12 Elementy radiobiologii organizmów żywych i ryzyko związane z promieniowaniem.pdf

XII. ELEMENTY RADIOBIOLOGII ORGANIZMÓW

ŻYWYCH I RYZYKO ZWIĄZANE Z PROMIENIOWANIEM 1

12.1 Skutki działania promieniowania jonizującego

Skutek biologiczny promieniowania jonizującego zależy w sposób naturalny od wielkości

dawki i rodzaju promieniowania, o czym była już wielokrotnie mowa. Ponadto jednak zależy

on od:

• warunków napromienienia, a więc

- mocy dawki,

- sposobu frakcjonowania,

- masy napromienianych tkanek,

- rodzaju napromienianych narządów (w szczególności krytycznych), a także

- natlenowania tkanek

• cech biologicznych ustroju

Wpływ wymienionych czynników opisujemy kolejno niżej, bez odwoływania się jeszcze do

działania promieniowania jonizującego na komórkę, które omówimy w następnym paragrafie.

Moc dawki:

Tempo absorbowania energii promieniowania jonizującego ma istotny wpływ na

skutki biologiczne z tego względu, że organizm reperuje uszkodzenia komórki w skończonym

czasie. Przy dużych mocach dawek tempo tworzenia uszkodzeń jest odpowiednio duże,

a więc możliwość efektywnej reperacji uszkodzeń zmniejsza się.

Frakcjonowanie dawki:

Organizm łatwiej toleruje dawkę rozłożoną na kilka frakcji, podawanych

w odpowiednich odstępach czasu. Jest to naturalną konsekwencją niezbędnego czasu

potrzebnego na reperację uszkodzeń radiacyjnych.

1 W znacznej części wg L.Dobrzyński, W.Trojanowski, Raport Nr 15, Dział Szkolenia i Doradztwa IPJ, Świerk (2002) oraz

L. Dobrzyński, Postępy Techniki Jądrowej, 3 (2001)14, a także monografii R.A.Powsner E.R.Powsner, Nuclear Medicine

Physics, Blackwell (2006) i S.Lehnert, Biomolecular Action of Ionizing Radiation , Taylor and Francis (2008)

Istotność masy tkanek:

Napromienianie dużej masy tkanek przynosi wyraźniejsze ogólnoustrojowe efekty niż

skupienie całej energii promieniowania na izolowanej części ciała;

• Możliwym efektem pozytywnym jest zwiększenie odporności organizmu;

• Możliwym efektem negatywnym jest tworzenie się w organizmie substancji

szkodliwych (np. histaminy) w ilości proporcjonalnej do masy tkanek.

Narządy krytyczne:

Osłonięcie lub napromienienie narządów krytycznych (a więc w danej procedurze

najbardziej narażonych na negatywne skutki napromienienia) ma zasadnicze znaczenie dla

zwiększenia lub zmniejszenia szansy przeżycia napromieniowanego osobnika.

Natlenowanie tkanek:

Bogate unaczynnienie, to lepsze zaopatrzenie w tlen i zwiększenie promienioczułości.

W centrum rakowym zawartość tlenu jest na ogół niższa, co pociąga za sobą obniżoną

radioczułość. Oznacza to, że przy napromienieniu dawka, która może zabić zdrową

komórkę, może być zbyt niska dla zabicia komórki rakowej w centrum guza. Stąd też w

terapii nowotworów trzeba stosować specjalne metody zwiększania radioczułości

komórek nowotworowych. Frakcjonowanie dawki jest jedną z nich, gdyż w każdej

kolejnej frakcji niszczone są komórki zewnętrzne, bogatsze w tlen. Stwarza to dla

komórek uboższych w tlen możliwość zaabsorbowania większej porcji tlenu. Problem

tlenowy jest mniejszy jeśli korzysta się z promieniowania o wysokim LET.

Tab. 12.1 Średnie dawki śmiertelne [w Sv]

dla różnych organizmów

Ssaki 2 - 14

Ryby 7 – 60

Skorupiaki 12 – 210

Rośliny wyższe

6 – 760

Owady

18 – 2810

Pierwotniaki

95 – 5400

Glony, mchy, porosty

40 - 9800

Bakterie

60 – 9500

Wirusy

170 – 10000

Mięczaki

6 - 760

Wrażliwość na promieniowanie (radioczułość) jest zarówno osobnicza, jak gatunkowa.

Obie są bardzo zróżnicowane. Przedstawiciele niższych grup taksonomicznych są z reguły

bardziej odporni, co pokazuje Tabela 12.1..

12.2 Działanie promieniowania na komórkę

Omawianie skutków działania promieniowania jonizującego na organizm warto zacząć od

pobieżnego przeglądu efektów wywoływanych przez promieniowanie wewnątrz komórki.

Możemy tu obserwować:

• Brak reakcji,

• Przejściowe zmiany czynnościowe lub morfologiczne,

• Zmiany trwałe oraz

• Śmierć nekrotyczną komórki w wyniku licznych, zachodzących stopniowo

uszkodzeń lub apoptozy, a więc samobójczej śmierci komórki spowodowanej

skomplikowanymi procesami aktywacyjnymi wewnątrz komórki.

Podstawowym mechanizmem tworzących się w komórce uszkodzeń jest powstanie pod

wpływem promieniowania jonizującego wolnych rodników 2 , a więc chemicznie agresywnych

substancji, które mogą w wyniku reagowania z cząsteczkami DNA (kwas

deoksyrybonukleinowy) uszkadzać tę podstawową dla życia cząsteczkę, patrz rys. 12.1.

Uszkodzenia DNA (rys. 12.2), mogą polegać na

• Zerwaniu pojedynczej nici DNA (zerwanie pojedynczego łańcucha cukrowo-

fosforanowego),

• Zerwaniu podwójnej nici DNA,

2 Promieniowanie jonizujące w oddziaływaniu z cząsteczkami wody rozbija je w szczególności na parę jonów:

H 2 O + i e - . Oswobodzony elektron może się z kolei przyłączyć do cząsteczki wody, tworząc jon H 2 O - . Oba typy

jonów, H 2 O + i H 2 O - są tzw. rodnikami jonowymi – nietrwałymi jonami, które szybko dysocjują. Pierwszy z

nich przekształca się w jon H + i OH ● , drugi zaś w H ● i ujemny jon OH - . OH ● i H ● są elektrycznie neutralnymi

atomami, ale ze względu na niesparowany elektron na zewnętrznej powłoce stanowią cząstki agresywnie

reagujące z otoczeniem. To są właśnie wolne rodniki. Chociaż potrafią one szybko rekombinować w taki sposób,

aby osiągnąć stabilna konfigurację, w dużych koncentracjach mogą prowadzić do utworzenia się organicznych

wolnych rodników, a także toksycznej dla organizmu wody utlenionej H 2 O 2 ● . Organiczne wolne rodniki

powodują pęknięcia nici w DNA, a także krzyżowe połączenia białek jądrowych z DNA wewnątrz nici. Wolny

rodnik OH ● ze względu na swoje własności utleniające (przyłączanie elektronów) powoduje więcej uszkodzeń

niż H ● .

• Uszkodzeniu zasad azotowych (nukleotydów T, C, A i G, patrz rys. 12.2),

• Powstaniu krzyżowych połączeń białek jądrowych z DNA w obrębie jednej lub

dwóch nici.

Zauważmy, że wprowadzone wcześniej pojęcie czynnika jakości promieniowania traci sens w

odniesieniu do komórki, jako że

• dla cząstek o małych wartościach LET (mniejszych od ok. 5 keV/μm) dawka jest

absorbowana w liczbie komórek porównywalnej z liczbą komórek naświetlanych,

a zatem to co obserwujemy jest efektem zbiorowym,

• natomiast dla cząstek o dużej wartości LET, uszkodzenia dotyczą pojedynczych

komórek, jednak skutki promieniowania charakterystyczne dla komórki nie zawsze

można przenieść na skutki dla tkanek.

Membrana

Rybosom

O OH -

. H

Cytoplazma

Jądro

Membrana jądra

Para homologicznych

chromosomów

Rys. 12.1 Promieniowanie jonizujące może wywołać w komórce (z lewej strony)

tworzenie wolnych rodników, a te mogą uszkadzać DNA komórki (schematycznie z

prawej strony rysunku).

Promienioczułość komórek ssaków jest proporcjonalna do szybkości podziałów

komórkowych i odwrotnie proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania (prawo Bergonie

i Tribondeau):

• Promienioczułymi są więc szpik i tkanka limfatyczna, komórki płciowe i nabłonka

jelit;

• Mniej wrażliwe są komórki mięśniowe, narządy miąższowe (jak wątroba), tkanka

nerwowa i łączna.

Zerwanie

pojedynczej nici

Zerwanie obu nici

helisy

Klaster uszkodzeń

(dwa uszkodzenia

lub więcej)

Uszkodzenie

pary bazowej

Rys. 12.2 Możliwe uszkodzenia DNA pod wpływem promieniowania

[S – cukier (deoksyryboza), P – reszta fosforanowa, T – tymina, A – anilina, C –

Cytozyna, G – guanina]

Badania wpływu promieniowania na komórki ludzkie można wykonać w laboratorium na

odpowiednich kulturach tkankowych. Mając te kultury można określić relację pomiędzy

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: