Open Access

Annika Hinrichs

• Das radioaktive Edelgas Radon und seine ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukte machen den größten Teil der natürlichen Strahlenbelastung in Deutschland aus. Trotz der Einstufung als krebserregend für Lungenkrebs wird es zur Therapie entzündlicher Krankheiten eingesetzt. Der hauptsächliche Aufnahmemechanismus ist dabei die Inkorporation über die Atmung, wobei Radon auch über die Haut aufgenommen werden kann. Radon wird dabei über das Blut im gesamten Körper verteilt und kann in Gewebe mit hoher Radonlöslichkeit akkumulieren. Die Zerfallsprodukte verbleiben jedoch in der Lunge, zerfallen dort, bevor sie abtransportiert werden können und schädigen das dortige Gewebe. Die Lungendosis wird laut Simulationen zum größten Teil durch die kleinsten Radon-Zerfallsprodukte (< 10 nm) bestimmt, die besonders effektiv im Respirationstrakt anheften. Die erzeugte Dosis ist dabei aufgrund der inhomogenen Anlagerung der Zerfallsprodukte lokal stark variabel. In Simulationen wurden Bifurkationen als Ort besonders hoher Deposition identifiziert, wobei die experimentelle Datenlage zur Deposition kleinster Radon-Zerfallsprodukte eingeschränkt ist. Aufgrund des Anstiegs der Komplexität von Simulationen oder Experimenten wird in den meisten Betrachtungen nicht der oszillatorische Atemzyklus berücksichtigt, sondern lediglich ein einseitig gerichteter Luftstrom betrachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein experimentelles Modell entwickelt und etabliert, das die Messung der Deposition von Radon-Zerfallsprodukten ermöglicht und zwischen drei Größenfraktionen (Freie Zerfallsprodukte: < 10 nm, Cluster: 20-100 nm, Angelagerte Zerfallsprodukte: > 100 nm) unterscheiden kann. Der Luftfluss durch das Modell bildet sowohl die Inhalation als auch die Exhalation ab. Erste Experimente mit dem neu entwickelten Messaufbau konnten die aus Simulationen bekannte erhöhte Deposition der freien Zerfallsprodukte in einer Bifurkation abbilden. Die Vergrößerung des Bifurkationswinkels von 70° auf 180° zeigte lediglich einen minimalen Anstieg in der Größenordnung des Messfehlers. Der dominierende Prozess der Anlagerung der freien Zerfallsprodukte ist die Brown'sche Molekularbewegung, die unabhängig vom Bifurkationswinkel ist. Dennoch kann ein veränderter Winkel die Luftströmung und entstehende Turbulenzen verändern, wodurch die Deposition beeinflusst werden kann. Dies lässt sich jedoch mit dem hier benutzten Messaufbau nicht auflösen. Entgegen der Beobachtungen in der Literatur führte die Erhöhung der Atemfrequenz von 12 auf 30 Atemzüge pro Minute, in den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimenten, zu keiner messbaren Veränderung der Deposition. Diese Beobachtung ist auf die Entstehung gegensätzlicher Effekte zurückzuführen. Einerseits führt eine schnellere Luftströmung zu kürzeren Aufenthaltszeiten der freien Zerfallsprodukte im Modell, wodurch die Deposition unwahrscheinlicher wird. Andererseits entstehen vermehrt sekundäre Strömungen und absolut betrachtet werden mehr Partikel durch das Modell gepumpt. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Effekte im hier getesteten Bereich aufheben. Als potentielle Schutzmaßnahme zur Reduktion der Lungendosis konnte im Rahmen dieser Arbeit die Filtereffzienz von Gesichtsmasken (OP-Masken, FFP2 Masken) gegenüber Radon und seinen Zerfallsprodukten bestimmt werden. Während Radon nicht gefiltert wird, wurden die freien Zerfallsprodukte fast vollständig (> 98%) und die Cluster zum größten Teil (≈ 80 %) zurückgehalten. Radon selbst kann im gesamten Organismus verteilt werden und dort in Gewebe akkumulieren. Zur Bestimmung der Dosis wird dabei auf biokinetische Modelle zurückgegriffen. Diese sind von der Qualität ihrer Eingabeparameter abhängig, wobei beispielsweise die Werte zur Verteilung von Radon zwischen Blut und Gewebe auf experimentell gewonnenen Löslichkeitswerten aus Mäusen und Ratten beruhen. Unbekannte Werte werden von der Internationalen Strahlenschutzkommission basierend auf der Gewebezusammensetzung als gewichteter Mittelwert berechnet. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit in humanen Blutproben und wässrigen Lösungen verschiedener Konzentrationen der Blutproteine Hämoglobin und Albumin bestimmt. Es löste sich mehr Radon in Plasma als in Erythrozytenkonzentrat und Vollblut. Die Protein-Lösungen zeigten keine Konzentrationsabhängigkeit der Löslichkeit, sondern lediglich in hitzedenaturiertem Hämoglobin wurde eine niedrigere Löslichkeit gemessen. Basierend auf diesen Beobachtungen, sollte die These überprüft werden, ob sich die Löslichkeit einer Mischung als gewichteter Mittelwert der einzelnen Löslichkeiten berechnen lässt. Daher wurden diese in einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten (1-Pentanol, Ölsäure) bestimmt. Die experimentell bestimmte Löslichkeit war dabei fast doppelt so groß wie der berechnete Wert. Dieser Unterschied kann dadurch zustande kommen, dass bei einer Berechnung basierend auf der Zusammensetzung die Wechselwirkungen zwischen den Lösungsmitteln vernachlässigt werden. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit experimenteller Daten zur Verteilung und Lösung von Radon in verschiedenem Gewebe.
• The radioactive noble gas radon together with its progeny are responsible for the largest amount of the natural radiation exposure in Germany. Despite being classified as carcinogenic for lung cancer, it is used for treating inflammatory diseases. The main route of intake is incorporation during inhalation, where radon is distributed within the whole body via blood flow and accumu- lates in tissue with high radon solubility. Additionally, the uptake through the skin is possible. In contrast, radon progeny deposit in the respiratory tract and decay before clearance can occur damaging the tissue. Based on simulations the smallest fraction of progeny (< 10 nm) are the main contributor to lung dose due to their effective deposition. Because of the inhomogeneous deposition pattern the resulting dose is variable. Simulation determined bifurcations as hotspot regions of high deposition while data from experimental studies considering the smallest progeny are rare. Due to increasing complexity of simulations and experiments most publications focus on an unidirectional airflow neglecting the oscillatory properties of breathing. In the presented work a new experimen- tal setup was designed and established including airflow patterns representing inspiration and expiration and enabling the measurement of progeny deposition differentiating between three size fractions (Unattached progeny: < 10 nm, Cluster: 20-100 nm, Attached progeny: > 100 nm). First experiments were able to reproduce the increased deposition of unattached progeny in bifurcations known from simulations. Enlargement of the bifurcation angle from 70° to 180° only revealed a slightly higher deposition in the same order of magnitude as the measurement error. The dominating deposition mechanism acting on unattached progeny is Brownian motion, which is independent of the bifurcation angle. However, alterations of the angle might influence airflow patterns and occurring turbulences, which then effect deposition but can't be resolved with the used measurement setup. In contrast to observations in literature, increasing the breathing frequency from 12 to 30 breaths per minute showed no effect, which might be due to opposing effects. On the one hand, higher airflow rates decrease the residence time of unattached progeny within the model making deposition less likely. On the other hand, more pronounced secondary air currents develop and considering absolute numbers more particles travel through the model. In the tested range of breathing frequency it can be assumed that these effects cancel each other out. As a potential safety measurement to decrease the lung dose the filtration effciency of face masks (Surgical mask, FFP2 mask) against radon and its progeny was tested. While radon isn't reduced, unattached progeny are nearly completely retained within the mask (> 98 %) and also the largest proportion of the clusters (≈ 80 %). Radon itself can be distributed throughout the whole organism and accumulate within different tissues. Dose calculation is based on biokinetic models. They're dependent on input parameters like the distribution of radon within air and blood, which is based on experimental data observed in mice and rats. Solubility in tissues for which no data is available are calculated by the International Commission on Radiological Protection (ICRP) as a weighted average based on tissue composition. In the presented work radon solubility was determined in human blood samples and aqueous solutions of different concentrations of hemoglobin and albumin which are the most frequent proteins in human blood. More radon was dissolved in plasma compared to erythrocytes and whole blood. The solubility in protein dissolutions didn't show any concentration dependence and only revealed a decreased solubility if hemoglobin was heat denatured. Based on these observations, the hypothesis of calculating the solubility of a mixture as mass-weighted average of the single values should be tested. Therefore, solubility was measured within a mixture of two liquids (1-pentanol, oleic acid). Experimentally determined solubility was nearly twice as high as calculated solubility, not confirming the hypothesis. This difference might be caused by neglecting the interaction between the two solvents when using the mass-weighted average for calculation. This illustrates the necessity of experimental data of radon solubility within different tissues.