Strahlenbiologie / Radiation Biology Teil 1 / Part 1

Aus der Reihe Handbuch der medizinischen Radiologie Encyclopedia of Medical Radiology

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Einband

Taschenbuch

Erscheinungsdatum

29.02.2012

Herausgeber

A. Zuppinger

Verlag

Springer Berlin

Seitenzahl

726

Maße (L/B/H)

27.9/21/4 cm

Gewicht

1779 g

Auflage

Softcover reprint of the original 1st ed. 1966

Sprache

Deutsch, Englisch

ISBN

978-3-642-99901-7

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von Bd. II/I.- A. Direct and indirect effects of ionizing radiations.- I. History.- Primary physical steps.- II. The direct action theory.- 1. Sigmoid-shape survival curves.- 2. Genetic effect caused by single hits in genes.- 3. Estimate of target sizes.- 4. Associated volume-method modified for very large targets and soft Roentgen rays.- a) Further factors involved in the estimation of target-sizes.- b) Extension of experiments with dry substances.- c) Summary.- III. A contrasting point of view.- IV. The indirect action theory.- 1. The formation of radicals in water by irradiation.- 2. Criterion of the indirect action: the “dilution effect”.- 3. The protection effect.- 4. Futher yield — dose relationships.- 5. The yield-concentration dependence for the deamination of amino acids.- 6. The protection effect as an analytical tool.- 7. Note on radiation “Yield”.- 8. Interrelation between direct and indirect mode of action of radiation.- 9. The oxygen effect.- 10. The effect of inert gases and of nitric oxide (NO) in relation to the oxygen effect.- 11. Water content as a modifying factor of radiation sensitivity.- 12. Phase effect.- 13. Radiation effects in polymers.- 14. The significance of microwave spectroscopy (electron spin resonance).- V. Clinical applications.- VI. Concluding remarks.- References.- B. Strahlenchemie des Wassers, wässriger Lösungen und einfacher organischer Verbindungen.- I. Allgemeine Gesichtspunkte der Darstellung strahlenchemischer Ergebnisse.- 1. Begriff und Ziel der Strahlenchemie.- 2. Strahlenchemische Ausbeute.- 3. Dosimetrische Grundlagen.- 4. Chemische Nachweisverfahren.- a) Manometrie.- b) Viscositätsmessung.- c) Chromatographie und Elektrophorese.- d) Titration.- e) Colorimetrie und Spektralphotometrie.- f) pH-Messung und Konduktometrie.- g) Radioisotopennachweis.- h) Die paramagnetische Resonanzabsorption.- i) Massenspektrometrie.- II. Strahlenchemie anorganischer wässriger Systeme.- 1. Strahlenchemie des Wassers.- a) Einleitung und Allgemeines.- b) Strahlenchemische Primärreaktionen des Wassers.- ?) Hochionisierende Strahlungen.- ?) Strahlungen mit geringer spezifischer Ionisation.- ?) Einfluss des Sauerstoffes.- ?) Elektronische Zustände in bestrahltem Eis.- 2. Die Strahlenoxydation von Eisensulfat.- a) Allgemeines.- b) Analytische Messverfahren.- c) Absolutmessung des Umsatzes.- d) Phänomenologie der Eisen(II)-Strahlenoxydation.- e) Natur der aktiven Wasserprodukte.- f) Luft- respektive O2-Gehalt.- g) Strahlungen mit verschiedener spezifischer Energieabgabe.- 3. Strahlenchemie anderer wässriger Elektrolytlösungen.- a) Einfache Strahlenoxydationen.- b) Einfache Strahlenreduktionen.- c) Wirkungen in Stoffgemischen.- 4. Kritischer Ausblick.- III. Strahlenchemie einfacher organischer Verbindungen.- 1. Abgrenzung des Gegenstandes.- 2. Die organische Molekülbindung.- a) Allgemeines.- b) Modellmässige Darstellung der Molekülbindung.- c) Verfeinertes wellenmechanisches Modell.- d) Die Bindungsverhältnisse des Kohlenstoffatoms.- e) Bindungsenergien.- 3. Strahlenreaktionen in der Gasphase.- a) Einfachste Kohlenstoffverbindungen.- b) Butane und ungesättigte C4-Kohlenwasserstoffe.- ?) Butane.- ?) Butene.- ?) Butadiene.- c) Octane.- 4. Strahlenchemische Reaktionen in konventionellen Systemen.- a) Kohlenwasserstoffe.- ?) Methan.- ?) Andere gasfürmige Paraffine.- ?) Hörhere Paraffine.- ?) Ungesättigte Kohlenwasserstoffe.- ?) Cyclische Kohlenwasserstoffe.- ?) Gemische zwischen Benzol und anderen Stoffen.- b) Organische Halogenverbindungen.- c) Sauerstoffhaltige Verbindungen.- ?) Alkohole.- ?) Äther.- ?) Aldehyde und Ketone.- ?) Säuren.- d) Stickstoff- und schwefelhaltige Verbindungen.- e) Organische Lösungen.- IV. Strahlenchemie wässriger Lösungen einfacher organischer Stoffe.- 1. Allgemeines.- 2. Aliphatische Kohlenwasserstoffe.- 3. Benzol.- 4. Halogenverbindungen.- 5. Sauerstoffhaltige Verbindungen.- a) Alkohole.- b) Aldehyde.- c) Säuren.- 6. Stickstoffhaltige Verbindungen.- a) Amine.- b) Aminosäuren.- 7. Schwefelhaltige Verbindungen.- 8. Farbstoffe.- 9. Stoffe verschiedener Zusammensetzung.- 10. Einige organische Synthesen.- Literatur.- C. Changes in macromolecules produced by ionizing radiations.- I. Macromolecules as the site for the initial chemical lesion.- II. The different types of effects produced in macromolecules.- 1. Influence of external factors on radiation effects in macromolecules.- a) Oxygen.- b) Protection by added substances.- III. Crosslinking and degradation of synthetic polymers.- 1. Degradation.- 2. Inter-molecular crosslinking.- 3. Intra-molecular crosslinking.- 4. Relation between structure and radiation response.- a) Direct action.- b) Indirect action.- 5. Intra-molecular energy transfer and electron spin resonance of trapped radicals.- IV. Effect of radiation on the structure of proteins.- 1. Indirect action.- a) Oxygen effect.- b) Difference between irradiation with ?-particles and with Roentgen rays.- 2. Direct action.- Oxygen effect, protection and e.s.r. signals.- V. Effect of radiation in nucleic acids and nucleoproteins.- 1. Indirect action.- a) Changes in size and shape.- a) Changes in size and shape.- b) Chemical changes.- c) Changes produced in cellular nucleoproteins.- 2. Direct action.- a) Effect on nucleoprotein.- b) Action of polonium ?-particles.- c) Trapped radical and protection by added substances.- VI. Changes produced in polysaccharides.- VII. Biological implications.- References.- D. Irradiation effects on enzymes (in vitro).- 1. Introduction.- 2. Earlier literature.- 1. Denaturation of proteins and enzymes.- 1. SH enzymes.- 2. The “mixed disulphide” hypothesis.- 3. Non-SH groups in protein molecules affected by radiation.- II. Inactivation of enzymes in aqueous solutions.- 1. Radiation yields.- 2. Surface films of enzymes.- 3. Which of the primary or secondary radiation products from water are the active agents of radiation effects?.- 4. The effect of densely-ionizing radiations on enzymes (?-radiation).- 5. Conjugated enzymes.- III. Modification of enzymic characteristics.- 1. Change of the Michealis constant.- 2. Bifunctional enzymes.- 3. After-effects.- IV. Irradiation of interrelated enzyme systems.- V. Concluding remarks.- References.- E. Einfluss der Strahlenqualität auf die Strahlenwirkung.- I. Einleitung.- II. Der lineare Energietransfer (LET).- III. Die Abhängigkeit physikalischer und chemischer Strahlenwirkungen von der Strahlenqualität.- IV. Die Abhängigkeit biologischer Strahlenwirkungen von der Strahlenqualität.- 1. Biologische Elementareinheiten.- 2. Zelle und Zellteilung.- 3. Organe und Gewebe.- 4. Letaleffekte und Wachstumshemmung bei höheren Organismen.- 5. Früh- und Spätreaktionen.- 6. Nebenbedingungen.- V. Die biophysikalische Deutung.- VI. Die RBW ionisierender Strahlenarten in Strahlentherapie und Strahlenschutz.- Literatur.- F. Der Zeitfaktor.- I. Einleitung.- 1. Historisches.- 2. Erläuterungen einiger Begriffe.- II. Theoretischer Teil.- 1. Voraussetzungen für das Zustandekommen eines Zeitfaktors.- 2. Allgemeiner mathematischer Ansatz.- a) Die Kinetik der Strahlenwirkung.- b) Berücksichtigung des Zeitfaktors im mathematischen Modell.- c) Die reversible und die irreversible Komponente der Strahlenwirkung.- d) Die verschiedenen Wirkungsstufen, auf denen es zu einem Zeitfaktor kommen kann.- e) Berücksichtigung der spontanen physiologischen Abläufe.- 3. Mathematische Modelle für komplexere Strahlenreaktionen.- III. Experimenteller Teil.- 1. Celluläre Strahlenwirkungen.- a) Celluläre Sofortreaktionen.- b) Mitosestörungen.- ?) Mitosehemmung.- ??) Kontinuierliche Bestrahlung.- ??) Fraktionierung.- c) Zelltod.- d) Ultrafraktionierung.- e) Neuere Zeitfaktorstudien an Zell- und Gewebekultnren.- f) Zeitfaktor und RBW bei cellulären Strahlenwirkungen.- 2. Der Zeitfaktor bei geweblichen Strahlenwirkungen.- a) Mausergewebe.- ?) Blutbildende Organe und peripheres Blut.- ??) Kontinuierliche Bestrahlung.- ??) Fraktionierung.- ?) Schleimhäute.- ?) Gonaden.- ??) Hoden.- ??) Ovar.- b) Nervensystem.- ?) Funktionelle Störungen.- ?) Morphologisch fassbare Veränderungen.- ?) Das zentralnervöse Syndrom bei sehr hohen Strahlendosen.- 3. Die akute Strahlenmortalität.- a) Die Erholung bei Totalbestrahlung (Fraktionierungsversuche).- b) Protrahierung.- 4. Störungen der Embryonalentwicklung.- 5. Wachstumsstörungen des Skeletsystems.- 6. Strahlenspätschäden unter besonderer Berücksichtigung des Strahlenkrebses.- a) Der Strahlenkrebs.- b) Strahlenkatarakt.- c) Andere degenerative Strahlenspätschäden, Lebensverkürzung und vorzeitige Alterung.- 7. Strahlengenetik.- a) Punktmutationen.- b) Chromosomenaberrationen.- 8. Zeitfaktorstudien an Tiertumoren.- IV. Klinischer Teil.- 1. Einleitung.- 2. Übliche Methoden der Protrahierung und Fraktionierung.- 3. Formales zur graphischen Darstellung äquivalenter Röntgendosen.- 4. Der Zeitfaktor bei der Strahleneinwirkung auf Haut und Tumoren und seine Bedeutung für die Strahlentherapie.- a) Haut.- ?) Protrahienmg, Fraktionierung mit veränderter aktueller Dosisleistung.- ?) Zeitfaktor bei Fraktionierung.- b) Andere Zeitfaktorbeobachtungen.- c) RBW und Zeitfaktor.- d) Klinische Beobachtungen über den Zeitfaktor an Tumoren.- e) Kritik der klinischen Zeitfaktorbetrachtungen.- 5. Verschiedene Fraktionierungsverfahren.- Literatur.- G. Some aspects of the effects of radiations on the metabolism of tissues and tumours.- Basic mechanisms.- 1. Effects of radiations on metabolic processes in relation to radiosensitivity.- a) Introductory discussion.- b) Highly radiosensitive biochemical changes: observed after small doses up to about 100–150 rads.- ?) Effects on the metabolism of organic phosphates and related biochemical changes.- ??) Increase of organic acid-soluble phosphorus content of leukocytes and erythrocytes.- ??) Increase in acid-hydrolysable phosphate in Phycomyces Blakesleeanus.- ??) Decrease of mitochondrial phosphorylation and related biochemical changes, including loss of NAD (DPN).- ??) Inhibition of nuclear phosphorylation.- ?) Loss of sodium and potassium from cell nuclei after irradiation in vivo and in vitro.- ?) Effects on nucleic acid metabolism and associated changes.- ??) Inhibition of the incorporation of precursors into the DNA of highly radiosensitive cells.- ??) Radiosensitivity of the synthesis of fractions of the nuclear RNA and related observations of fundamental biochemical interest.- ??) Accumulation of nucleotides and RNA.- ??) Changes in nucleoproteins and related compounds demonstrable by fluorescence microscopy.- ??) Decrease of concentration of cytoplasmic solids of lymphocytes after irradiation.- ??) Labilization of deoxyribonucleoproteins and effects on the nucleoprotein system of the nucleus after irradiation in vivo.- ??) Effects of small doses of radiation on preparations of deoxyribonucleoproteins in vitro.- ?) Highly radiosensitive changes in the matrix of connective tissues.- ?) Temporary oedema after irradiation.- ?) Increase in the activity of certain enzymes and enzyme systems after irradiation.- ??) Cathepsin.- ??) Acid deoxyribonuclease.- ??) Ribonucleases.- ??) 5-Nucleotidase.- ??) Acid phosphatase and ?-glucuronidase.- ??) Delta-aminoaevulic acid dehydrase (ALAD).- ??) Tryptophane-auxin enzyme of animal tissues.- ??) Plasma peptidase.- ??) Transaminase activities of serum.- ??) Synthesis of antibodies.- ??) Level of 17 -hydroxycorticosteroids in plasma in man.- ?) Decrease in enzyme activity after irradiation with small doses.- ??) Nuclear catalase and evidence concerning its relationship to radio-sensitivity.- ??) Cholinesterase activity of blood and serum, and some effects on acetyl-choline metabolism.- ?) Increased rate of formation of methaemoglobin in mammalian red blood cells after total body irradiation with very small doses.- ?) Effects on iron metabolism.- ??) Depression of tracer iron uptake curve in rat erythrocytes after total body irradiation with small doses.- ??) Effects on plasma iron concentration after total body irradiation with small doses.- ?) Various biochemical effects of small doses of radiation.- ??) Studies of blood cells using methionine-35S.- ??) Depletion of the ascorbic acid content of the adrenal gland.- ??) Biochemical changes in the radiosensitive mould Phycomyces Blakesleeanus.- ?) Relation between 5-hydroxy-tryptamine (serotonin) and the effects of irradiation at low dose levels.- ?) Urinary excretion of metabolites after irradiation with particular reference to small doses.- ??) Increased urinary excretion of taurine and other amino-acids, except BAIBA.- ??) Increased urinary excretion of beta-aminoisobutyric acid (BAIBA).- ??) Increased urinary excretion of deoxycytidine.- ??) Urinary deoxyribonucleases.- ??) End products of metabolism of 5-hydroxy-tryptamine.- ??) Decreased urinary excretion of 2-aminoethanol after irradiation.- ??) “Corticoid-like substances”.- ?) Relevant electronmicroscopical studies observed after small doses of radiation.- ?) Certain physiological and biophysical changes of biochemical interest observed after irradiation with small doses.- ??) Effects of small doses of radiation on the nervous system.- ??) Effects on visual function.- ??) Reflex-like responses of lower animals to ionizing radiation.- ??) Effects of small doses of radiation on an electrical potential difference in the onion root.- ??) Inhibition of salivary secretion.- ??) Effects on mast cells.- ?) Some relevant highly radiosensitive physical and physico-chemical changes.- ??) Changes in the ?-potential of colloids after irradiation at low dose levels.- ??) Some other studies of the effects of radiation on colloids.- ??) Electron spin resonance studies.- 2. The role of DNA in the effects of ionizing radiations on the metabolism of normal tissues and malignant tumours.- a) Effects of radiation on the division cycle of proliferating cells and on the metabolism of DNA.- b) Further evidence concerning the problem of the action of radiation on DNA synthesis.- c) Relative biological efficiency for inhibition of DNA synthesis.- d) Further evidence concerning the biochemical effects of irradiation, in relation to DNA synthesis, especially during the G1 phase.- e) Relationship between the inhibition of DNA synthesis by ionizing radiation and the content of NAD (DPN).- f) Some general considerations including effects of irradiation in the G2 phase.- 3. Some aspects of the relationship between DNA and RNA and protein synthesis, with special reference to the effects of irradiation.- 4. Evidence concerning the effects of irradiation in vivo on DNA and nucleoproteins.- 5. Effects of irradiation in vitro on DNA and nucleoproteins.- 6. Tentative conclusions.- H. Genetic effects of ionizing radiations.- I. Introduction and description of the genetic materials.- 1. Scope.- 2. The genetic apparatus.- a) The bearers of the genetic information.- b) Cell division.- c) Chromosomal genes.- d) Non-chromosomal genes.- e) Meiosis.- f) Somatic crossing over.- g) Sex determination.- h) Responses to radiation.- II. Effects on the genetic materials.- 1. Changes in the fine structure.- a) Kinds of gene change.- b) The nature of the mutated gene. Kinds of evidence.- c) Evidence from recombination.- d) Evidence from reversible and irreversible mutations.- e) Evidence from comparisons of induced and spontaneous mutations.- f) Mechanisms of mutation. Target theory and copy error theory.- g) Evidence from the times of completion of mutations.- h) Evidence from irradiated viruses.- i) Evidence from chimaeras and sectorials.- k) The coding of the genetic information.- 2. Coarse changes.- a) Kinds of change in the gene string.- b) Breakage and its consequences.- c) The distance over which rejoining may occur.- d) The proportion of breaks which restitute.- e) The time over which the breaks remain open.- f) Number of ionizations required to produce a break.- g) Induced crossing over.- 3. Genetic consequences of physiological damage.- a) Methods of study.- b) Spindle effects and induced polyploidy.- c) Chromosome stickiness.- d) Division lag.- 4. Non-chromosomal structures.- 5. Effects during prolonged interphase.- III. Response in relation to dose and its distribution in time and space.- 1. Linear responses with dose.- a) Gene mutations.- b) Single hit chromosome and chromatid aberrations.- c) Changes of uncertain origin.- 2. Non-linear responses with dose.- a) Two-hit rearrangements.- b) High dose effects.- 3. Dose rate and fractionation effects.- 4. Ion density effects.- IV. Sensitivity, resistance and the modification of genetic damage.- 1. Sensitivity of the nucleus and cytoplasm.- a) Microbeam experiments.- b) Other tests.- 2. Natural variations in sensitivity.- a) Chromosome number and size.- b) Polyploidy.- c) Stages in the mitotic cycle.- d) Diffuse centromeres.- 3. Mutations to radioresistance.- 4. Artificial modification of the effects.- a) Oxygen and other gases.- b) Temperature, infra-red and ultraviolet.- c) Other modifying agents.- 5. Extent of the opportunity for post-irradiation repair of genetic damage.- V. Radiomimetic effects.- 1. Ultraviolet and photoreversal.- 2. Mustard gas and other organic chemicals.- 3. Inorganic agents.- 4. Mutagenicity and carcinogenicity.- VI. Effects in individuals, populations, mammals and man.- 1. Heritable effects in individuals.- a) Dominant lethal changes.- b) Hereditary partial sterility.- c) Dominant sterility.- d) Dominant gene mutations.- e) Recessive lethal and deleterious mutations.- f) Sex linked mutations.- g) Rate doubling dose.- h) Continuously variable characters.- i) Detriment versus benefit.- k) Induced as compared with natural mutations.- 2. Effects in populations.- 3. Effects in somatic cells.- a) Causes of cell destruction.- b) Tumour induction.- c) Cell population dynamics.- d) Aging of exposed individuals.- 4. Mammalian studies relating to hazards.- a) Chromosomal effects.- b) Specific locus mutations.- c) Induced mutation rates.- d) Dose-rate effects.- e) Male and female sensitivity.- f) The possibility of recovery.- g) Heritable effects on longevity.- h) Other quantitative characters.- i) Somatic mutations.- k) Applications to man.- 5. Human studies.- a) Congenital abnormalities.- b) Effects on the sex ratio.- c) Somatic mutation.- 6. Quantitative assessments of hazards.- a) Frequencies of hereditary diseases.- b) Mutation versus selection.- c) Doubling dose for man.- d) Calculations based on the prevalence of hereditary disease.- e) Calculations based on total “genetic deaths”.- f) Calculations based on consanguineous marriage data.- g) Quantitative characters.- h) Incompleteness of present information and methods of study.- 7. Problems of permissible exposures.- Namenverzeichnis — Author-Index.

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