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Strahlenbiologie - DNA-Schäden durch Körperscanner

Gentoxizität durch Terahertzstrahlung?

von Prof. Dr. Helga Stopper

Prof. Dr. Helga Stopper, Henning Hintzsche, Lehrstuhl für Toxikologie, Universität Würzburg

Körperscanner an Flughäfen und die von ihnen verwendete Terahertzstrahlung sind momentan in aller Munde. Sie sollen die Sicherheit auf Flughäfen erhöhen, indem sie eine Vielzahl denkbarer Gefahrstoffe am Körper detektieren. Doch viele Menschen halten ihren Einsatz für ethisch bedenklich, weil der Körper mehr oder weniger nackt dargestellt wird. Darüber hinaus gibt es aber noch eine offene Frage, die derzeit von der Wissenschaft nicht abschließend beantwortet werden kann: Kann Terahertzstrahlung Veränderungen in biologischen Systemen hervorrufen und so eventuell auch die menschliche Gesundheit beeinträchtigen?

Foto: wikipedia.de | Jacopo Werther

Als im Herbst 2008 die EU-Kommission den europaweiten Einsatz von Körperscannern, die damals noch Nacktscanner genannt wurden, vorschlug, kam es zu einer Welle der Empörung und die Bevölkerung lehnte den Einsatz dieser Technologie mehrheitlich ab. Daraufhin versagte das Europäische Parlament dem entsprechenden Verordnungsentwurf seine Zustimmung und die Pläne wurden vorerst zu den Akten gelegt. Die Scanner, die von der Kommission schon vorsorglich angeschafft worden waren, lagern seitdem im Keller und warten auf einen zukünftigen Einsatz. Auch in Deutschland wurde eine Verwendung an hiesigen Flughäfen zu diesem Zeitpunkt von offiziellen Stellen abgelehnt. Der damalige Innenminister Schäuble sagte dazu auf Anfrage, „dass wir diesen Unfug nicht mitmachen“. Im Anschluss wurde der Einsatz der Scanner nicht weiter thematisiert. Dies änderte sich erst Ende 2009. Am ersten Weihnachtsfeiertag gelang es einem Passagier, einen Sprengsatz an Bord eines Airbus‘ zu schmuggeln. Kurz vor der Landung wollte er die Maschine sprengen, was glücklicherweise misslang. Die sich anschließende Debatte über schärfere Sicherheitsvorkehrungen fokussierte sich schnell auf einen Einsatz der Körperscanner.

Ganzkörperscanner

Die Technologie dieser Geräte ermöglicht es, Gegenstände unter der Bekleidung sichtbar zu machen. Dazu gehören neben Materialien, die mit den üblichen Metalldetektoren detektiert werden, auch andere Gefahrgüter, beispielsweise Keramikmesser oder bestimmte Sprengstoffe. Einige Geräte benutzen dazu rückgestreute Röntgenstrahlung, andere verwenden Terahertzstrahlung. Bei letzteren unterscheidet man weiterhin zwischen passiven und aktiven Verfahren. Passiv bedeutet hierbei, dass die zu kontrollierende Person keiner zusätzlichen Strahlung ausgesetzt wird, sondern dass die von jedem Körper abgegebene Wärmestrahlung im Terahertz- Frequenzbereich gemessen wird. Jeder Gegenstand, der am Körper getragen wird, schwächt diese Strahlung ab und kann so erkannt werden. Beim aktiven Verfahren dagegen wird externe Strahlung eingesetzt und man misst, wie viel dieser Strahlung reflektiert bzw. gestreut wird. Diese Methode liefert wesentlich genauere Bilder.

Terahertzstrahlung

Bei Terahertzstrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 0,1 bis 10 Terahertz (THz). Dies entspricht Wellenlängen zwischen 30 ?m und 3 mm und liegt somit im Frequenzspektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Damit gehört sie zum Bereich der nicht ionisierenden Strahlung, d.h., sie kann Molekülbindungen nicht direkt spalten. Im Gegensatz dazu kann ionisierende Strahlung (z.B. Röntgenstrahlung) Moleküle direkt angreifen, indem Bindungen gelöst werden. Während Röntgenstrahlung bereits seit vielen Jahrzehnten in verschiedensten Bereichen eingesetzt wird, gibt es für die Terahertzstrahlung derzeit nur wenige Anwendungen. Der Grund dafür ist, dass die Konstruktion geeigneter Sender und Empfänger bisher technisch nicht möglich war. In den letzten Jahren konnten diese Probleme jedoch weitgehend gelöst werden. Bereits eingesetzt wird die Strahlung in der Spektroskopie und in der Astronomie. Das zurzeit bekannteste Anwendungsbeispiel sind jedoch die Sicher heitskontrollen von Personen an Flughäfen, wobei auch andere Einsatzorte für die Scanner denkbar sind, beispielsweise zur Sicherung von Fähren, Botschaften oder öffentlichen Gebäuden. Weiterhin wird an Systemen gearbeitet, die eine zerstörungsfreie Produktkontrolle während der Herstellung ermöglichen. So können durch Inprozesskontrollen mit Terahertzstrahlung etwa Materialfehler oder umhüllte Fremdpartikel erkannt werden. Auch eine Verwendung in der medizinischen Diagnostik ist bereits möglich. Der Einsatz in der Kommunikationstechnologie zur Übertragung großer Datenmengen ist zwar denkbar, allerdings ist hier noch einiges an Entwicklungsarbeit notwendig.


Wirkungen auf biologische Systeme

Bei jedem breiten Einsatz einer neuen Technologie stellt sich die Frage, ob neben dem Nutzen eventuell auch eine schädliche Wirkung auf biologische Systeme, vor allem auf den Menschen, auftreten kann. Die erwähnte Röntgenstrahlung ist in vielen Studien gut untersucht und die auftretenden Effekte sind bekannt. Durch ihre ionisierende Wirkung kann sie Molekülbindungen lösen und somit auch DNA-Stränge brechen, was in letzter Konsequenz zu Krebserkrankungen führen kann. Anders sieht es für die Körperscanner aus, die mit der passiven Technik arbeiten. Aus Sicht des Strahlenschutzes ist dies unbedenklich, da die Menschen keiner zusätzlichen Bestrahlung ausgesetzt werden. Allerdings liefern diese Scanner auch nur sehr unscharfe Bilder. Und die aktive Terahertz-Technologie? Hier ist eine Beurteilung der Wirkung auf biologische Systeme sehr schwierig, weil bisher nur wenige Studien zu diesem Thema durchgeführt wurden. Sicher ist, dass die Strahlung von Wasser sehr stark absorbiert wird. Das heißt, dass im menschlichen Organismus nur die äußersten Hautschichten betroffen sein können. Und sicher ist auch, dass sie als nicht ionisierende Strahlung Bindungen in Biomolekülen nicht direkt spalten kann.


Publizierte Studien zu Terahertzstrahlung

Die erste Untersuchung in diesem Frequenzbereich wurde bereits 1968 durchgeführt. Damals konnte ein verlangsamtes Wachstum von Bakterien nach einer Strahlenexposition festgestellt werden. Danach wurden erst wieder Ende der 80er- Jahre weitere Arbeiten veröffentlicht. Sie zeigten einen Einfluss auf die DNA-Synthese in kultivierten Zellen. Diese Ergebnisse wurden jedoch von anderen Gruppen bisher nicht bestätigt. Rückblickend ist für diese älteren Arbeiten sicherlich infrage zu stellen, ob die Dosimetrie der Bestrahlung korrekt durchgeführt wurde. In den vergangenen zehn Jahren sind etwa zwanzig Publikationen zu diesem Thema erschienen, jedoch handelt es sich nicht bei allen um experimentelle Originalarbeiten. Die meisten dieser Untersuchungen wurden im Rahmen des EU-Projekts THz-Bridge (Terahertz radiation in Biological Research, Investigations on Diagnostics and study on potential Genotoxic Effects) durchgeführt. Hier wurden verschiedene Endpunkte wie Membrandurchlässigkeit, Genotoxizität, Zellaktivität und Differenzierung untersucht. Die Experimente demonstrierten, dass die Bestrahlung in den meisten Fällen keinen Einfluss auf diese Parameter hatte. Allerdings zeigte sich, dass unter ganz bestimmten Expositionsbedingungen die Membranper meabilität erhöht wurde. Außerdem wurden in Lymphozyten bei Bestrahlungszeiten von mehr als einer Stunde (0,1 THz) Effekte gefunden, die von den Experimentatoren als Genotoxizität interpretiert wurde. Allerdings zeigten sich in einem anderen Projektteil bei nur minimal höheren Frequenzen keine genotoxischen Wirkungen. Insgesamt hat THz-Bridge das Wissen über die Wirkungen von Terahertzstrahlung auf biologische Systeme beträchtlich gesteigert. Allerdings konnten die teilweise widersprüchlichen Ergebnisse bezüglich genotoxischer Effekte bisher nicht erklärt werden. Erwähnt sei noch eine Studie des vergangenen Jahres, die mittels computergestützter Modellierungen zeigen konnte, dass elektromagnetische Felder im Terahertzbereich möglicherweise dazu führen, dass sich die einzelnen Stränge des DNADoppelstrangs voneinander ablösen. Ob das verwendete Modell jedoch tatsächlich korrekt ist und vor allem, ob sich diese Effekte auch experimentell zeigen lassen, bleibt abzuwarten. Allen bisherigen Studien ist gemeinsam, dass nur der unterste Frequenzbereich untersucht wurde. Die höchste bisher untersuchte Frequenz beträgt 0,35 THz; mit dieser Strahlung wurden im Jahr 2002 Hefezellen exponiert, die daraufhin eine veränderte Wachstumsgeschwindigkeit zeigten. Alle anderen Arbeiten beschreiben Expositionen, die im Bereich von 0,10 THz bis 0,14 THz liegen. Höhere Frequenzen liegen buchstäblich im Dunklen.


Derzeitige Untersuchung

Doch auch dieser Teil des Frequenzspektrums soll nun untersucht werden. Dazu wird momentan eine Studie im Auftrag des Bundesamtes für Strahlenschutz durchgeführt. Beteiligt sind die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und die Universitäten Braunschweig, Marburg, München und Würzburg. Es handelt sich um Zellkulturversuche, zum Einsatz kommen menschliche Hautzellen, da wie erwähnt bei Expositionen des Menschen die Haut das hauptsächlich betroffene Organ ist. Verwendet werden primäre Hautfibroblasten und HaCaT-Zellen, eine permanente Keratinozyten-Zelllinie. Die untersuchten Frequenzen reichen von 0,106 THz bis 2,520 THz, befeldet wird jeweils für zwei und acht Stunden mit Intensitäten zwischen 0,1 mW/cm² und 2 mW/cm². Zur Generierung der Strahlung werden ein Frequenzvervielfacher und ein Rückwärtswellenoszillator an der PTB bzw. ein Ferninfrarot- Laser an der TU Braunschweig eingesetzt. Anschließend werden die Zellen in Würzburg am Lehrstuhl für Toxikologie analysiert. Hier wird untersucht, ob das Erbmaterial der Zellen geschädigt wurde. Dazu werden zwei etablierte Methoden der Gentoxizitätsprüfung verwendet, der Comet Assay und der Mikrokerntest. Beim Comet Assay werden Doppel- und Einzelstrangbrüche der DNA sowie so genannte alkalilabile Stellen quantifiziert. Dagegen wird beim Mikrokerntest untersucht, ob ganze Chromosomen oder Bruchstücke davon bei der Zellteilung nicht ordnungsgemäß auf die beiden Tochterzellkerne verteilt wurden. In der ersten Versuchsreihe konnten bisher keine Schädigungen beobachtet werden. Allerdings ist zum derzeitigen Zeitpunkt noch keine definitive Aussage zum Ausgang der Experimente möglich. Dazu müssen erst Replikatversuche durchgeführt und ausgewertet werden. Endgültige Ergebnisse werden für die zweite Jahreshälfte 2010 erwartet.

Foto: wikipedia.de | Jacopo Werther