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Tracer – Bedeutung und Funktionsweise 06:14 min

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Transkript Tracer – Bedeutung und Funktionsweise

Hallo! Fragst du dich auch manchmal, wie Forscherinnen und Forscher herausfinden, wie Lebensprozesse ablaufen? Wie kann ein Botaniker herausfinden, welche Ausgangsstoffe und Produkte der Photosynthese wohin wandern? Wie können Humanmediziner in lebende Körper hineinschauen? In diesem Video lernst du eine Labormethode kennen, die das ermöglicht. Es geht um die Bedeutung und Funktionsweise von Tracern. Wir schauen uns die Methode, die Einsatzgebiete sowie Risiken und Grenzen an. Schauen wir uns als Erstes an, wie die Tracer-Methode genau funktioniert. Es handelt sich um Markierungssubstanzen. Bestimmte körpereigene oder körperfremde Stoffe werden mit einer radioaktiven Substanz markiert. Die markierten Atome, Moleküle oder makroskopischen Teilchen werden nun dem zu untersuchenden Organismus zugeführt und gehen in dessen Stoffwechsel ein. Durch die zerfallenden radioaktiven Isotope entsteht eine radioaktive Spur, die mit geeigneten Methoden und Messverfahren verfolgt werden kann. So kam diese Technik auch zu ihrem Namen. Das englische Verb „to trace“ heißt so viel wie verfolgen, nachweisen, nachspüren. Im Grunde wird die von den Markern ausgesandte radioaktive Strahlung verfolgt. Man verwendet dabei Radionuklide, also radioaktive Atome zur Markierung. Diese haben einen instabilen Kern und zerfallen unter Aussendung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen in einem bestimmten Zeitraum. Tracer finden in den verschiedensten Einsatzgebieten Anwendung. Zum Beispiel in der Medizin zur Behandlung bösartiger neuer Krebszellen werden mit Hilfe von Tracern radioaktive Stoffe in den Körper geschleust. Während dieser Strahlentherapie reichern sich diese Stoffe in den Neubildungen an und führen zum Absterben der Krebszellen. Leider werden dabei auch gesunde Zellen zerstört. In der Anwendung gibt es zwei Methoden. Liegen die kranken Zellen auf der Oberfläche, also zum Beispiel auf der Haut, werden Nadeln verwendet. Mit diesen werden radionuklidhaltige Fremdkörper in das Krebsgewebe eingebracht. Liegt der Tumor tiefer verborgen, werden Kapseln in Organhöhlen eingepflanzt. Die nachträglich in die Kapseln gefüllten radioaktiven Substanzen entfalten nach und nach ihre Wirkung. Beides zählt zur internen Strahlentherapie. Bei der metabolischen Strahlentherapie werden Tracer gespritzt, die sich gezielt in den Stoffwechsel von Krebsgewebe integrieren. Eine zweite Anwendung finden Tracer in der Diagnostik. Sie werden in den Körper eingeführt und wandern zu bestimmten Geweben oder Organen. Die Spur ihrer Stoffwechselaktivität kann mit bestimmten Detektoren erfasst werden. Stoffwechselkrankheiten, aber auch neue Gewebswucherungen können so erfasst werden. In der Forschung werden unterschiedliche Markierungen verwendet, um hinter die Geheimnisse des Stoffwechsels zu kommen. Zum Beispiel untersuchte Melvin Calvin mit Hilfe von Tracern den genauen Ablauf der Photosynthese bei Pflanzen und erhielt dafür den Nobelpreis. Im landwirtschaftlichen Bereich werden Tracer verwendet, um die Aufnahme von Düngemittel in den Boden zu untersuchen. Somit kann die Bewirtschaftung optimiert werden. Auch kann die Umweltbelastung verringert werden, indem die Düngemengen genauer kalkuliert werden. Da es sich bei Tracern um radioaktive Stoffe handelt, bergen sie natürlich auch Risiken und Grenzen. Dem Körper können sie bei einer Strahlentherapie schaden, indem sie auch gesunde Zellen abtöten. Schlimmstenfalls kann das zum Tod führen. Werden Tracer in der Diagnostik angewendet, kann es zu Fehldiagnosen kommen, zum Beispiel bei Entzündungen im Körper. Erreger wie Pilze oder Bakterien können den Tracer aufnehmen und somit eine Krebserkrankung anzeigen. Sport führt ebenfalls zu einer hohen Stoffwechselaktivität und somit zu Fehldiagnosen. Viel Aktivität direkt vor der Diagnose kann zu dem Anzeigen von Tumoren in den viel beanspruchten Muskeln führen. Die Strahlenbelastung für den Körper wird so gering wie möglich gehalten. Durch die Injektion selbst können Verletzungen von Nerven verursacht werden. Zu beachten ist der oft langsame Zerfall radioaktiver Stoffe. Früher wurden Alphastrahlen eingesetzt, deren Halbwertszeit bei über 1660 Jahren lag. Langzeitfolgen sind daher schlecht kalkulierbar. Fassen wir noch einmal zusammen: Tracer sind Markierungssubstanzen, die in die Stoffwechselprozesse eingehen und radioaktive Strahlung aussenden. Dadurch können sie sowohl in der Diagnostik von Krebs und Stoffwechselerkrankungen als auch in der konkreten Krebsbekämpfung eingesetzt werden. Auch in der Forschung und Landwirtschaft finden sie Anwendung. Zu den Risiken zählen Fehldiagnosen, die direkte Strahlenbelastung für den Körper und eine lange Halbwertszeit mit schlecht kalkulierbaren Folgen für Umwelt und Mensch. Ich hoffe, du hast viel gelernt. Tschüss!

1 Kommentar
  1. toll

    Von Kay J., vor etwa einem Monat

Tracer – Bedeutung und Funktionsweise Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Tracer – Bedeutung und Funktionsweise kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere, was man unter einem Tracer versteht.

    Tipps

    Ein Nuklid ist ein Atomkern, ein Nukleosom ist der Komplex aus DNA und Histonen.

    Lösung

    Tracer sind entweder körpereigene oder körperfremde Substanzen, die mit radioaktiven Stoffen versehen sind. Man nennt sie daher auch Radionuklide. Werden sie einem Organismus zugeführt, gelangen sie in den Stoffwechsel und zerfallen dann langsam in α-, β- und γ-Strahlen. So hinterlegen sie eine Spur, die man mit geeigneten Messverfahren verfolgen kann.

    Ein gutes Beispiel ist Glukose (Traubenzucker), die mit radioaktivem Fluor markiert ist. Traubenzucker ist der wichtigste Energieträger und gelangt besonders schnell in die Bereiche des Körpers, in denen Energie benötigt wird, wie zum beispielsweise im Gehirn. Mit diesem Tracer lassen sich also Gehirnaktivitäten nachweisen.

  • Erkläre, zu welchem Zweck Tracer in der Landwirtschaft verwendet werden.

    Tipps

    Überlege, welche Stoffe gegen Schädlinge eingesetzt werden.

    Lösung

    Tracer werden immer dann eingesetzt, wenn eine Spur gelegt werden soll. Das Ziel liegt also in der Verfolgung dieser Spur.

    In der Landwirtschaft werden Tracer eingesetzt, um die Belastung der Umwelt, wie beispielsweise des Grundwassers, durch Düngemittel zu ermitteln. Lassen sich die Tracer in hoher Konzentration im Grundwasser nachweisen, ist demnach auch die Konzentration an Düngemittel sehr hoch und sollte reduziert werden.

    Tracer dienen auch der Optimierung der Bewirtschaftung von Feldern. So kann man beispielsweise mithilfe von Tracern nachweisen, wie viele Nährstoffe die Pflanze aus dem Boden aufnimmt.

    Auch die Verbreitung gentechnisch veränderter Pflanzen kann man mit Tracern beurteilen. So kann man untersuchen, welche Tracer man auf weit entfernten Feldern noch nachweisen kann.

    Gegen Fraßfeinde wie Insekten lassen sich Tracer nicht einsetzten. Das erledigen Pestizide.

  • Nenne mögliche Einsatzgebiete von Tracern.

    Tipps

    Zwar bedeutet das englische Wort „Tracer“ auf deutsch „Spur“, es handelt sich aber hierbei um Spuren innerhalb eines Organismus.

    Lösung

    Tracer werden in der Medizin bei der Therapie von Krankheiten und in der Diagnostik eingesetzt. So werden beispielsweise Krebszellen mit Strahlentherapie behandelt. Mithilfe von Tracern gelangen die radioaktiven Substanzen zu den Krebszellen und töten diese ab. In der Diagnostik können beispielweise Stoffwechselkrankheiten untersucht werden. Bei Untersuchungen der Schilddrüse wird Jod radioaktiv markiert. Die Stoffwechselaktivität der Schilddrüse kann so sichtbar gemacht werden.

    Auch in der Forschung werden Tracer verwendet. So verwendete Calvin, der die Dunkelreaktion der Fotosynthese untersuchte, radioaktiv markierten Kohlenstoff. Das so markierte Kohlenstoffdioxid wurde von den Pflanzen aufgenommen. Alle Produkte der Fotosynthese bis hin zum Zucker waren radioaktiv gekennzeichnet, sodass Calvin den Stoffwechsel der Pflanze herleiten konnte.

    In der Landwirtschaft werden Tracer zum Beispiel in Düngemitteln eingesetzt, um festzustellen wie viel des Düngemittels in den Boden gelangt. Diese Erkenntnis ist wichtig für eine Reduzierung der Umweltbelastung.

    In der Kriminalistik und beim Marketing werden keine Tracer eingesetzt. Für die Kriminalistik sind Geschehnisse innerhalb eines Organismus nicht von Bedeutung. Es werden eher DNA-Spuren gesichert, um genetische Fingerabdrücke herzustellen.

  • Beschreibe, welche Eigenschaften ein guter Tracer haben sollte.

    Tipps

    Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der ein Stoff zur Hälfte abgebaut wird.

    Lösung

    Ein idealer Tracer sollte so spezifisch wie möglich sein, damit man eine Krankheit auch erkennen kann. So wäre es zum Beispiel besonders gut, wenn ein Molekül als Tracer verwendet wird, das spezifisch an Krebszellen bindet.

    Außerdem sollte sich ein Tracer ebenso natürlich durch den Körper bewegen und in den Stoffwechsel eingehen wie ein normales Molekül, das nicht radioaktiv markiert ist. Das ist wichtig, damit man krankhafte Stoffwechselveränderungen auch wahrnehmen kann.

    Die Halbwertszeit eines Tracers sollte hingegen möglichst kurz sein und bei ca. 6 Stunden liegen. Einen Tag nach der Untersuchung sollte der Körper des Patienten daher frei von jeder Strahlung sein.

    Für die Messungen ist es auch wichtig, dass der Tracer so stark strahlt, dass sein Zerfall durch den Köper hindurch nachweisbar ist.

    Vereint ein Tracer all diese Merkmale, kann er für die Diagnostik eingesetzt werden.

  • Erläutere, warum die Verwendung von Tracern sinnvoll, aber auch problematisch sein kann.

    Tipps

    Technische Artefakte sind durch ein technisches Gerät künstlich entstandene Produkte oder Phänomene.

    Lösung

    Bei der Behandlung von Krebs wird häufig Strahlentherapie eingesetzt. Die Tracer bringen radioaktiv markierte Substanzen zu ihrem Zielort, wo sie zerfallen und die entsprechenden Zellen abtöten. Leider sind hierbei aber oft auch gesunde Zellen betroffen.

    In der Diagnostik wird mithilfe von Tracern nach Gewebe mit erhöhtem Stoffwechsel gesucht, wie es Tumorgewebe aufweist. Harmlose Entzündungen oder sonstige, gesunde Bereiche mit erhöhter Stoffwechselaktivität werden aber ebenfalls erkannt. Dies kann zu fatalen Fehldiagnosen führen.

    Tracer werden oft durch Injektion in den Körper gebracht. Durch die Spritze können Nerven oder Gewebe beschädigt werden. Außerdem vertragen manche Menschen den injizierten Cocktail nicht. Es können Übelkeit oder Allergien ausgelöst werden.

    Radioaktive Stoffe zerfallen von selbst und müssen nicht aus dem Körper entfernt werden. Allerdings geschieht dies oft so langsam, dass es keinerlei Untersuchungen zu möglichen Langzeitfolgen gibt.

    Ein weiteres Problem in der Diagnostik sind sogenannte technische Artefakte. Bei bildgebenden Verfahren sieht der Arzt zum Beispiel einen von Tracern markierten Tumor. Es kann aber passieren, dass durch eine fehlerhafte Technik andere, künstliche Strukturen auf dem Bildschirm sichtbar werden, die mit dem Patienten gar nichts zu tun haben.

  • Entscheide am Beispiel des Experiments, welche Stoffe untersucht worden sein müssen, um die Quelle des Sauerstoffs zu ermitteln.

    Tipps

    Sieh dir die Reaktionsgleichung genau an und überlege, wo der Sauerstoff aus dem Wasser am Ende der Reaktion zu finden sein könnte.

    Lösung

    Durch das Wasser gehen Sauerstoffmoleküle in die Reaktion ein. Diese Sauerstoffmoleküle können sich nun entweder nur im Zucker, nur im Sauerstoff oder in beiden wiederfinden.

    Diese Aussage kann man nur treffen, wenn man sowohl den gebildeten Sauerstoff als auch den gebildeten Zucker untersucht.

    Bei dem Experiment mit der Markierung des Wassers konnten im Zucker keine Spuren des schweren Sauerstoffisotops nachgewiesen werden, ausschließlich im Sauerstoff.

    6 H$_2$$^1$$^8$O + 6 CO$_2$ $\longrightarrow$ C$_6$H$_1$$_2$O$_6$ + 6$ ^1$$^8$O$_2$

    Bei dem Experiment mit der Markierung des Kohlenstoffdioxids hingegen war nur der gebildete Zucker markiert und nicht der Sauerstoff.

    6 H$_2$O + 6 C$^1$$^8$O$_2$ $\longrightarrow$ C$_6$H$_1$$_2$$^1$$^8$O$_6$ + 6 O$_2$

    Um also die obige Aussage treffen zu können, müssen bei beiden Experimenten sowohl die Glukose als auch der Sauerstoff untersucht werden.