Tracer – Bedeutung und Funktionsweise

Tracer – Bedeutung und Funktionsweise Übung

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.