biološki učinci djelovanja ionizirajućih zračenja

Biološki učinci djelovanja ionizirajućih zračenja

Prof. dr. sc. Stipan Janković

Djelovanje ionizirajućeg zračenja na stanicu

Radiobiologija

izlaganje stanica zračenju dovodi do unosa energije u stanice, što uzrokuje niz različitih promjena kemijskih i bioloških strukturnih elemenata ovisno o količini i vrsti energije zračenja.

učinci djelovanja zračenja su posljedica ionizacije u procesu interakcije zračenja i atoma/molekula koji su strukturni dijelovi stanica.

sve promjene na živim stanicama koje nastaju djelovanjem zračenja nazivaju se skupnim imenom biološko djelovanje ionizirajućeg zračenja.

Radiobiologija

Fizikalne promjene u stanici

nastaju pod utjecajem apsorbirane energije zračenja.

ionizirajuća zračenja su valovi, fotoni energije u točno određenim – definiranim količinama (kvantima energije).

količina energije koju prenosi foton određena je po jednadžbi: E= h x f (E= energija, f= frekvencija, h=konstanta koja određuje njihov omjer).

što je veća frekvencija to je manja duljina vala, to je veća količina energije koju fotoni predaju stanicama.

energija fotona (zraka) pretvara se u kinetičku energiju elektrona izbačenih iz elektronskih omotača atoma.

Radiobiologija

nastaju fizikalni procesi:

* Sve se to odvija u vrlo kratkom vremenu, koje se mjeri oko 10-13 msec.

Radiobiologija

ionizacija- stvaranje ionskih parova

anihilacija pozitrona

nastanak karakterističnog zračenja

neznatno povećanje temperature tkiva itd.

Kemijske promjene u stanici

nadovezuju se na fizikalne promjene.

ionizirani atomi mijenjaju kemijska svojstva.

ako je atom sastavni dio važne velike molekule, ionizacija može dovesti do prekida molekule ili prelokacije atoma u molekuli.

molekula može biti oštećena na način promijenjene funkcije ili gubitka njene funkcije, što može rezultirati ozbiljnim oštećenjem ili čak smrti stanice.

Radiobiologija

KAKO ZRAČENJE DJELUJE NA STANICUKAKO ZRAČENJE DJELUJE NA STANICU ? ?

Postoje dvije mogućnosti oštećenja:

pogodak vitalnih struktura (karioreksa, karioliza, stvaranje vakuola u citoplazmi, pucanje stanične membrane itd.) - izravno djelovanje zračenja (teorija izravnih pogodaka).

neizravna oštećenja: nastaju u srazu zračenja s molekulama vode (75-85% tjelesne mase!)- teorija neizravnih oštećenja.

* Najveći broj oštećenja događa se ovim mehanizmom, a samo oko 5% izravnim djelovanjem zračenja!

Radiobiologija

Radiobiologija

DJELOVANJE ZRAČENJA NA STANICU

ciljno mjesto djelovanja radijacije na živa tkiva je stanica, osnovni građevni element tkiva.

upravo u stanici događaju se različite kemijske i biološke promjene nakon izlaganja ionizirajućem zračenju.

stanice su građene od molekula i to pretežno od slijedećih pet glavnih molekula:

80 % molekule vode

15 % proteini

2% lipidi

1% ugljikohidrati

1% nukleinske kiseline

1% sve ostale molekule

Radiobiologija

od ovih molekula, očito su najzastupljenije molekule vode, a to su ujedno i najjednostavnije molekule u ljudskom tijelu.

proteini, lipidi, ugljikohidrati su organske molekule, a zbog njihove veličine nazivaju se i makromolekulama, u što spadaju i nukleinske kiseline koje su veoma velike molekule, sastavljene od stotina i tisuća atoma.

zbog najveće zastupljenosti u tijelu, pri izlaganju zračenju najveća je mogućnost interakcija zračenja s molekulama vode. Najveći dio zračenja apsorbira se u ovim molekulama jer su one najbrojnije.

poznato nam je da se sve bitne funkcije u ljudskom tijelu odvijaju uz pomoć molekula vode, pa svako unošenje nove energije sa strane u te molekule dovodi do poremećaja koji mogu rezultirati različitim oštećenjima.

Radiobiologija

Koji su mehanizmi djelovanja zračenja na molekule vode s posljedičnim oštećenjima?

Prikazat ćemo na jednostavnom primjeru:

H2O + zračenje = H2O+ + e-

H2O+ H+ + OH*

H2O+ + e- H2O-

H2O- OH- + H*

Radiobiologija

Djelovanjem zračenja na molekulu vode nastali su slobodni radikali:

kao što se vidi iz ove jednostavne formule, djelovanjem slobodnog radikala OH* na molekulu encima, on je izgubio SH skupinu (sulfhidrilna skupina), koja se nalazi u mnogim encimima, a veoma je osjetljiva na djelovanje slobodnih radikala.

OH* i H* koji su vrlo nestabilni i u nekoliko mikrosekunda stupaju u različite kemijske reakcije s okolnim molekulama.

vezivanjem radikala na molekule koje su od vitalnog značaja za uredno funkcioniranje stanice, na primjer za metaboličke procese u stanici, dolazi do poremećaja metaboličkih procesa. Takav je slučaj s inaktivacijom encima pod djelovanjem slobodnih radikala.

Primjer oštećenja molekule encima:R-SH+R-SH+2OH*R-S-S-R+2H2O

Radiobiologija

djelovanjem zračenja na molekule vode nastaje radioliza, a stvoreni slobodni radikali raskidaju dijelove makromolekule encima, i to najčešće baš kemijsku vezu između vodika i sumpora u SH skupini.

Drugi primjer - oštećenje stvaranjem vodikova peroksida:

OH* + OH* = H2O2

gubitkom ove karakteristične skupine molekula gubi svoju biokemijsku aktivnost što rezultira biološkim oštećenjem.

posljedice mogu biti oštećenje ili potpuni gubitak funkcije stanice za čije je metaboličke reakcije odgovoran inaktivirani encim.

Vodikov peroksid je veoma toksični oksidant koji može oštetiti stanicu i njenu DNA.

Radiobiologija

Važni građevni elementi tijela su proteini:

oko 15 % molekula u tijelu otpada na proteine

građeni su od dugih lanaca aminokiselina povezanih peptidnim vezama

u tome sudjeluju ukupno 22 aminokiseline

opća formula proteina: CNHNONNNTN.

Radiobiologija

Molekula proteina sastavljena je pretežno od ugljika, kisika i dušika

Radiobiologija

Uloga proteina:

građevni element i potpora (mišići itd.)

imaju funkciju kao encimi (kontrola biokemijskih procesa)

hormoni (kontrola rasta i razvoja) i antitijela (primarna obrana tijela od infekcija i bolesti)

Radiobiologija

Lipidi:

organske makromolekule sastavljene od ugljika, vodika i kisika (CNHNON)

građeni su od jedne molekule glicerola i tri molekule masne kiseline

nalaze se u svim tjelesnim tkivima i strukturni su elementi staničnih membrana (lipoproteini)

imaju važnu ulogu toplinskog izolatora i depoa energetske rezerve

* oštećenja lipida nastaju djelovanjem slobodnih radikala tek pri većim dozama zračenja

Radiobiologija

Ugljikohidrati:

građeni su od ugljika, vodika i kisika (CHO), nazivaju se i saharidima

omjer broja atoma vodika i kisika je 2:1

dijele se u manosaharide (glukoza-C6H12O6), disaharide i polisaharide (škrob)

uloga u organizmu: energetsko gorivo u stanicama-omogućuju stanični metabolizam

Radiobiologija

Nukleinske kiseline

nukleinske kiseline su dezoksiribonukleinska kiselina (DNA) i ribonukleinska kiselina (RNA)

Radiobiologija

DNA je pretežno u jezgri stanica (manji dio u mitohondrijima) i spada među najvažnije organske makromolekule u tijelu. Ona kontrolira sve funkcije stanice i sadrži svu nasljednu masu.

RNA je smještena pretežno u citoplazmi stanice, a javlja se u tri oblika mRNA, tRNA i snRNA (sudjeluje u procesu zrenja mRNA): sudjeluje u procesima rasta i razvoja stanica, neophodne su za sintezu proteina.

DNA i RNA zajedno određuju redoslijed aminokiselina u molekuli proteina

Radiobiologija

diobom molekule DNA nastaju uvijek dvije jednake molekule (reduplikacija) s istim redoslijedom aminokiselina (A-T, C-G).

posrednik je molekula RNA koja prenosi “šifru” s DNA za sintezu novih molekula proteina u stanici. Poremećaj redoslijeda aminokiselina (pod utjecajem zračenja npr.) navodi ribosome na stvaranje drugačijih -“pogrešnih”, za stanicu nepotrebnih ili čak štetnih proteina.

Radiobiologija

Prekid lanaca DNA zračenjem: prekid može biti jednostruk (može se oporaviti) ili dvostruk (ne može se oporaviti). Prekidi lanaca DNA se događaju na spojevima šećera i fosfornih veza ili između šećera i purinskih ili pirimidinskih baza, a posljedica su oštećenja encima koji kontroliraju procese sinteze i reduplikacije.

Radiobiologija

NAPOMENE:

oštećenja stanica su proporcionalna dozi zračenja.

veće doze zračenja oštećuju i reparatorne mehanizme, pa su nastala oštećenja ireverzibilna (smrt molekula i stanica).

ova se činjenica koristi u radioterapiji tumora.

sve ovo još nije do kraja istraženo i predmet je ispitivanja u laboratorijima diljem svijeta (na virusima, bakterijama, i kulturi stanica).

Radiobiologija

OŠTEĆENJA STANIČNE MEMBRANE ZRAČENJEM

stanične membrane su veoma važne za uredno funkcioniranje stanica i tkiva, npr. stanice tubularnog epitela bubrega (razmjena elektrolita), živčane stanice u mozgu (kalij i natrij pumpa) itd.

oštećenja zračenjem se ispoljavaju pucanjem stanične membrane koja postaje abnormalno propusna.

Radiobiologija

PROMJENE U STANICAMA NAKON IZLAGANJA ZRAČENJU

radioliza vode (stvaranje slobodnih radikala, inaktivacija encima): neizravni tip oštećenja – najviše je zastupljen (do 95%).

oštećenje organskih makromolekula (osobito DNA): izravna oštećenja – ovaj tip oštećenja stanica je manje zastupljen (pretpostavlja se svega 5% oštećenja).

ribosomi se međusobno sljepljuju.

mitohondriji bujaju, smanjuje se broj mitohondrijskih membrana, te se oštećuju okcidacijski procesi.

endoplazmatski retikulum se deformira i proširuje što dovodi do oštećenja sinteze proteina.

Radiobiologija

OSJETLJIVOST POJEDINIH STANICA NA ZRAČENJE

osjetljivost (radiosenzibilnost) tkiva na zračenje je veoma različita.

za nju vrijedi Bergonie-Tribondeau zakon: stanice su osjetljive na zračenje proporcionalno brzini njihove diobe, a obrnuto proporcionalno stupnju njihove diferencijacije.

to znači da su na zračenje najosjetljivije stanice koje se intenzivno dijele i koje imaju intenzivnije metaboličke procese.

manje su osjetljive visoko diferencirane stanice i stanice sa sporijim metaboličkim procesima.

Radiobiologija

Redoslijed osjetljivosti nekih stanica na zračenje:

visoka osjetljivost: limfociti, spermatogonije, eritroblasti, stanice crijevnog epitela.

umjerena osjetljivost: endotelne stanice, spermatide, fibroblasti, osteoblasti.

slaba osjetljivost: mišićne stanice, živčane stanice i stanice koštanog tkiva.

**Spoznaje o različitoj osjetljivosti stanica odredile su radiobiološke smjernice za zaštitu od zračenja, ali su isto tako omogućile primjenu ionizirajućeg zračenja u terapijske svrhe (radioterapija zloćudnih tumora).

Radiobiologija

na zračenje su osjetljivije mlađe osobe.

žene su nešto manje osjetljive na zračenje nego muškarci.

Radiobiologija

JAČINA BIOLOŠKIH OŠTEĆENJA ZRAČENJEMJAČINA BIOLOŠKIH OŠTEĆENJA ZRAČENJEM

Jačina bioloških oštećenja ovisi o:

a) vrsti zračenja (svaka vrsta zračenja ima svoju karakterističnu radiobiološku efikasnost (RBE), alfa čestice izazivaju ionizaciju tkiva 20 X veću od beta zraka; težinski faktor radijacije).

b) vremenskoj raspodjeli doze (biološka oštećenja su obrnuto proporcionalna vremenu trajanja izlaganja radijaciji).

c) topografskoj raspodjeli doze (biološka oštećenja su proporcionalna volumenu ozračenog tijela).

d) apsorbiranoj dozi zračenja (biološka oštećenja su posljedica djelovanja sveukupnog zračenja kojem je tijelo bilo izloženo, bez obzira na doze, vrijeme izlaganja i volumen tkiva – efektivna životna doza zračenja).

Radiobiologija

e) individualnoj osjetljivosti na zračenje (svaki organizam je različito osjetljiv na zračenje, razlozi uglavnom nepoznati).

f) životnoj dobi (mlađe osobe su u pravilu osjetljivije na zračenje od starijih, djeca su 3 X osjetljivija od odraslih, fetus je najosjetljiviji na zračenje).

Radiobiologija

Prevencija i zaštita od zračenja

PREVENCIJA I ZAŠTITA OD ZRAČENJA

PREVENCIJA: izbjegavanje izlaganja pučanstva nepotrebnom zračenju

DOBRA INDIKACIJA (naročito žena i mladih osoba u generativnom razdoblju)

REDOSLIJED PRETRAGA

RAZUMAN- LOGIČAN ODABIR RADIOLOŠKIH METODA !

klinički pregled

laboratorijski nalaz

ultrazvuk

endoskopske metode

RTG

Zaštita od zračenja

Mjere prevencije i zaštite (profesionalnog osoblja)

dobra stručna izobrazba prije početka rada

primjena propisanih zaštitnih sredstava

nošenje osobnih dozimetara za kontrolu doza ekspozicije zračenju


ZAŠTITA OD IONIZIRAJUĆIH ZRAČENJA

skup svih mjera i postupaka kojima se može smanjiti izlaganje zračenju u tijeku njegove poželjne ili potrebne primjene


OBLICI ZAŠTITE OD ZRAČENJA:

zakonodavna zaštita

fizikalno-tehnička zaštita

kemijska zaštita

biološka zaštita

znanstvena istraživanja


Članak 11.

• ozračenje osoba koje rade s izvorim ionizirajućih zračenja tijekom rada ne smije biti iznad 100 milisiverta u razdoblju pet uzastopnih godina, odnosno 20 milisiverta prosječno u svakoj godini, uz uvjet da ni u jednoj godini petogodišnjeg razdoblja ozračenje ne smije biti iznad 50 milisiverta

• uvažavajući gornje granice ozračenja očne leće ne smiju biti ozračene iznad 150 milisiverta u jednoj godini, a koža, podlaktice, šake i stopala ne smiju biti ozračena iznad 500 milisiverta u jednoj godini


Članak 14.

• ozračenje osoba koje ne rade s izvorima ionizirajućih zračenja ne smije biti iznad 1 milisiverta u jednoj godini

• uvažavajući gornju granicu ozračenja očne leće osoba koje ne rade s izvorima ionizirajućih zračenja ne smiju biti ozračene iznad 15 milisiverta u jednoj godini, a koža osoba koje ne rade s izvorima ionizirajućih zračenja ne smije biti ozračena iznad 50 milisiverta u jednoj godini


FIZIKALNO-TEHNIČKA ZAŠTITAFIZIKALNO-TEHNIČKA ZAŠTITA

nadzor nad izvršavanjem zakonskih propisa u svezi s projektiranjem i izgradnjom radioloških ustanova, odjela i prostorija u kojima će se raditi s izvorima ionizirajućih zračenja

projektiranje i izgradnja prostorija

zaštita zidova, prozora i vrata radioloških prostorija

zaštita podova


Zaštita na rentgenskom uređaju:

sloj olova u oklopu (zračniku) rentgenske cijevi

filtri na prozoru rentgenske cijevi

višeslojni sužavajući zastor (kolimator)

stol ili oslon rentgenskog uređaja

olovno zaštitno staklo na ekranu rentgenskog dijaskopskog uređaja (kad nema elektronskog pojačala)

zaštitne rese od olovne gume oko ekrana, odnosno elektronskog pojačala

elektronsko pojačalo


Drugi oblici (mogućnosti) zaštite od zračenja:

skraćenje trajanja izlaganja

udaljavanje tijela od izvora zračenja

način rada


Osobna zaštitna sredstva za zaštitu profesionalnog osoblja i bolesnika:

zaštitne pregače

zaštitne rukavice

štitnik za vrat

zaštitne naoćale

zaštitne kecelje za bolesnike

štitnici za ovarije i testise bolesnika


Nove tehnološke mogućnosti poboljšanja zaštite od zračenja:

visokofrekventni generatori

superbrze folije rijetkih zemalja

kazete s karbonskim vlaknima

rešetke i stol rtg uređaja s karbonskim vlaknima

primjena filtera (erbij, itrij), itd.


Zaštita žena od ionizirajućih zračenja:

pravilo “deset dana”

pravilo “28 dana”

pravilo “90 dana” za muškarce

zaštita trudnica (prva 4 tjedna trudnoće, 8-15 tjedana trudnoće, 15-32 tjedna i preko 32 tjedna trudnoće, kritična doza zračenja za pobačaj, pretrage koje dovode do doze zračenja za pobačaj…)


Kritična doza zračenja za pobačaj, pretrage koje dovode do doza zračenja za medicinski opravdani pobačaj :

svjetska iskustva ukazuju na dozu od 50 mGy kao dozu ozračenja fetusa kod koje se još ne savjetuje arteficijelni pobačaj

veći broj u svijetu relevantnih stručnjaka tu “graničnu” dozu pomiče na 100 mGy

dužnost je radiologa savjetovati trudnicu koja je izložena većim dozama zračenja koje bi mogle uzrokovati oštećenje ploda


dijagnostičke pretrage trudnica koje mogu ozračiti fetus dozama koje su rizične za normalni razvoj fetusa su: irigografija, intravenska urografija, pregled gastroduodenuma, CT male zdjelice i abdomena te angiografija.

kad je ozračenje fetusa dozama ispod 50 mGy trudnica može biti posve mirna glede razvoja fetusa!


Nemojte zaboraviti da je:

ionizirajuće zračenje značajno manje opasno za fetus nego pušenje (čak i pasivno pušenje!).

različiti kemijski preparati (dozvoljeni i nedozvoljeni!) i lijekovi.

loša ishrana trudnica (osobito nedostatak vitamina B - defekti neuralne cijevi!).


biološki učinci djelovanja ionizirajućih zračenja

Documents