Bestimmung von Blei im menschlichen Knochen und Gewebe

Dieses interdisziplinäre Projekt kombiniert die Expertise und das Spezialwissen der Internen-/Arbeitsmedizin mit dem aktuellen Wissensstand moderner Röntgenphysik. Ziel ist, aus den analytischen Daten die mit energiedispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse (EDRFA) ermittelt wurden, Aufschluß und Verständnis über den Gesundheitszustand beruflich Schwermetall expo-nierter Personen zu erhalten. Im speziellen soll das Element Blei (Pb) erfaßt werden, dessen toxische Wirkung schon seit langem bekannt ist. Die Auswirkungen auf die Gesundheit schon bei geringer Pb Exposition liegen im Bereich kognitiver Defekte. Die Analyse von Blut auf den Pb Gehalt gibt nur unzureichend die Information über die Pb Aufnahme wieder, da Pb hauptsächlich im Knochen gespeichert wird. Die in vivo Bestimmung des Pb Gehalts im Knochen ist mit EDRFA in kurzen Zeiten bei geringer Dosisbelastung möglich. Es soll eine Polarisator - Monochromator Einheit gebaut werden, die an eine Mo Anoden Hochleistungsröntgenröhre mit Polykapillaroptik gekoppelt wird. Diese neue optimierte Strahlungsquelle liefert intensive linear polarisierte, monochromatische Mo-Ka Strahlung die ideal zur Anregung der Pb L-Linien geignet ist. Mit einem großflächigen hochauflösenden Si(Li) Detektor sollen die in vivo Messungen durchgeführt werden. Die Strahlenbelastung wird aufgrund der physikalischen Eigenschaften der anregenden Strahlung minimiert, was auch durch die optimierte Meßgeometrie Quelle - Subjekt - Detektor erzielt wird, da die notwendige Meßzeit kurz gehalten werden kann. Durch den strukturellen Aufbau des menschlichen Knochens ist die Verteilung der Haupt- und Spurenelemente nicht homogen. Die Verteilung ist von besonderem Interesse wenn Ergebnisse der in vivo Messung vorliegen. Mikro Röntgenfluoreszenzanalyse mit Synchrotronstrahlung in Verbindung mit fokussierenden Röntgenoptiken ermöglicht eine Ortsauflösung im Bereich bis zu 15m. Vorexperimente an Hüftknochen frischoperierter Patienten haben unterschiedliche Verteilungsprofile von Pb und Ca zwischen Substantia Compacta und Substantia Spongiosa gezeigt. Dadurch wurde generell das Interesse an Untersuchungen die eine Korrelation von in vivo und in vitro Experimenten ermöglichen sollen geweckt. Da vermutet wird das kognitive Defizite von beruflich Pb exponierten Personen im Bereich der Prefrontal Cortex stattfinden, soll die Pb Verteilung in verschiedenen Gehirnregionen untersucht werden. Dies ist nur an der Europäischen Synchrotron Strahlenquelle (ESRF) in Grenoble möglich, da hier die zur Zeit beste Strahlenquelle an der Beamline ID18F für diese Untersuchungen existiert. Das Projektziel ist die Entwicklung eines in vivo Messsystems für Pb Reihenuntersuchungen, sowie die Korrelation mit ortsaufgelöster Mikroanalyse an Knochenschnitten, sowie weiters die Lokalisierung von Pb in verschiedenen Gehirnregionen.

Im Rahmen des Projekts wurde die Verteilung der chemischen Elemente in menschlichem Gewebe (Knochen und Gehirn) mittels Synchrotronstrahlungsinduzierter Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (SR mikro-RFA) untersucht. Diesbezüglich wurden Scan- und Tomographieexperimente an Mikrofokus beamlines von drei verschiedenen Synchrotronstrahlungseinrichtungen (HASYLAB, Hamburg, ANKA, Karlsruhe, ESRF, Grenoble), wo der Fragestellung angepasster Photonenfluss als auch geeignete Röntgenoptiken zur Verfügung standen, durchgeführt. Im Fall von Knochen konnten durch Überlagern von Bildern, generiert aus der Messung rückgestreuter Elektronen (backscattered electron images (BEI)), die über die strukturellen Eigenschaften des Gewebes Auskunft geben, und Resultaten von ortsaufgelösten -RFA Messungen Knochenzonen identifiziert werden, an denen sich die verschiedenen Elemente unterschiedlich anlagern. Bei allen Messungen wurde dabei spezielles Augenmerk auf das Schwermetall Blei (Pb) gelegt, das aufgrund seiner toxischen Wirkung auf den menschlichen Organismus von größtem medizinischen Interesse ist. ÜBer die Projektdauer wurde die örtliche Auflösung und somit die Genauigkeit der Analysemethode durch Verwenden einer sogenannten konfokalen Messgeometrie stetig verbessert. Aus dem Vergleich von Ergebnissen von zweidimensionalen ortsaufgelösten mikro-RFA mit BEI, konnte festgestellt werden, dass Pb vornehmlich an der sogenannten "tidemark", eine Linie, die kalzifizierts und nichtkalzifiertes Gewebe trennt und als Zone mit hoher metabolischer Aktivität eingestuft wird, akkumuliert. Zusätzlich wurde eine Korrelation zwischen Pb und Zn an dieser Knochenzone gefunden. Bei der Untersuchung von Knochen mit doppelter tidemark wurde festgestellt, dass möglicherweise ein Zeitunterschied zwischen der Anlagerung von Pb und jener von Zn besteht. Auch die kombinierten Absorptions- und Fluoreszenztomographie Experimenten zeigten ebenfalls Akkumulation von Pb und Zn in mikroskopischen Strukturen des Knochens zeigten. Weiters wurde die Elementverteilung im menschlichen Gehirn untersucht, um festzustellen, ob in diesem Gewebe Zonen erhöhter Pb Anlagerung vorliegen. Obwohl sich in Gehirnproben die Zuordnung der elementspezifischen Bilder aus mikro-RFA Messungen ungleich schwieriger gestaltet als im Knochen, konnte in allen untersuchten Proben von Frontal Cortex, Hippocampus und Thalamus eine inhomogene Bleiverteilung nachgewiesen werden. Zur Bestimmung der Pb Konzentration im Knochen in vivo wurde ein Spektrometer konstruiert, basierend auf kompakten tragbaren Komponenten. Die damit erzielten nachweisgrenzen liegen im Bereich von 3 g/g bei einer Dosisbelastung von 60 mGy.