Status und Perspektiven - SNI-Portal

Erfolgschancen der Neutronentherapie könnten noch
gesteigert werden, wenn es gelänge, in die Tumorzellen
gezielt borhaltige Substanzen einzuschleusen. Dabei
würde man ausnutzen, dass Boratome Neutronen sehr
stark absorbieren und dann in einer Kernreaktion in
zwei Bruchstücke zerplatzen, wodurch die Tumorzellen
wirkungsvoll zerstört werden könnten. Die Neutroneneinfangtherapie
befi ndet sich aber noch im Entwicklungsstadium.
Abb. 3.10. Ausschnitt aus einer Lipidmembran, die in Kontakt mit dem Peptid -Amyloid (weiß eingefärbt) gebracht wurde.
Bei dem Neutronenstreuexperiment wurde zum einen nicht deuteriertes -Amyloid eingesetzt und zum anderen ein „markiertes“
-Amyloid, bei dem in einer bestimmten Aminosäure Protonen gegen Deuteronen (violett dargestellt) ausgetauscht
worden waren. Im Messdiagramm (rechte Seite der Abbildung) entspricht die rote Kurve der Messung mit nicht markiertem,
die blaue Kurve der Messung mit markiertem -Amyloid. Die ausgeprägten Unterschiede in der Streuung zeigen eindeutig,
dass Peptid in die Membran eingelagert wurde.
Gesundheit
Biologische Systeme bestehen zu einem großen Teil aus
Wasserstoff. Ihre Strukturen werden zwar im Großen
und Ganzen mit Röntgenmethoden bestimmt, aber nur
die einzigartigen Eigenschaften der Neutronen erlauben
es, die genaue Lage der Protonen (Wasserstoffkerne)
eindeutig experimentell festzulegen. Dazu steht als weiteres
Hilfsmittel die Kontrastvariation zur Verfügung:
Im Neutronenstreubild unterscheiden sich die Kerne
des leichten Wasserstoffs (Protonen) sehr stark von
den Kernen des schweren Wasserstoffs (Deuteronen).
Die Möglichkeit, den Streukontrast durch Deuterieren
zu verändern, spielt speziell bei der Untersuchung
komplexer biologischer Vorgänge eine große Rolle.
Ein Beispiel für die Anwendung dieser Methode zur
Klärung einer medizinisch relevanten Fragestellung
zeigt Abb. 3.10. Das Peptid -Amyloid, dessen Ablagerung
oder eventuelle Einlagerung in Zellmembranen
eine Schlüsselrolle bei der Alzheimer-Krankheit spielt,
konnte mittels Kontrastvariation in einer Lipidmembran
lokalisiert werden. Dazu wurde eine spezifi sche Aminosäure
des Peptids mit Deuteronen markiert (violett) und
die Neutronenstreudichte der Membran mit markiertem
und unmarkiertem -Amyloid bestimmt. Die Position
der markierten Aminosäure ist als positive Differenz in
den Neutronenstreudichten zu sehen. Solche Ergebnisse
sind wichtig für das Verständnis biologischer Prozesse
und geben wertvolle Hinweise für die Entwicklung von
Medikamenten.
Diagnostik...
Neutronen werden zur Produktion von Radionukliden
über Kernreaktionen genutzt und dienen so unmittelbar
medizinischen Zwecken. Radionuklide werden sowohl
in der Diagnostik als auch in der Therapie eingesetzt.
Welche Bedeutung sie in der Medizin haben, machen
folgende Zahlen klar: Weltweit werden jährlich
13 Millionen Untersuchungen mit Hilfe von Radionukliden
durchgeführt; jeder dritte Krankenhauspatient
profi tiert vom Einsatz der Radionuklide. In mehr als
der Hälfte der nuklearmedizinischen Anwendungen
wird dabei das Radioisotop 99 Tc eingesetzt, für das
Neutronenquellen die einzigen Lieferanten sind.
... und Therapie
Neutronen werden auch direkt zu therapeutischen
Zwecken eingesetzt: Es gibt Tumorarten, sog. sauerstoffunterversorgte
(hypoxische) Tumore, die durch
Bestrahlung mit Neutronen besser behandelt werden
können als mit konventioneller Strahlentherapie. Die
Abb. 3.11. Proben für die NAA - Quarzampullen mit biologischem
Material in Bestrahlungsbüchsen aus Aluminium.
Prinzip der Neutronenaktivierungsanalyse (NAA):
Wird eine Probe mit Neutronen bestrahlt, können sich einige
Atomkerne in radioaktive Nuklide umwandeln. Durch
Analyse der -Strahlung, die von diesen radioaktiven Kernen
ausgesandt wird, kann auf Art und Konzentration von
chemischen Elementen geschlossen werden, die in der
Probe enthalten sind. Geringste Mengen eines Elementes
lassen sich auf diese Weise bestimmen.
10 4
10 3 150 200 250 300 350 400
Energie (keV)
Abb. 3.12. Ausschnitt eines Gammaspektrums.
Lungengewebe (Ratte). Die Gammalinien des Se-75
(121 keV, 264 keV, 279 keV und 400 keV) sind markiert.
Abb. 3.13. Stent in gespreiztem Zustand.
Nahrungsmittel
Neutronenaktivierungsanalyse ist die Referenz-Methode
zur Bestimmung der Konzentration von Spurenelementen
(s. Abb. 3.11, 3.12). Viele Funktionen in
Organismen können nur aufrechterhalten werden, wenn
bestimmte chemische Elemente in winzigen Mengen
vorhanden sind. Ein Zuviel oder ein Zuwenig kann
zu großen Gesundheitsschäden führen. Ein typisches
Beispiel ist das Selen. Selen ist für den menschlichen
Körper ein starkes Gift, in geringen Mengen
(1,0 – 1,5 µg/kg Körpergewicht) aber lebensnotwendig.
Die Neutronenaktivierungsanalyse liefert hier genaue
Angaben über die absolute Konzentration, mit denen
andere spektroskopische Methoden kalibriert werden.
So ist es verständlich, dass Hersteller von Babynahrung
oder von medizinischer Ersatznahrung typische
Nutznießer der Neutronenaktivierungsanalyse sind.
In beiden Fällen kommt es essentiell auf die richtige
Zusammensetzung der Spurenelemente an.
Medizintechnik
Ein indirekter aber in der Konsequenz ungeheuer wichtiger
Beitrag der Neutronen zur medizinischen Versorgung
ergibt sich aus der Erforschung der sog. Formgedächtnislegierungen.
Bauteile aus solchen Legierungen
„erinnern“ sich immer wieder an eine ihnen einmal
gegebene Gestalt. Verformt man sie, kehren sie durch
eine Temperaturbehandlung wieder in die ursprüngliche
Gestalt zurück. Typische Vertreter dieser Materialklasse
sind Nickel-Titan-Legierungen. Neutronenstreuexperimente
hatten einen entscheidenden Anteil an der
Aufklärung des Erinnerungsmechanismus, der auf
einer martensitischen Phasenumwandlung beruht. Bioverträgliche
Formgedächtnislegierungen spielen nun in
der Medizintechnik eine wichtige Rolle als Implantate.
Ein Beispiel sind Stents, die in Blutgefäße, Harnröhren
oder Gallengängen in zusammengefaltetem Zustand mit
Hilfe eines Katheters eingeführt werden. Bei Körpertemperatur
spreizen sich dann die feinen Gefl echte auf
(s. Abb. 3.13). Diese Art der Dilatation von Blutgefäßen
hat zur Vorbeugung von Infarkten eine herausragende
Bedeutung erlangt.
56 Gesundheit
57