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