Radiační biofyzika ~ radiobiologie •Přednáška 1 •2021 • 20151103_084611.jpg BIOFYZIKÁLNÍ ÚSTAV AVČR Dpt. buněčné biologie a radiobiologie Martin Falk (falk@ibp.cz) Kontakt: Radiační biofyzika ~ radiobiologie •studium interakcí ionizujícího záření (IZ) s biologickými systémy •a biologických efektů ionizujícího záření • Falk et al., Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression, 24(3):205-223 (2014) Radiačně vyvolané procesy zahrnují fyzikální, chemické, biologické a medicínské fenomény pokrývající extrémní škálu časových a prostorových dimenzí Multidisciplinární charakter a komplexita zkoumaných dějů: Problém a krása „radiobiologie“ zároveň Fyzika Fyzikální chemie Chemie Medicína Biologie (10-18 s) (minuty až desítky let) RADIOBIOLOGIE: nejen komplexita, ale i variabilita biologických systémů Falk et al., Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression, 24(3):205-223 (2014) Některé zásadní otázky RB tak stále zůstávají nezodpovězené v současné době máme ale mnohem dokonalejší technologie k jejich zodpovězení Etapy a cíle radiační biofyziky/RB I. etapa II. etapa III. etapa http://www.spaceflight.nasa.gov/gallery/images/mars/marsactivities/lores/s99_04198.jpg https://truthernews.files.wordpress.com/2014/11/isis-nuclear-iraq-620x435.png https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQUZtgIsDTX0JVzuYet1Ai3eaMx6hC1Di32gqHrU87dJvB BdBiwfw Nové výzvy + nové metody = RENESANCE http://www.spaceflight.nasa.gov/gallery/images/mars/marsactivities/lores/s99_04198.jpg https://truthernews.files.wordpress.com/2014/11/isis-nuclear-iraq-620x435.png https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQUZtgIsDTX0JVzuYet1Ai3eaMx6hC1Di32gqHrU87dJvB BdBiwfw http://nuclear-knowledge.com/wsimages/10_terrorism_01.jpg IZ: neskutečně užitečné i velmi nebezpečné, přičemž ho nemůžeme vnímat našimi smysly – málokterý fenomén proto ve společnosti vyvolává tak rozporuplné emoce, jako právě IZ Ionizující záření jako experimentální nástroj •Cílené poškozování DNA za účelem studia uspořádání buněčného jádra a mechanizmů základních buněčných procesů •Studium karcinogeneze •Výzkum vesmíru •Mutageneze rostlin (šlechtitelství), … Od buněčného nanokosmu po vesmírné dálavy Jen málo fenoménů vyvolává tak silné a protichůdné emoce jako IZ Čím se budeme zabývat: •Základní charakteristika IZ a jeho interakcí •Vliv IZ na biologické systémy, vztah mezi fyzikálními parametry IZ a biologickými účinky •Radiační ochrana ànutno zabrousit do mnoha vědeckých oborů, à nejedná se však o přednášku z: •částicové / jaderné fyziky •kvantové fyziky, atd. Orientační sylabus – část 1 •Vlastnosti a zdroje ionizujícího záření, jeho interakce s hmotou, ochrana před IZ •Úvod – Radiobiologie a její náplň v kontextu dějin •Vlastnosti elektromagnetického záření, základní vlastnosti ionizujícího záření (IZ), objev Rentgenova záření, rentgenka, základní aplikace v medicíně a některé další aplikace •Objev přirozené radioaktivity, záření gama, stavba atomu, elementární částice, typy ionizujícího záření, rozpadové řady •Interakce různých typů ionizujícího záření s hmotou •Základní veličiny (ve radiační biofyzice, dosimetrii a radiační ochraně) •Základy radiační ochrany, vnější ozáření, vnitřní kontaminace, biogenní radionuklidy •Přírodní a umělé zdroje IZ, radon, terestriální a kosmické záření, IZ v diagnostice a radioterapii, průměrné absorbované dávky IR v běžném životě a při specifických činnostech •Účinky IZ na úrovni tkání a organizmů: •Deterministické a stochastické účinky IZ, akutní nemoc z ozáření (ARS) •účinky nízkých dávek IZ, hypersenzitivita, hormeze, tkáně citlivé a rezistentní k deterministickým a stochastickým účinkům, časné a pozdní účinky, somatické a gametické účinky, radiosenzitivita různých organizmů •Jaderné havárie: Černobyl, Fukushima, Three Mile Island, Majak, Jaslovské Bohunice, …, klasifikace jaderných havárií, plynoucí poznatky a ponaučení pro radiobiologii a radiační ochranu • • • • Orientační sylabus – část 2 •Účinky záření na buněčné úrovni: •Přímý a nepřímý účinek ionizujícího záření, lineární přenos energie (LET), IZ s nízkým a vysokým LET, základy radiační chemie •Buňka, stavba buňky, radiační poškození proteinů, lipidů, RNA a DNA; funkce a radiační poškození membrán a buněčných organel •DNA jakožto kritický cíl pro ionizující záření, struktura buněčného jádra, chromatinu a DNA •Chromozómy, karyotyp člověka, chromozomální a chromatidové aberace (translokace, delece, inverze), vliv LET na charakter poškození chromozómů •Biodosimetrie pro krizové události •Radiační poškození DNA na molekulární úrovni – typy radiačních lézí DNA, mutageneze, IZ s nízkým a vysokým LET – mikrodosimetrie, vztah mezi LET a relativní biologickou účinností IZ (RBE) •Cytoplasmatické účinky IZ – bystander effect •Karcinogeneze, klonální expanze, chromothripsis, protoonkogeny a nádorové supresory, onkogeny, solidní nádory a leukémie •Buněčný cyklus ve vztahu k radiorezistenci, reparaci DNA a karcinogenezi; transkripce a replikace DNA, typy buněčné smrti – apoptóza, nekróza, mitotická smrt, autofagie •Reparační mechanizmy DNA – základní reparační dráhy BER, NER, zejména pak NHEJ, HR a alternativní reparační dráhy dvouřetězcových zlomů DNA, bodové mutace a epimutací Orientační sylabus – část 3 •Aplikace IZ – radiodiagnostika a radioterapie •Princip radioterapie – odpověď normálních a nádorových buněk na ozáření, zevní terapie, frakcionované ozařování, moderní přístupy v radioterapii, brachyterapie, boron-capture therapy •Hadronová terapie – protony a urychlené těžké ionty s vysokým LET (též v souvislosti s kosmickými lety), fyzikální výhody •Radiorezistence nádorů – hypoxie, kyslíkový efekt (OER), genetické faktory (např. mutace p53), selekce radiorezistentních klonů •Možnosti radioprotekce normálních buněk a radisenzitizace nádorových buněk – chemické (amifostin), biologické (inhibitory reparace DNA, imunomodulátory, apod.), a fyzikální •Nemedicínské aplikace IZ •Elektronová mikroskopie a další výzkumné metody •Atomové elektrárny •Atomové zbraně •Metody v radiobiologickém výzkumu •Aktuální témata v radiobiologii (+ představení výzkumu DBBR AVČR Brno, M Falk) KOLOKVIUM (don‘t worry, be happy J) Literatura •Koupit si knihu ----------------------------------------------------------> •nebo •stát se členem „Společnosti radiobiologie a krizového plánování ČLS JEP; Societas Radiobiologiae et Crisium Dispensationi Colendis“; www.srkp.cz (což ale nevyvazuje z povinnosti koupit si knihu) •nebo •Alespoň 10 lajků na https://www.facebook.com/srkp.cz •nebo •Přihlásit se k Bc./Mgr. práci na DCBR IBP Brno •nebo •Společně vysvětlit, proč jsou odpovědi v závěrečném testu označené jako správné skutečně správné ;-) • •PLUS: zpracovat rešerši na jedno z výše uvedených témat dle výběru a jeho diskuse v rámci úvodu jedné z přednášek Jak získat KOLOKVIUM (don‘t worry, be happy J) •Jak je zřejmé z vlastního pojmenování, ionizující záření definujeme jako záření, jehož kvanta mají dostatečnou energii k ionizaci atomů •tj. odtržení elektronu z jejich elektronového obalu. •Minimální energie potřebná k ionizaci ve vodném prostředí (cytoplazma) je E>33 eV. •To odpovídá záření s kratší vlnovou délkou, než přísluší ultrafialovému záření, přibližně l<40 nm. Vlnová délka [l] Druh záření IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ - Definice Duální povaha ZÁŘENÍ (podrobněji později) Kromě postulování tří Newtonových zákonů, které ho proslavily, zabýval se Newton také studiem světla. Používal k tomu různé hranoly a již ve svých 23 letech zjistil, že světlo se dá rozložit na barevné spektrum (viz obr.). Dále zjistil, že světelné spektrum se dá zase spojit použitím druhého hranolu. Vymezením se dá získat světlo určité barvy. Newton si představoval světlo jako proud částic různé velikosti. Jestliže narážejí v hranolu na částice stejné hmotnosti, pak nejméně se budou odrážet částice s největší hmotnosti. http://labguide.cz/wp-content/uploads/2015/01/ELEKTROMAGNETICK%C3%89-SPEKTRUM.jpg 1. Světlo jako částice 2. Světlo jako vlnění •Vlnové vlastnosti světla studoval Thomas Young na začátku 19. století •Klasický experiment, v němž světlo prochází dvěma štěrbinami (obr. 5). •Průchod světla dvěma štěrbinami by měl dát na stínítku součet osvětlení od jednotlivých štěrbin (vpravo) •místo toho však pozoroval interferenční obrazec (obr. dole). •Tento obrazec lze vysvětlit za předpokladu, že se světlo šíří ve formě vlnoploch (jako vlny na hladině rybníka), tj. v každém bodě kde světlo vnikne dochází ke vzniku nové vlnoplochy elekrtomagnetické vlnění c = konst Frekvence vs. Vlnová délka Druhy elektromagnetického záření •Podle vlnové délky či frekvence můžeme rozdělit elektromagnetické vlny na několik skupin •Radiové vlny: délkou odpovídají rozměrům fotbalového hřiště •Mikrovlny: (v mikrovlnné troubě) mají velikost asi baseballového míčku, •Viditelné spektrum: vlny rozměrově odpovídají bakteriím •Ionizující záření (RTG a gama záření): EL > EM PŘÍKLAD Naming convention for Characteristic X-ray lines is the Siegbahn notation. •The first component of the name is the element involved, e.g. Si. •The second component is the electron shell that was ionized to produce the X-ray, e.g. K, L or M. •The third component reflects the relative intensity of the line within each shell, e.g. α is the most intense line, followed by β and γ. •The lines within each shell make up a family, or series, of lines for that shell, e.g., the K family comprises the Kα and Kβ X-ray lines. •In the Si spectrum, the lowest energy X-ray line is the Si Lα line; the line at 1.74 keV is the Si Kα line and the line at ~1.83 keV is the Si Kβ line. EK > EL > EM PŘÍKLAD Possible X-ray photon interaction processes with the matter: (a)photoelectric absorption (fotoefekt); (b)Compton scattering; (c)pair production. INTERAKCE RTG záření s hmotou X ray photon X ray photon X ray photon INTERAKCE RTG záření s hmotou •RTG záření integruje s atomy tkáně dvěma procesy: fotoefekt a Comptonův rozptyl (tvorba elektron-pozitronových párů zde nenastává vzhledem k nízké energii fotonů). •Oba tyto procesy se podílejí na rozdílné absorpci záření v jednotlivých tkáních v závislosti na tloušťce, hustotě látky a protonovém čísle atomů. •Právě na této rozdílné absorpci RTG záření v různých tkáních jakož i jejich fyziologických či patologických stavech je založena RTG diagnostika. Vlastnosti RTG záření (paprsky X) •RTG záření je pronikavé elektromagnetické záření o velmi krátkých vlnových délkách 10-11 m to 10-8 m (0.01 – 10 nm) a vysokých frekvencích. •prochází hmotou i vakuem, jeho intenzita slábne se čtvercem vzdálenosti od zdroje •šíří se přímočaře •má ionizační účinky (což znamená, že množství energie, které nese, stačí na uvolnění elektronu z atomu). •Efekty RTG záření: •Luminiscenční efekt. Rentgenové záření má schopnost přeměnit se na viditelné záření, ale pouze při interakci s určitými látkami. •Fotochemický efekt. Působením RTG záření na fotografický materiál dochází ke změnám v jeho chemickém složení. •Ionizační efekt. Energie, kterou rentgenové záření nese, je postačující k ionizaci atomů nebo molekul ozářené látky. To znamená, že při působení na elektricky neutrální atomy se z nich stávají elektricky nabité ionty. A technician takes an X-ray fluoroscope of a female patient. Fluoroscope exams delivered much more radiation exposures than modern X-rays. (National Cancer Institute, public domain) Just Months After Its Discovery, the X-Ray Was in Use in War Měkké a tvrdé RTG záření •Roentgenovy trubice mohou být vyčerpány buď více nebo poněkud méně •v prvním případě (vysoké vakuum) vzniká tvrdé RTG záření (<0.1 nm) •v druhém případě (nižší vakuum) měkké RTG záření (>0.1 nm) •Měkké RTG trubice: vydávají paprsky, které jsou hustými tělesy snadno pohlcovány, tak že dávají např. obrázky ruky velmi pěkné, s ostře vyznačenými rozdíly mezi kostmi a masem •tvrdé RTG trubice: vysílají paprsky, které jsou poměrně málo pohlcovány a proto nejsou obrazy lidského těla příliš zřetelné • Tvrdé záření RTG vs. záření gama •Vlnové délky nejenergičtější části RTG záření se částečně překrývají s vlnovými délkami záření gama. RTG a gama záření není rozlišováno podle energie (častá chyba vyučovaná na středních školách) •Rozlišujeme je však podle původu: •RTG: vzniká v elektronovém obalu atomu (excitace/ionizace à deexcitace s emisí RTG fotonu), •záření gama: vzniká následkem deexcitace atomového jádra X g