Neue Einblicke in den Strahlenschutz: Wie Americium und Dekorporations­mittel auf Nierenzellen wirken

Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Technischen Universität Dresden (TUD) hat erstmals untersucht, wie die radioaktiven Elemente Americium und Curium sowie die Dekorporationsmittel DTPA und LIHOPO auf Nierenzellen wirken. Die Ergebnisse liefern wichtige Impulse für die Entwicklung neuer Therapien nach der Aufnahme radioaktiver Stoffe und für den Strahlenschutz. Die Studie des Zentralen Radionuiklidlabors der TUD wurde kürzlich in der Fachzeitschrift „Ecotoxicology and Environmental Safety“ veröffentlicht.

Americium und Curium entstehen im Kernbrennstoffkreislauf und könnten bei unsachgemäßem Umgang oder bei Störfällen in die Umwelt gelangen. Falls sie durch Verzehr kontaminierter Nahrung in den menschlichen Körper gelangen, lagern sie sich in Leber, Knochen und Nieren ab. Dort wirken beide Elemente nicht nur als chemische Giftstoffe, sondern durch die von ihnen ausgehende ionisierende Strahlung auch radiotoxisch. Für die Behandlung kommen sogenannte Dekorporationsmittel zum Einsatz, die diese Radionuklide binden und somit ihre Ausscheidung fördern.

In der aktuellen Studie haben die Forschenden untersucht, wie das radioaktive Nuklid ²⁴³Am (Americium) mit Nierenzellen von Ratten im Labor reagiert. Außerdem prüften sie, wie zwei spezielle Dekorporationsmittel – CaNa₃-DTPA und 3,4,3-LI(1,2-HOPO) – dabei helfen können, den Stoff wieder aus dem Körper zu entfernen. Der Wirkstoff LIHOPO gilt dabei als besonders vielversprechender Kandidat für eine zukünftige Behandlung.

Chemotoxizität und Radiotoxizität erstmals getrennt analysiert

Die Ergebnisse zeigen: Americium schädigt Nierenzellen stark. Die Zellen waren deutlich weniger lebensfähig, ihre Struktur veränderte sich sichtbar. Es kam zu oxidativem Stress, zur Aktivierung von Caspasen (ein Zeichen für programmierten Zelltod) und zu mehr DNA-Doppelstrangbrüchen. Erstmalig wurde außerdem der Anteil der Strahlendosis isoliert von der chemischen Giftwirkung gemessen. Dr. Thomas Kormolls Arbeitsgruppe Strahlungsphysik des Instituts für Kern- und Teilchenphysik analysierte die Strahlendosis des Americiums in einem mikrodosimetrischen Modell. Die Analyse zeigte: Unter den Versuchsbedingungen stammt der größte Teil der Strahlendosis aus dem Americium im umgebenden Medium, nicht aus dem in den Zellen befindlichen.

„Unsere Daten erlauben erstmals eine differenzierte Betrachtung chemotoxischer und radiotoxischer Effekte von Americium auf Nierenzellen“, erklärt Erstautorin Dr. Anne Heller, ehemalige wissenschaftliche Mitarbeiterin der Professur für Radiochemie/Radioökologie an der TUD. „Insbesondere die hohe Bedeutung der α-Strahlung extrazellulären Americiums und der geringe Beitrag intrazellulären Americiums war bisher weder belegt noch erwartet.“ Dr. Thomas Kormoll, ergänzt: „In dieser Arbeit gelang es erstmals, den Kreis von der physikalischen Dosimetrie auf Zellebene über externe Referenzbestrahlungen bis hin zu den zellulären Auswirkungen vollständig zu schließen. Diese umfassende Verknüpfung bietet zukünftig zahlreiche Ansatzpunkte, um weitere grundlegende Daten zu gewinnen und das Verständnis von Strahlenwirkungen auf zellulärer Ebene zu vertiefen.“

Dekorporationsmittel mit sehr unterschiedlichem biologischem Profil

Ein wichtiges Ergebnis ist der Vergleich der beiden Wirkstoffe: DTPA bindet Americium so, dass die entstandenen Komplexe kaum in die Zellen gelangen. Dadurch wird weniger Americium aufgenommen und die Zellen werden deutlich weniger biochemisch geschädigt. LIHOPO verhält sich anders: Es bildet Komplexe, die gut in die Zellen eindringen. Unter den Laborbedingungen führte das zu einer höheren Aufnahme von Americium und damit zu stärkeren chemischen Zellschäden. Allerdings deutet das auch darauf hin, dass diese Komplexe im Körper – wo die Bedingungen anders sind – möglicherweise wieder aus den Zellen herausgelangen und über das Blut abtransportiert werden könnten.

© Dr. Anne Heller

„Diese Befunde liefern eine mögliche Erklärung für das bessere Abschneiden von LIHOPO im Vergleich zu DTPA in präklinischen Studien: LIHOPO besitzt das Potential, bereits in Zellen eingelagertes Americium wieder zu mobilisieren, wohingegen DTPA lediglich Americium binden kann, welches im Blutkreislauf zirkuliert“, schildert Christian Senwitz, ehemaliger Doktorand der Professur für Radiochemie/Radioökologie der TUD. Gleichzeitig verdeutlichen die Ergebnisse, dass eine hohe Komplexstabilität allein kein hinreichendes Kriterium für therapeutische Wirksamkeit ist.

Relevanz für Strahlenschutz und klinische Forschung

Die Studie schließt eine wesentliche Wissenslücke zur zellulären Wirkung von Americium und Curium, insbesondere im Hinblick auf die Niere als relevantes Zielorgan. Sie liefert wichtige Grundlagen für die Bewertung von Dekorporationsstrategien und unterstreicht die Notwendigkeit, molekulare Bindungsformen, zelluläre Transportmechanismen und Strahlenexposition gemeinsam zu betrachten.

Die Arbeiten wurden in enger Kooperation zwischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Zentralen Radionuklidlabors des Sachgebietes Strahlenschutz, der Professur für Radiochemie/Radioökologie, der AG Strahlungsphysik des Institutes für Kern- und Teilchenphysik an der TU Dresden sowie des Institutes für Ressourcenökologie vom Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt.

Publikation

Heller, A. und Senwitz, C. et al. (2025): Am/Cm(III) and DTPA/LIHOPO interactions with renal cells in vitro studied by bioassays, luminescence spectroscopy, and microdosimetry. Ecotoxicology and Environmental Safety 307, 119445. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2025.119445

Diese Arbeiten waren Bestandteil des vom BMFTR geförderten Verbundprojektes RADEKOR (FKZ 02NUK057B)

Kontakt:

Dr. Margret Acker
Zentrales Radionuklidlabor der TUD
Tel. +49 351 463- 32477
E-Mail: 

Dr. Thomas Kormoll
Arbeitsgruppe Strahlungsphysik
Institut für Kern- und Teilchenphysik
Tel. +49 351 463-33148
E-Mail: