. Here, we use gamma spectroscopy to measure the attachment of radon progeny on an air-ventilated filter system within a radon enriched atmosphere, mimicking the respiratory tract. A mathematical model was developed to describe the measured time-dependent activities of radon progeny on the filter system. We verified a linear relation between the ambient radon activity concentration during exposure and the amount of decay products on the filter system. The measured activities on the filters and its mathematical description are in good agreement. The developed experimental set-up can thus serve to further investigate the deposition of radon progeny in the respiratory tract under varying conditions for determination of dose conversion factors in radiation protection, which we demonstrate by deriving dose estimations in mouse lung

Radon Exposure—Therapeutic Effect and Cancer Risk

Largely unnoticed, all life on earth is constantly exposed to low levels of ionizing radiation. Radon, an imperceptible natural occurring radioactive noble gas, contributes as the largest single fraction to radiation exposure from natural sources. For that reason, radon represents a major issue for radiation protection. Nevertheless, radon is also applied for the therapy of inflammatory and degenerative diseases in galleries and spas to many thousand patients a year. In either case, chronic environmental exposure or therapy, the effect of radon on the organism exposed is still under investigation at all levels of interaction. This includes the physical stage of diffusion and energy deposition by radioactive decay of radon and its progeny and the biological stage of initiating and propagating a physiologic response or inducing cancer after chronic exposure. The purpose of this manuscript is to comprehensively review the current knowledge of radon and its progeny on physical background, associated cancer risk and potential therapeutic effects