The relative biological effectiveness of proton and ion beams

The understanding of the biological effectiveness of proton and ion beams plays an important role in two very different scientific fields: radiotherapy and space research. Due to the many similarities of both types of radiation, the question is addressed, if the experience gained in radiotherapy with proton and ion beams is of relevance for the assessment of risks due to galactic radiation in manned space flight. The basic characteristics of the relative biological effectiveness (RBE) of proton and ion beams is reviewed, including the dependence on particle type, LET and dose as well as on biological systems and end points. The relevance of these factors for risk assessment in space flight is outlined. The concept of clinical RBE is reviewed and the RBE database gained in vivo is briefly outlined. Emphasis is put here on the most important endpoint for radiation protection, which is carcinogenesis. The database for risk assessment due to galactic cosmic rays is nearly completely based on animal experiments conducted at ion beam therapy facilities. The data especially for carcinogenesis due to heavy ions are very scarce and the estimation of risk factors is connected to large uncertainties. The database gained by the clinical application of ion beams is still too limited to draw any direct conclusion for space research. This may change in the next decade due to the increasing patient numbers that will be treated in the new ion beam facilities. Until relevant data for late effects (esp. carcinogenesis) become available from an analysis of patients treated at ion beam facilities, animal experiments seem to be the only reasonable way to obtain more accurate and systematic data which are needed for a reduction of the uncertainties in the assessment of risks due to galactic cosmic rays in space flight.

ZusammenfassungDas Verständnis der biologischen Wirksamkeit von Protonen- und Ionenstrahlen ist in zwei sehr unterschiedlichen wissenschaftlichen Bereichen von großer Bedeutung: in der Strahlentherapie und in der Weltraumforschung. Aufgrund der vielen Gemeinsamkeiten der dabei auftretenden Strahlenquelle, liegt die Frage nahe, welche Relevanz die in der Strahlentherapie mit Protonen- und Ionenstrahlen gewonnenen Erfahrungen für die Abschätzung der Risiken aufgrund galaktischer kosmischer Strahlung in der bemannten Raumfahrt haben. Zunächst erfolgt eine Zusammenfassung der wesentlichen Charakteristiken der relativen biologischen Wirksamkeit (RBW) von Protonen- und Ionenstrahlen, wie die Abhängigkeit von Teilchenart, LET und Dosis, sowie den biologischen Systemen und Endpunkten. Die Relevanz dieser Faktoren für die Risikoabschätzung in der Raumfahrt wird dabei hervorgehoben. Das Konzept des klinischen RBW wird dargestellt und die durch in vivo Anwendung gewonnenen Daten werden vorgestellt, wobei der wichtigste Endpunkt für den Strahlenschutz, die Karzinogenese, besonders hervorgehoben wird. Die Datenbasis für die Risikoabschätzung durch galaktische kosmische Strahlung ist fast vollständig auf Tierexperimente begründet, welche an Anlagen zur Ionentherapieanlagen durchgeführt wurden. Insbesondere zur Kazinogenese nach Bestrahlung mit schweren Ionen existieren nur sehr wenige Daten und die Abschätzung von Risikofaktoren ist mit großen Unsicherheiten verbunden. Aus den in der klinischen Anwendung der Ionenstrahlen gewonnenen Daten können daher bisher keine direkten Schlussfolgerungen für die Raumfahrt gezogen werden. Angesichts der zu erwartenden größeren Zahl von Patienten welche an den neuen Ionentherapieanlagen behandelt werden, könnte sich dies im nächsten Jahrzehnt ändern. Bis belastbare Daten für Spätreaktionen nach Ionenstrahlung (insbesondere zur Karzinogenese) aus der Nachbeobachtung der Patienten vorliegen, welche mit einer Ionentherapie behandelt wurden, sind Tierexperimente der einzig gangbare Weg um genauere und systematische Daten zu erhalten, welche zur Reduktion der Unsicherheiten in der Abschätzung der Risiken durch galaktische kosmische Strahlung in der Raumfahrt benötigt werden.