Strahlenschäden am Auge und deren Prävention

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Unsere Augen sind während der gesamten Wachperiode einer Lichtexpositur ausgesetzt. Neben dem sichtbaren Spektrum sind die Augen auch der Ultraviolettstrahlung und der Infrarotstrahlung ausgesetzt. Die durchschnittlich gestiegene Lebenserwartung und das geänderte Freizeitverhalten führen zu einer insgesamt vermehrten Energieabsorption durch das Auge.

Wohlstandserscheinungen wie alpiner Bergsport, oftmaliges Sonnenbaden, Solariumsbesuche, Ausübung von Wassersportarten und die verminderte Ozonschicht ergeben in Summe ein erhöhtes Gefahrenpotential.

Gefährdung durch optische Strahlung

Die optische Strahlung verfügt über einen relativ großen Wellenlängen-Bereich. Sie reicht von Wellenlängen um 100 Nanometer (10-9 Meter, also 100 Milliardstel Meter) bis zu Wellenlängen von einem Millimeter. Es wird zwischen sichtbarer und unsichtbarer, optischer Strahlung unterschieden. Die nachfolgenden Wellenlängenbereiche sind gesondert zu diskutieren:

  • UVC: 100 nm – 280 nm
  • UVB: 280 nm – 315 nm
  • UVA: 315 nm – 400 nm
  • Sichtbares Licht: 400 nm (blau) – 780 nm (rot)
  • IR-A: 780 nm – 1.400 nm
  • IR-B: 1.400 nm – 3.000 nm
  • IR-C: 3.000 nm – 1 mm

Bis vor einigen Jahren wurde die Grenze von UVA zur sichtbaren Strahlung bei 380 Nanometer definiert. Die CIE (Commission International de l’Eclairage or International Commission on Illumination) hat die Grenze von UVA zum sichtbaren Licht bereits bei 400 Nanometer angesetzt. [1]

Durch die Ozonschicht in 20-50 Kilometer oberhalb der Erdoberfläche werden UV-Strahlen bis etwa 300 nm Wellenlänge absorbiert. UVC-Strahlung wird somit komplett, UVB-Strahlung zum Teil absorbiert. Durch chemische Reaktionen (u.a. durch das Treibgas FCKW entstanden), wird die Ozonhülle jedoch permanent minimiert – bereits auch über Mitteleuropa. Die dadurch zunehmende UV-Strahlung wirkt sich für Haut und Augen, negativ aus.

Ozonschicht
Filterwirkung der Ozonschicht schematisch dargestellt
UVC wird vollständig absorbiert
UVB wird teilweise absorbiert
UVA wird nahezu nicht absorbiert

Sowohl das sichtbare Licht, als auch Infrarot und Ultraviolettstrahlung sind für Lebewesen in gewissen Dosen lebenswichtig. So ist zum Beispiel UV-Strahlung für die Bildung von Vitamin D3 notwendig. Allerdings reicht dafür ein geringes Sonnenlicht im Ausmaß von unter einer Stunde pro Tag. Wenn die Dosis der optischen Strahlung einen gewissen Wert übersteigt, kommt es zu Schädigungen oder gar zum Zelltod beim menschlichen Organismus. Im Bereich des sichtbaren Lichtes und der infraroten Strahlung werden wir Menschen noch durch Empfindungen wie Blendung oder Hitze gewarnt. So führt die „unsichtbare Energie“ der ultravioletten Strahlung bereits bei kurzer Exposition zu Hautirritationen. Am Auge sind Schäden durch Ultraviolettstrahlung in der Regel erst nach einigen Stunden, Schäden durch kurzwellige sichtbare Strahlung gar erst nach Jahrzehnten bemerkbar. Im Gegensatz zum Lerneffekt nach einem Sonnenbrand der Haut, ist das Auge oft Jahrzehnte hindurch einer zu hohen Lichtdosis ausgesetzt, weil weder Schmerzen noch Sehdefekte frühzeitig als Warnung auftreten.

Als schädliche Umwelteinwirkungen durch Lichtimmissionen sind jene einzustufen, die nach

  • Art (Wellenlänge)
  • Größe der Strahlungsquelle, Ausmaß der Strahlung (Intensität, Amplitude, Entfernung zur Strahlungsquelle)
  • Dauer der Einwirkung (Zeit)
  • Ort und Grad der Absorption durch das menschliche Gewebe

geeignet sind Gefahren oder gar pathologische Veränderungen bzw. Degenerationen am menschlichen Körper herbeizuführen.

Ultraviolettes Licht ist in der Bevölkerung mittlerweile als Hauttumor auslösende Strahlung bekannt. Zudem löst eine Überdosis dieser Strahlung Sonnenbrand und Hautalterung aus. Die ungewollten, biologischen Effekte werden durch photochemische Interaktionen ausgelöst. Die stärksten Effekte treten im Zusammenhang mit UVB Strahlung auf. Bei den meisten Menschen ist eine Sensibilisierung und relativ gute Aufklärung betreffend Hautschäden im Zusammenhang mit UV-Strahlung offenkundig. Betreffend möglicher Augenschäden, aufgrund sichtbarer oder unsichtbarer optischer Strahlung, ist das Wissen der Bevölkerung trotz Aufklärung durch Optiker, Optometristen, Augenärzte und Medien noch immer recht unterdurchschnittlich. [2]

Für unsere weiteren Überlegungen betreffend strahleninduzierter Veränderungen wollen wir uns nur auf die Auswirkungen am Auge befassen.

Strahlenquellen

Als Strahlungsursprung kommen unter anderem folgende Quellen in Frage

  • Sonnenlicht
  • Diverse Lampen
  • Laser (können aus bis zu einem Kilometer Entfernung Augenschäden verursachen)
  • Hitzestrahler

Alle der genannten Strahlenerzeuger können neben den von den Menschen gewünschten Effekten auch unerwünschte Schäden am Auge hervorrufen.

Biologische Lichtstrahlungs-Effekte am Auge

Das Auge ist durch optische Strahlung verwundbar. Strahlenbedingte Defekte am Auge können durch folgende Prozesse ausgelöst werden. [3]

  • Thermische Prozesse
  • Fotochemische Prozesse
  • Thermisch-mechanische Prozesse

Pathologische Veränderungen betreffen am Auge vor allem drei signifikante Strukturen:

  • Cornea und Conjunctiva
  • Augenlinse
  • Retina und Chorioidea

Das Absorptionsverhalten der Augenmedien und der Retina ist für unterschiedliche Wellenlängenbereiche different. Welche Struktur am Auge gerade gefährdet ist, hängt primär davon ab, welche Lichtwellenlänge auf das entsprechende Gewebe trifft. Lichtenergien werden auf dem Weg zur Retina in gewissen Wellenlängenbereichen von den davor liegenden Augenmedien absorbiert. Auf die Retina trifft in Folge der Rest der aufgestrahlten Energie, bzw. jene Lichtwellenlängen die von den transparenten Augenmedien zuvor wenig oder gar nicht absorbiert wurden.

Cornea und Conjunktiva

Die Cornea (bzw. der Tränenfilm) grenzt mit ihrer Vorderfläche Luft und mit ihrer Rückfläche an das Kammerwasser. Durch die Brechzahldifferenz (1,376 zu 1,0) und der starken Vorderflächenkrümmung (durchschnittlich 7,70 mm nach Gullstrand) hat sie den größten Anteil an der Fokussierung eintreffender Lichtstrahlen auf die Retina.

Die Cornea kann durch UVB und UVC Strahlung (100 nm – 320 nm) und durch langwellige infrarote Strahlung (IR-C 2.600 nm – 1 mm) zu Schaden kommen. Der vordere Augenabschnitt (Cornea, Conjunctiva, Lider) ist besonders durch einen großen Bereich der ultravioletten Strahlung (200 nm – 400 nm) gefährdet. Eine Überdosis an Ultraviolett-Strahlung kann zu einer Photokeratitis oder zu einer Schneeblindheit führen.

Durch die UV-Strahlung beim Schweißen oder durch extrem lange und hohe UV-Expositur kommt es bei unzureichenden Schutz zu einer Lockerung der cornealen Epithelzellen an der Basalmembran. Es entstehen kleine Erosionen. Symptome treten typischerweise mit einer Latenzzeit von 3 bis 8 Stunden auf. Symptome einer Photokeratitis sind unter anderem (zum Teil unerträgliche) Schmerzen (Gefühl von Sand in den Augen), Rötung, Tränen und eventuell muzine Absonderungen. Eine Photokeratitis ist nahezu immer eine temporäre Erscheinung, da die geschädigten Epithelzellen nach wenigen Tagen regeneriert werden. Nach einer Behandlung mit Lokalanästhetika, einer desinfizierenden Salbe, Lichtkarenz und eventuell mit Schmerztabletten, heilen die Defekte in durchschnittlich 24 Stunden. In extrem schweren Fällen kann die Cornea jedoch auch dauerhaft ihre Transparenz verlieren und eine Transplantation notwendig werden lassen. [4]

UV-Strahlung begünstigt zudem Hornhautdegenerationen wie z.B. das Pterygium (Flügelfell). Ein Pterygium ist ein dreieckiges, fibrovaskulares, conjunktivales Gewebe, welches vom nasalen Limbus über die Cornea wächst. Es tritt typischerweise bei Personen auf, die sich über einen langen Zeitraum in heißer, chronischer trockenen Umgebung mit hoher UV-Konzentration aufhalten.

Pterygium
UV-Strahlung begünstigt ein Pterygium

Augenlinse

Die Augenlinse ist für die Akkommodation auf nahe Objekte zuständig. Die Augenlinse entsteht aus dem Ektoderm in einem sehr frühen emryonalem Stadium und ist bei Beschädigungen nicht mehr regenerierbar.[5] Für das Erreichen einer ausreichenden Sehschärfe ist die Transparenz der Augenlinse jedoch unverzichtbar.

Mittlere infrarote Strahlung (IR-B 1.400 nm – 2.600 nm) kann eine Kataraktbildung beschleunigen oder auslösen. Eine Aufheizung der Augenlinse durch IR-B Strahlung wird als Ursache für den „Glasbläser-Star“ vermutet.

UVA Strahlung (315 nm – 400 nm) kann ebenfalls ein Katarakt verursachen. Dabei kommt es zu einer Fotooxydation der Strahlen absorbierenden Proteine in der Augenlinse. Die Strahlung löst die chemischen Bindungen der Proteine auf. Die veränderten Proteine sind nicht mehr löslich, es kommt zur Klumpenbildung. Zudem legen sich Pigmente an den Linsenzellen an und können so die typische, gelbliche Färbung verursachen. [6]

Katerakt
Typische gelblich-braune Färbung bei einem Katarakt

Ein Katarakt macht sich je nach Position des Transparenzverlustes durch eine herabgesetzte Sehschärfe bemerkbar. Je nach Lage kann ein Katarakt mit oder ohne Dilatation mit Hilfe der Spaltlampe evaluiert werden. Computer animierte Modelle der Weltgesundheitsorganisation WHO gehen bei einem weiteren Rückgang des stratospherischen Ozons um 10 Prozent von weltweit 1,6 bis 1,75 Millionen zusätzlichen Katerakterkrankungen pro Jahr aus. [7]

Retina und Chorioidea

Die UV-Strahlung wird vor dem Erreichen nahezu gänzlich von den vor der Retina liegenden Augenmedien absorbiert. Trotzdem ist das sensible, retinale Gewebe anfällig für Lichtschäden. Deshalb ist das Auge von Natur aus mit Schutzmechanismen gegen zu hohe Lichtdosen versehen. So führt eine Überdosis an sichtbarer Lichtstrahlung (400 nm – 780 nm) neben der Pupillenreaktion auch zu weiteren Schutzfunktionen. Es kommt zu einem vermehrten Lidschlag und zum Zusammenkneifen der Lider.

Lider
Zusammenkneifen der Lider bei hoher Lichtbelastung

Bei starker Blendung dreht man auch unwillkürlich den Kopf von der Strahlungsquelle weg. Eine hohe Dosis an sichtbarer Strahlung führt zu retinalen Nachbildern nach dem Schließen der Augen oder bei anschließend rasch abgesenkter Leuchtdichte. Die Stärke und Art der Nachbilder sind von Leuchtdichte und Dauer des Strahlungsreizes, dem Adaptionszustand der Augen und der Lage der angeregten Retinaareale abhängig. [8]

Es ist jedenfalls dringend abzuraten für einen längeren Zeitraum in Richtung einer stark blendenden Lichtquelle zu sehen oder sie sogar zu fokussieren. Es haben sich in der Vergangenheit auch immer wieder Fragen betreffend gesundheitsschädlicher Emissionen von Hitzelampen zur Behandlung von Kunststoffen, Bogenlampen in Forschungslaboratorien, überdurchschnittlich starke Blitzlampen in der Fotographie und Leuchten beim Druck und bei Fotokopierer gestellt. Eine dauerhafte Belastung mit starken Lichtintensitäten kann mit hoher Wahrscheinlichkeit bleibende Netzhautschäden begünstigen.

Berufsgruppen die laufend mit hellem Licht zu tun haben, müssen einen speziellen Augenschutz verwenden. Schweißer und Personen, die mit glühenden Materialien hantieren, sind bei besonders gefährdet. Aber auch Berufe, die permanenter starker Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, wie z.B. Landwirte, Bauarbeiter und Berghüttenpersonal, bedürfen einer gesonderten Aufmerksamkeit betreffend eines angemessenen Lichtschutzes.

Lichtschädigungen der Retina werden vor allem durch sichtbares Licht (400 nm – 700 nm) und durch hohe Intensitäten von IR A Strahlung (700 nm – 1.400 nm) hervorgerufen.

Sichtbare Lichtquellen, die keine der beschriebenen, körpereigenen Schutzfunktionen auslösen sind nicht automatisch unbedenklich. Jede starke Lichtquelle kann bei einer Langzeiteinwirkung retinale Veränderungen hervorrufen. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass die Retina nicht durch Hitze sondern durch photochemische Prozesse geschädigt wird. Sogar beim direkten Blick in die Sonne – wie etwa bei der Beobachtungen von Sonnenfinsternissen – steigt die Temperatur der Makula nur um 2-4 Grad Celsius. Die daraus resultierenden Netzhautschäden entstehen durch die starke Intensität des sichtbaren Lichts unterhalb von 510 Nanometer.

Starke oder dauerhafte Intensitäten im blauen Bereich des sichtbaren Lichts können toxische Substanzen, wie zum Beispiel freie Radikale freisetzen. Werden diese nicht rasch genug abgebaut, so reagieren sie mit dem betroffenen Gewebe zu Aldehyde. Aldehyde verfügen über eine hohe Reaktivität und vernetzen in Folge wiederum Enzymproteinen, Membranproteinen und Kollagenen. Diese führen die eigentliche Schädigung der Netzhaut herbei.

Die Chorioidea versorgt die hinteren Retinaschichten mit Blut. Kurzwellige Infrarotstrahlung (700 nm – 1.400 nm) kann die Chorioidea schädigen und in Folge zu einem lokalen Gewebsdefekt der Retina führen.
Amsler
Amsler Test (verkleinert): 400 Stück 5mm große Quadrate. Bei Betrachtung aus 33cm erscheinen die Enden der Quadrate unter einem Winkel von 1°. Monokularer Test. Presbyope verwenden Lesekorrektur. Der Punkt in der Mitte wird fixiert. Frage: „Erscheinen alle Striche als Linien oder sind Unterbrechungen oder Wellen zu sehen?“
Links: Weiß auf Schwarz. Meist verwendete Diagnosetafel.
Rechts: Schwarz auf Weiß – zum Nachmalen für den Patienten. Dient zur Nachweisbarkeit von Metamorphopsien und eines relativen, zentralen Skotoms.

Studien lassen eine zeitlebens starke Expositur kurzwelliger, sichtbarer Strahlung (bzw. langwelliger UV-Strahlung) als möglichen Risikofaktor bei der Entstehung einer altersbedingten Makuladegeneration (AMD) als wahrscheinlich gelten. Symptome einer altersbedingten Makuladegeneration sind unter anderem ein positiver Amsler Test, gelbliche Makuladrusen, und eine Degeneration des Pigmentepithels (Hyperpigmentation und scharf begrenzte Areale mit Depigmentation im frühen Stadium – Atrophie des Pigmentepithels und dadurch sichtbare chorioidale Gefässe mit Neovaskularisationen in späteren Stadien). [9]

Absorption der UV-Strahlung im Auge

Die transparenten Augenmedien absorbieren verschiedene Lichtwellenlängen mit unterschiedlicher Intensität. [10]

Anteilige Absorption der UV-Strahlung (von 100%)
Wellenlänge Cornea Kammerwasser Augenlinse Vitreous
100 nm – 280 nm 100% 0% 0% 0%
300 nm 92% 6% 2% 0%
320 nm 45% 16% 36% 1%
340 nm 37% 14% 48% 1%
360 nm 34% 12% 52% 2%
  • Je kurzwelliger die UV-Strahlung, desto stärker die cornealen Schäden
  • Die Absorption des Kammerwassers ist als Auslöser dauerhafter Schäden nicht bekannt
  • Je langwelliger die UV-Strahlung, desto stärker die Schäden in der Augenlinse
  • Der Vitreous absorbiert den geringen, verbleibenden Rest der UV-Strahlung, welcher nicht schon zuvor von den vorderen Augenmedien absorbiert wurde
  • Die Retina erreicht nahezu keine UV-Strahlung mehr, da diese von den davor liegenden Augenmedien absorbiert wird

Durch Reflexion wird die Intensität der sichtbaren Strahlung weiter verstärkt. So reflektiert Schnee je nach Verschmutzungsgrad zwischen 50%-95%, hellfarbiger Sand immer noch etwa 15% und Wasser etwa 5% der UVB-Strahlung. Grasbewuchs absorbiert dagegen die UV-Strahlung nahezu gänzlich. Die hohe Reflexion von Schnee, Sand und Wasser erklärt die absolute Notwendigkeit eines hochwertigen Sonnenschutzes bei Aufenthalten an Gewässern, Stränden und bei Schneelage. Die Volksmeinung, dass für Kinder eine Schirmmütze als Sonnenschutz ausreichend wäre, ist aufgrund der zuvor beschriebenen Reflexionen von unten nicht korrekt. Kinder benötigen wie Erwachsene eine Sonnenbrille mit ausreichendem UV- und Lichtschutz.

Die UV-Intensität ist auch von der Jahres- und Tageszeit, des Breitengrades und der Meeresspiegelhöhe abhängig! Pro 1000 Höhenmeter steigt die UV-Belastung um etwa 15%. In den Monaten Mai, Juni, Juli, wenn der Einfallswinkel der Sonne am größten ist, erreicht auch die UV-Strahlung ihre höchsten Werte. Im Verlauf eines Tages ist die UV-Einstrahlung in der Zeit zwischen 11 Uhr und 15 Uhr am höchsten. Eine dichte Wolkenschicht kann bis zu 90 Prozent der UV-Strahlung filtern. Dünne Wolkenschichten können allerdings durch neuerliche Reflexion der Bodenreflexion wie ein Verstärker wirken.

Der Einfallswinkel der UV-Strahlung ist umso größer, die Strahlung damit umso intensiver, je geringer die geografische Breite ist. Dies bedeutet, dass in den südlichen Nachbarländern von Österreich die UV-Strahlung intensiver ist. [11]

Vorbeugung ist der beste Schutz

Retinale Defekte und Degenerationen in der Augenlinse sind nicht regenerierbar. Deshalb ist die Prävention die beste Strategie im Zusammenhang mit optischen Strahlenschäden im Auge. Hochwertige Sonnenbrillen und sogar helle Brillengläser verfügen im gehobenen Qualitätssegment über einen guten UV-Schutz. Die Filterwirkung sollte nach neueren Erkenntnissen bereits bei 400 Nanometern und nicht erst bei 380 Nanometern einsetzen. Dies ist besonders auch im Hinblick auf Überlegungen zur altersbedingten Makuladegeneration wichtig. So könnte ein 100%iger UV-Schutz bei 380 Nanometern auf Dauer nicht ausreichend sein. Vielmehr könnten Sonnenschutzgläser mit einer Kante bei knapp über 400 Nanometer als sinnvoll erscheinen, um nicht nur die Augenschäden durch UV-Strahlung sondern auch der wahrscheinlich im Zusammenhang mit kurzwelliger, sichtbarer Strahlung stehende altersbedingte Makuladegeneration Einhalt zu gebieten.

Ein unzureichenden Schutz der Augen kann – je nach Intensität und Wellenlänge einer Lichtquelle – dauerhafte Schäden hervorrufen. Unterschiedliche Einwirkungen schädigen signifikant andere Gewebspartien des Auges. Je nach Licht-Exposition stellen sich deshalb unterschiedliche Anforderungen für das einzelne Individuum. In gewissen Fällen – nicht nur bei bereits bestehenden Pathologien – ist ein Schutz durch Kantenfiltergläser sinnvoll und sehr empfehlenswert.

Kontaktlinsen bieten – selbst wenn sie einen UV-Filter besitzen – nur unzureichend Schutz vor optischer Strahlung, da sie nur einen Teil des Auges bedecken und nur einen Teil der optischen Strahlung filtern. Bindehaut und Lider bleiben zudem ungeschützt. Nur hochwertige Sonnenbrillen bieten ausreichenden Schutz vor UV-Strahlung und Blendung!

Die Beratung betreffend Lichtschutzbrillen kann bei weiterer Überlegung nur von Augenoptikern und Optometristen durchgeführt werden, da diese sowohl über eine technisch-physikalische als auch über eine anatomisch-pathologische Ausbildung verfügen. [12]

Quellen:
[1] http://www.cie.co.at/cie
[2] Sonnenbrillenumfrage. Optikum. 2002.
[3] Laser Bioeffects & Non-Beam Hazards. Thomas Jefferson National Accelerator Facility. 2005.
[4] Augenheilkunde. Wolfgang Leydhecker & Franz Grehn. Springer Verlag
[5] Grundriss der Entwicklungsgeschichte des Menschen. Grosser-Ortmann. Springer Verlag. 1970.
[6] Vorlesung im April 2006 an der Donau-Universität Krems/Austria. Dr. Susan Oleszewski. Pennsylvania College of Optometry.
[7] WHO. 2006. http://www.who.int/uv/uv_and_health/en/index.html
[8] Das Auge, Jörg Trotter. Optik-Verlag. 1982
[9] Non-Coherent Light Source Safety. Absorption der UV-Strahlung im Auge.
[10] Clinical Ophthalmology, a Systematic Approach. Jack. J. Kanski. Butterworth/Heinemann. 2003
[11] Lebensministerium der Bundesrepublik Österreich. 2006. http://www.lebensministerium.at/article/archive/7302
[12] Was bringt eine hochwertige Sonnenbrille? Eine kleine Einführung zum Thema Strahlenschäden am Auge. www.optiker.at. Harald Belyus. 1999.