In der nuklearmedizinischen Therapie werden Radiopharmaka meist systemisch verabreicht. Primär werden dafür, wegen der kurzen Reichweite, beta-Strahler eingesetzt. Als Folge davon verteilt sich das Radiopharmakon im Körper, reichert sich in Organen und Zielstrukturen an und bestrahlt somit den Körper intern, im Gegensatz zur externen Bestrahlung bei der Strahlentherapie. Das Verteilungsmuster der verabreichten Aktivität im Körper wird durch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Radiopharmakons bestimmt. Außerdem sind die Aktivität und die Art der Anreicherung ausschlaggebend für die durch ionisierende Strahlung deponierte Energie im Körper, der Energiedosis. Gemeinsam haben externe und interne Bestrahlungsverfahren, dass der Patient ionisierender Strahlung ausgesetzt ist, die nicht nur die kranken Zellen zerstört, sondern auch gesunde Zellen schädigen kann. Dies geschieht durch direkte oder indirekte Wechselwirkung der Strahlung mit der DNA, die zur Schädigung der DNA-Struktur führt. Am häufigsten sind dabei Einzelstrangbrüche und Basenschäden. Die Doppelstrangbrüche sind im Vergleich zu Einzelstrangbrüchen und Basenschäden sehr selten aber sehr viel schädlicher für die Zelle, da die Reparatur komplizierter ist. Somit sind diese primär für den Zelltod oder für die Folgen nach fehlerhafter Reparatur verantwortlich. Eine sehr schnelle Antwort auf strahleninduzierte oder durch andere Stoffe, wie z.B. zytotoxische Substanzen, induzierte Doppelstrangbrüche ist die Phosphorylierung der Histon H2 Variante H2AX, die gamma-H2AX genannt wird. Zusätzlich reichert sich das Protein 53BP1 nach dem Erkennen eines Doppelstrangbruches durch Sensorproteine sofort am Chromatin, das den Doppelstrang umgibt, an. Damit ist 53BP1 ein weiterer Biomarker, der strahleninduzierte Doppelstrangbrüche sehr effektiv nachweisen kann und der auf sehr verlässliche Weise mit gamma-H2AX kolokalisiert. Mittels Immunfluoreszenzfärbung lassen sich gamma-H2AX und 53BP1 als umschriebene „Foci“, im Zellkern mikroskopisch darstellen und zählen. Unter der Annahme, dass ein Focus einem Doppelstrangbruch entspricht, kann die Anzahl der Foci im Zellkern als quantitativer Biomarker für DNA Doppelstrangbrüche und damit für die Strahlenexposition und Strahlenwirkung verwendet werden. Zudem zeigen Studien der Induktion von gamma-H2AX nach externer Bestrahlung von unterschiedlichen Gewebearten Linearität zwischen der Energiedosis und der Zahl der Foci im Zellkern. Weitere Studien beschäftigen sich mit den Auswirkungen externer Bestrahlung auf Patienten, aber nur wenige mit offenen radioaktiven Substanzen. Ziele dieser Arbeit waren daher: 1. Die Generierung einer bisher noch nicht beschriebenen in-vitro Kalibrierkurve nach interner Bestrahlung von Vollblut mit den in der Therapie eingesetzten beta-Strahlern. 2. Die gleichzeitige Bestimmung der physikalischen Dosis sowie der strahleninduzierten Anzahl der Foci in Lymphozyten, gewonnen aus Blutproben von Patienten nach Radiopeptidtherapie mit Lu-177 und Radioiodtherapie mit I-131. 3. Eine umfassende Beschreibung der Induktion und der Abnahme der Foci in den Lymphozyten aus den Blutproben der Patienten unter Einbeziehung der in-vitro Kalibrierung, um den dosis- und zeitabhängigen Verlauf der Anzahl der strahleninduzierten Foci zu bestimmen. Für die in-vitro Kalibrierung mit I-131 und Lu-177 wurden bei Probanden Blutproben gewonnen und mit unterschiedlichen Aktivitätskonzentrationen ergänzt. Das Ziel war, eine Energiedosis bis 100mGy zu erhalten. Das Ergebnis war, dass sich die Zahl der strahleninduzierten Foci in Abhängigkeit von der Energiedosis gut durch eine lineare Funktion beschreiben lässt, so wie es auch für die externe Bestrahlung bereits gezeigt wurde. Die Patientenstudien befassten sich mit dem Zusammenhang zwischen der im Blut deponierten Energiedosis und der Anzahl und dem zeitlichen Verlauf der induzierten Doppelstrangbrüche im peripheren Blut von Patienten unter Peptidrezeptor-Radionuklidtherapie mit Lu-177 DOTATATE/-TOC und Patienten unter Radioiodtherapie mit I-131 bei Ablationstherapien nach Operation eines differenzierten Schilddrüsenkarzinoms. Die durchschnittliche Anzahl induzierter DSB-Foci zeigte in den frühen Zeitpunkten einen linearen dosisabhängigen Anstieg. In den ersten Stunden nach Therapie stimmten die in-vitro Kalibrierung und die Zahl der strahleninduzierten Foci sowohl für Lu-177 als auch für I-131 für die Patientendaten gut überein. Die späteren Zeitpunkte werden durch eine Abnahme der Dosisrate und der Foci-Anzahl, bedingt durch Reparatur der DNA-Schäden, charakterisiert. Überstiegen die Blutdosiswerte in der ersten Stunde jedoch 20mGy (nur nach I-131-Gabe beobachtet), dann war die Induktion eines schnellen Reparaturprozesses festzustellen. Diese experimentellen Ergebnissen und Modellierungen beschreiben erstmalig die Dosisabhängigkeit und den zeitlichen Verlauf der in-vitro und in-vivo DNA-Schadensantwort nach Inkorporation von beta-emittierenden Radionukliden.

Aim Recent advancements in PET technology have brought with it significant improvements in PET performance and image quality. In particular, the extension of the axial field of view of PET systems, and the introduction of semiconductor technology into the PET detector, initially for PET/MR, and more recently available long-field-of-view PET/CT systems (≥ 25 cm) have brought a step change improvement in the sensitivity of PET scanners. Given the requirement to limit paediatric doses, this increase in sensitivity is extremely welcome for the imaging of children and young people. This is even more relevant with PET/MR, where the lack of CT exposures brings further dose reduction benefits to this population. In this short article, we give some details around the benefits around new PET technology including PET/MR and its implications on the EANM paediatric dosage card. Material and methods Reflecting on EANM adult guidance on injected activities, and making reference to bed overlap and the concept of MBq.min bed\(^{-1}\) kg\(^{-1}\), we use published data on image quality from PET/MR systems to update the paediatric dosage card for PET/MR and extended axial field of view (≥ 25 cm) PET/CT systems. However, this communication does not cover the expansion of paediatric dosing for the half-body and total-body scanners that have recently come to market. Results In analogy to the existing EANM dosage card, new parameters for the EANM paediatric dosage card were developed (class B, baseline value: 10.7 MBq, minimum recommended activity 10 MBq). The recommended administered activities for the systems considered in this communication range from 11 MBq [\(^{18}\)F]FDG for a child with a weight of 3 kg to 149 MBq [\(^{18}\)F]FDG for a paediatric patient weight of 68 kg, assuming a scan of 3 min per bed position. The mean effective dose over all ages (1 year and older) is 2.85 mSv. Conclusion With this, recommendations for paediatric dosing are given for systems that have not been considered previously.

[\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) and [\(^{224}\)Ra]RaCl\(_2\) are bone seekers, emitting high LET, and short range (< 100 μm) alpha-particles. Both radionuclides show similar decay properties; the total alpha energies are comparable (\(^{223}\)Ra: ≈28 MeV, \(^{224}\)Ra: ≈26 MeV). [\(^{224}\)Ra]RaCl\(_2\) has been used from the mid-1940s until 1990 for treating different bone and joint diseases with activities of up to approximately 50 MBq [\(^{224}\)Ra]RaCl\(_2\). In 2013 [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) obtained marketing authorization by the FDA and by the European Union for the treatment of metastatic prostate cancer with an activity to administer of 0.055 MBq per kg body weight for six cycles. For intravenous injections in humans a model calculation using the biokinetic model of ICRP67 shows a ratio of organ absorbed dose coefficients (\(^{224}\)Ra:\(^{223}\)Ra) between 0.37 (liver) and 0.97 except for the kidneys (2.27) and blood (1.57). For the red marrow as primary organ-at-risk, the ratio is 0.57. The differences are mainly caused be the differing half-lives of the decay products of both radium isotopes. Both radionuclides show comparable DNA damage patterns in peripheral blood mononuclear cells after internal ex-vivo irradiation. Data on the long-term radiation-associated side effects are only available for treatment with [\(^{224}\)Ra]RaCl\(_2\). Two epidemiological studies followed two patient groups treated with [\(^{224}\)Ra]RaCl\(_2\) for more than 25 years. One of them was the “Spiess study”, a cohort of 899 juvenile patients who received several injections of [\(^{224}\)Ra]RaCl\(_2\) with a mean specific activity of 0.66 MBq/kg. Another patient group of ankylosing spondylitis patients was treated with 10 repeated intravenous injections of [\(^{224}\)Ra]RaCl\(_2\), 1 MBq each, 1 week apart. In total 1,471 of these patients were followed-up in the “Wick study”. In both studies, an increased cancer mortality by leukemia and solid cancers was observed. Similar considerations on long-term effects likely apply to [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\) as well since the biokinetics are similar and the absorbed doses in the same range. However, this increased risk will most likely not be observed due to the much shorter life expectancy of prostate cancer patients treated with [\(^{223}\)Ra]RaCl\(_2\).

Irradiation with high linear energy transfer α-emitters, like the clinically used Ra-223 dichloride, severely damages cells and induces complex DNA damage including closely spaced double-strand breaks (DSBs). As the hematopoietic system is an organ-at-risk for the treatment, knowledge about Ra-223-induced DNA damage in blood leukocytes is highly desirable. Therefore, 36 blood samples from six healthy volunteers were exposed ex-vivo (in solution) to different concentrations of Ra-223. Absorbed doses to the blood were calculated assuming local energy deposition of all α- and β-particles of the decay, ranging from 0 to 142 mGy. γ-H2AX + 53BP1 co-staining and analysis was performed in leukocytes isolated from the irradiated blood samples. For DNA damage quantification, leukocyte samples were screened for occurrence of α-induced DNA damage tracks and small γ-H2AX + 53BP1 DSB foci. This revealed a linear relationship between the frequency of α-induced γ-H2AX damage tracks and the absorbed dose to the blood, while the frequency of small γ-H2AX + 53BP1 DSB foci indicative of β-irradiation was similar to baseline values, being in agreement with a negligible β-contribution (3.7%) to the total absorbed dose to the blood. Our calibration curve will contribute to the biodosimetry of Ra-223-treated patients and early after incorporation of α-emitters.

With an increasing variety of radiopharmaceuticals for diagnostic or therapeutic nuclear medicine as valuable diagnostic or treatment option, radiobiology plays an important role in supporting optimizations. This comprises particularly safety and efficacy of radionuclide therapies, specifically tailored to each patient. As absorbed dose rates and absorbed dose distributions in space and time are very different between external irradiation and systemic radionuclide exposure, distinct radiation-induced biological responses are expected in nuclear medicine, which need to be explored. This calls for a dedicated nuclear medicine radiobiology. Radiobiology findings and absorbed dose measurements will enable an improved estimation and prediction of efficacy and adverse effects. Moreover, a better understanding on the fundamental biological mechanisms underlying tumor and normal tissue responses will help to identify predictive and prognostic biomarkers as well as biomarkers for treatment follow-up. In addition, radiobiology can form the basis for the development of radiosensitizing strategies and radioprotectant agents. Thus, EANM believes that, beyond in vitro and preclinical evaluations, radiobiology will bring important added value to clinical studies and to clinical teams. Therefore, EANM strongly supports active collaboration between radiochemists, radiopharmacists, radiobiologists, medical physicists, and physicians to foster research toward precision nuclear medicine.