Úvod do radiační patofyziologie Ionizující záření •Záření emitované radioaktivními nuklidy představuje proud hmotných částic resp. fotonů •Elektromagnetické nebo korpuskulární záření, které při průniku hmotou vyvolává ionizaci (musí mít dostatečně vysokou energii). •Energie je v rozmezí keV-MeV •Současně dochází k excitaci atomů a molekul prostředí • Druhy ionizujícího záření •Korpuskulární α, β, neutrony •Elektromagnetické γ • RadiationPenetration2-pn ral2-3 Ionizace vs. excitace M M+ + e- M Mexcit • Oba typy interakcí jsou velice rychlé • • Vznikají v poměru 1:2 • • Záření není omezeno jen na radioaktivní nuklidy, ale stejně se chová i rtg záření, částice z urychlovačů i kosmické záření Ionizující záření •Pro IZ se velice často používají i jiné názvy •Jaderné záření •Radioaktivní záření Jednotky •Energie sdělená látce je podstatou všech metod měření IZ. •Veličinou vyjadřující velikost sdělené energie je dávka záření: • • D = dE/dm • (J.kg-1) – Gray (Gy) • •V praxi se měřené dávky pohybují v širokém rozmezí •Dávkový ekvivalent = dávka * konstanta •Konstanta –γ, β, X = 1 –neutrony = 10 –α = 20 • Jednotky Výsledek obrázku pro radiation fukushima vs chernobyl heatmap Zdroje ionizujícího zařízení? •Přirozené –kosmické •expozice roste s nadmořskou výškou –solární •zejm. g-záření –pozemské zdroje •radioaktivní rozpad přirozených radioizotopů (půda a skála) –Radon •plyn, vzniká rozpadem Radia-226 (z uranu) •má největší podíl na celk. dávce ionizujícího záření •Arteficiální –medicína •diagnostika, terapie, sterilizace –průmyslové •nukleární energetika •zemědělství •……… Výsledek obrázku pro fukushima radiation map Chemické účinky ionizujícího záření •Nejlépe jsou prostudovány radiačně-chemické rce v kapalinách (méně pak v plynech a pevných látkách) •Pokud voda obsahuje rozpuštěný kyslík, probíhá následující rce: • O2 + H HO2 • O2 + e- O2-. Kyslíkový efekt !! Radiolysis_of_water Biologické účinky ionizujícího záření •Přímé účinky = přímá destrukce biomolekul •Nepřímé účinky = tvorba volných radikálů radiolýzou vody • •Schopnost reparace •Zásahové teorie matematický vztah mezi dávkou a účinkem Poškození DNA •Velice závažný stav •Poškození DNA se odrazí v syntéze poškozených proteinů •Reparační mechanismy DNA •Rozmnožovací schopnosti buněk Image:Brokechromo.jpg Výsledek obrázku pro heterochromatin dividing vs non dividing Výsledek obrázku pro heterochromatin dividing vs non dividing Výsledek obrázku pro heterochromatin dividing vs non dividing Mechanismy poškození DNA • 5174 https://www.bio-connect.nl/uploads/websiteimages/1%20Lev%20BC/GeneTex/DNA-repairs.gif Reparační mechanismy DNA •Přímá reparace •Excisní reparace •Mismatch reparace •SSB reparace •(DSB reparace) Image:Dnarepair1.jpg Systém oprav chybného párování bází u savců •Poškozený řetězec DNA obsahuje nesprávně párovanou bázi (T). • Toto nesprávné párování je rozpoznáno proteinovým heterodimerem MSH6-MSH2 (MutS a). •Proteiny MLH1/PMS2 (MutL a) a PCNA (proliferační jaderný antigen) utvoří na DNA strukturu smyčky (angl. loop structure). •Enzymy DNA exonukleáza a DNA helikáza degradují tu část řetězce DNA, která obsahuje chybné párování. •Vzniklá mezera je poté doplněna díky replikačnímu aparátu správnou sekvencí bází. Závislost IZ na řadě faktorů Image:DNA Repair.jpg • Dávka záření • • Dávkový příkon • Druh IZ Účinky ionizujícího záření na lidský organismus •Stochastické účinky (prahová hodnota) •Deterministické účinky Deterministické účinky •Jsou takové, které se projeví po ozáření celého těla, nebo určité tkáně jednorázově •Závislost pravděpodobnosti výskytu určitého poškození na ekvivalentní dávce má esovitý charakter K deterministickým účinkům řadíme: •Akutní nemoc z ozáření (radiační syndrom) •Lokální akutní poškození kůže •Poškkození plodu •Poruchy plodnosti •Zákal oční čočky Stochastické účinky •Jsou důsledkem poškození malého počtu buněk •Mohou se projevit po jednorázovém ozáření podprahovou dávkou, nebo při chronickém ozařování tkáně nebo celého těla Charakter biologického účinku •Deterministický –závažnost závisí (“je determinována”) na dávce –manifestace specifická •poškození typických tkání a orgánů –efekt se objevuje jen při překročení prahové dávky –poškození je důsledkem zániku velkého množství buněk –nástup příznaků brzy po expozici (krátká latence) –typy: •akutní radiační syndrom (ak. nemoc z ozáření) –celotělové ozáření dávkou >1Gy •chronický post-radiační syndrom (celkově nebo lokálně) –sterilita, katarakta, radiační dermatitida, alopecie, endarteritis obliterans, pneumonitis, … •poškození plodu in utero •Stochastický –pravděpodobnost roste s dávkou (ne závažnost!) –manifestace nespecifická •poškození různých tkání a orgánů –plynulý nárůst rizika bez “bezpečné” prahové dávky –k efektu stačí poškození jediné buňky –manifestace opožděná (dlouhá latence, typicky roky) –typy: •somatické mutace - nádory –leukemie, št. žláza, plíce, ml. žláza, skelet •germinativní mutace (oocyt, spermie) – vrozený genetický defekt • Stochastické vs. Deterministické účinky – grafické znázornění Akutní radiační syndrom •postihuje hematopoetický, gastrointestinální a cerebrovaskulární systém –časový průběh, rozsah a závažnost odstupňovaná podle dávky à deterministický efekt!!! •od několika hodin do několika měsíců po expozici acute radiation syndrome Výsledek obrázku pro chernobyl acute radiation syndrome Akutní radiační syndrom •Haematopoetický syndrom (>1Gy) –1) retikulocytopenie, lymfopenie + granulocytóza –2) granulocytopenie (® immunodeficience) –3) trombocytopenie (® krvácivost) –4) anemie (® hypoxie) •GIT syndrom (>10Gy) –časný (hodiny) – nevolnost, zvracení, diarrhea –pozdní (dny) – ztráta intestinální integrity •malabsorpce, dehydratace, toxemie/sepse, ileus, krvácení •Cerebrovaskulární syndrom (desítky Gy) –bolest hlavy, porucha kognitivních funkcí, dezorientace, ataxie, křeče, vyčerpání a hypotenze •Kožní –erytém, popáleniny, edém, porucha hojení ran –epilace Dávky a limity https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/20/Radiation_Dose_Chart_by_Xkcd.png/800px-Ra diation_Dose_Chart_by_Xkcd.png Hematopoetický syndrom •ozáření kostní dřeně (>1Gy) vede k exponenciálnímu zániku buněk - hematologická krize –hypoplazie až aplazie dřeně + periferní pancytopenie (infekce, krvácení) •subpopulace kmenových bb je selektivně více radiorezistentní, (pravděpodobně díky převaze bb. v Go fázi) –nezbytné pro regeneraci •anemie je pozdním důsledkem (erytrocyty ~120 dní)! •masivní stresová reakce (glukokortikoidy) přispívají k lymfopenii (cytolytický efekt) a paradoxně oddalují nástup granulocytopenie (uvolnění zásob. granulocytů ze sleziny) blood count Blood Count Embryo, fetus, germinativní bb. •Těhotenství – poškození plodu in utero –<3 týdny (blastogeneze) •“vše nebo nic” –genové a chromozomové mutace zpravidla vedou k abortu –3. – 8. týden (organogeneze) •růstová retardace •teratogenní - kongenitální deformity –mikrocefalie, mikroftalmie, spina bifida, rozštěpy, … –8. – 15. týden (časné fetální období) •mentální retardace •zvýš. náchylnost k nádorovým onem. u dětí (leukemie) –později •značná rezistence •Sterilita •spermatogeneze – dočasná sterilita u mužů •ovaria – nutná velká dávka k vyvolání sterility u žen •Germinativní mutace –vrozené abnormality Léčebné účinky ionizujícího záření •Teleterapie (60Co) •Kontaktní terapie (32P, 90Sr) •Brachyterapie (60Co, 137Cs) •Endoterapie (Na131I) •Radioimunoterapie • Ionizující záření a medicína •Diagnostika RIA • • • • Terapie peac9 peac8 peac10