17. Biologické účinky ionizujícího záření - jsou studovány od počátku 20. století dob, kdy bylo zjištěno, že záření (i rtg) poškozuje kůži - obecně lze konstatovat, že účinky jsou nepříznivé, v některých případech je však i pozitivní - vliv záření je rozdílný podle druhu organismu Druhy působení ionizujícího záření na buňku: (buňka je chápána jako vodný roztok solí a nízkomolekulárních látek, v němž jsou dispergovány látky makromolekulární A) Přímý účinek - je dán přímým zásahem makromolekuly ionizující částicí nebo sekundárním elektronem při ozařování g nebo rtg zářením - zvláště nebezpečný je zásah nukleových kyselin v jádře, kde dochází k jejich degradaci B) Nepřímý účinek - je dán především radiolýzou vody a chápou se tak účinky produktů této radiolýzy na obsah buňky Účinek záření na molekulární úrovni - projevuje se především ve změně struktury DNA - negativně to ovlivňuje tvorbu enzymů včetně těch, které řídí tvorbu samotné DNA - chybně syntetizované enzymy nemohou správně vykonávat svou funkci, jsou pro buňku cizí a působí toxicky - vyšší dávky způsobují změny v propustnosti membrán - vliv záření se tedy projeví jako poruchy dělení buňky, poruchy ve struktuře chromozomů, příp. dojde po několika děleních ke smrti buňky - vliv ionizujícího záření je tím výraznější, čím větší schopnost má buňka rozmnožovat se a čím je méně diferencovaná - organismy jsou proto nejcitlivější vůči záření v raném stadiu svého vývoje (dělení vajíčka) - buňky, které se nerozmnožují, vydrží podstatně vyšší dávky - extrémně vysoké dávky záření (> 10^3 Gy) vedou již během ozařování ke štěpení vnitrobuněčných bílkovin (molekulární smrt) Biologické účinky ovlivňuje: - dávka záření (celková energie sdělená organismu) – buňky však mají schopnost poškození enzymaticky opravit. Tyto opravné mechanismy se však mohou uplatnit tehdy, není-li přísun energie do organismu příliš rychlý Þ rozhoduje - dávkový příkon prakticky to znamená, že při určité dávce je poškození organismu menší, je-li tato dávka rozdělena rovnoměrně na delší dobu nebo je rozdělena do několika menších dávek s časovými prodlevami (frakcionace dávky – využívá se při terapeutickém ozařování) - druh ionizujícího záření (rozdílná lineární ionizace) poškození je tím závažnější, čím je větší lineární ionizace. - dávkový ekvivalent H = Q.D J.kg^-1 = Sv (Sievert) je definován jako součin jakostního faktoru Q (souvisí s lineárním přenosem energie a zpravidla tato hodnota není známa) a dávky v uvažovaném bodě tkáně - pro praktické hodnocení vlivu druhu záření se používá ekvivalentní dávka H[T] = w[R]D[T][ ] J.kg^-1 = Sv (Sievert) D[T] je dávka záření v orgánu nebo tkáni W[R] je radiační váhový faktor - příkon dávkového ekvivalentu, resp. ekvivalentní dávky (Sv.s^-1) - dávkový úvazek (resp. úvazek ekvivalentní dávky) se definuje jako celková dávka, kterou člověk obdrží za delší časové období (zpravidla 50 let u dospělých, za 70 let u dětí) - pravděpodobnost poškození orgánů při stejné dávce je různá Þ zavádí se proto tkáňový váhový faktor w[T] Orgán w[T][] gonády 0,20 žaludek, červená kostní dřeň, tlusté střevo 0,12 štítná žláza, játra 0,05 kůže 0,01 - součet ekvivalentních dávek vážených s ohledem na radiační citlivost orgánů pro všechny ozářené orgány a tkáně se nazývá efektivní dávka 18. Účinky ionizujícího záření na lidský organismus A) Nestochastické účinky - Projeví se po ozáření zpravidla celého těla (jednorázově) takovou ekvivalentní dávkou, která vyvolá v zasaženém jedinci během krátké doby klinicky pozorovatelné účinky - Klinicky pozorovatelný účinek se objeví proto, že se nestačí uplatnit opravné mechanismy - Existuje jistá prahová dávka pro vznik poškození, které se zjistí při jednorázovém ozáření skupiny osob z 1-5% Mezi nestochastické účinky patří: Ø Akutní nemoc z ozáření při celotělovém ozáření vysokými dávkami (poruchy krvetvorby, trávicího ústrojí nebo CNS) Nemoc se projevuje při ozáření ekvivalentní dávkou cca 2 Sv, prahová hodnota je 1 Sv Projevy: · 1. fáze: nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, změny v krevním obraze · 2. fáze: období latence · 3. fáze: rozvinutí počátečních příznaků, padání vlasů, vnitřní krvácení, náchylnost k infekcím. Při ozářením dávkou >6 Sv: (4-6 dní) · převládá hematologická forma nemoci (poškození kostní dřeně a krvetvorby) · při vyšších dávkách i forma střevní (odumírání střevní výstelky) · pravděpodobnost úmrtí je 80 %, při dávkách >10 Sv je 100 % Ozáření dávkou vyšší než 50 Sv – neurologická forma nemoci (psychická dezorientovanost, zmatenost, křeče, bezvědomí, smrt během několika hodin či dní) Ø lokální akutní poškození kůže (radiační dermatitida) (prahová dávka 3 Sv, nejčastější typ při nehodách se zdroji záření) - zarudnutí kůže - hlubší poškození kožní tkáně - vznik vředů Ø poškození plodu (prahová dávka 0,05 Sv) Ø poruchy plodnosti u mužů je prahová dávka 0,1 – 1 Sv u žen min. 1,5 Sv Ø zákal oční čočky (prahová dávka 1,5-2 Sv) B) Stochastické účinky (náhodné) Ø Jsou důsledkem poškození malého počtu buněk (stačí jen jediné) Ø Mohou se projevit při jednorázovém ozáření podprahovou dávkou z hlediska nestochastických účinků nebo při chronickém ozařování určité tkáně nebo celého těla malými dávkami Ø Podprahové dávky nevyvolávají v krátké době po ozáření žádné klinicky pozorovatelné poškození, ale mohou způsobit s jistou pravděpodobností poškození za delší dobu Ø Stochastické účinky ozáření se projevují za delší dobu po léčbě nádorů ozařováním Projevy: Ø nádorová onemocnění (latentní období 10-40 let) Ø leukémie (latentní období 5-20 let) Ø genetické poškození další generace Ø Na základě stochastických účinků se definuje absolutní roční riziko jako pravděpodobnost výskytu určitého onemocnění u jedné osoby během jednoho roku při ozáření ekvivalentní dávkou 1 Sv. Ø při ozáření malými dávkami se předpokládá tzv. konzervativní přístup, který předpokládá že stochastické účinky mohou být způsobeny i mutací jediné buňky (tj. bezprahový přístup) Ø při odhadování rizika malých dávek se počet případů poškození stanovuje lineární extrapolací podle absolutního ročního rizika Př. skupina 10^6 ozářených osob: dávka (Sv) počet případů (nad přirozený výskyt po uplynutí doby latence) 1 57 0,01 0,57 C) Hormeze Projevuje se jako stimulující účinky malých dávek záření o Zvýšená fixace dusíku bakteriemi o Urychlení klíčení semen o Rychlejší vzcházení rostlin a rychlejší růst o U lidí pak jde o léčivé účinky radioaktivních koupelí v lázních (zmírnění revmatických onemocnění, zpomalení degenerativních změn obratlů, vliv na metabolismus atd.) D) Léčebné účinky ionizujícího záření Ø teleterapie (dálkové ozařování) o kobaltové zářiče (^60Co, ~ 10^13-10^15 Bq) o brzdné záření z betatronu 4-25 MeV o cesiové zářiče (pro nádory do 5 cm pod povrchem ) o lineární urychlovač (elektrony 7-20 MeV, pro nádory v malých hloubkách) Ø kontaktní terapie na povrch těla nebo těsně pod něj se přikládá plošný b-zářič Ø brachyterapie (vnitřní ozařování) zářič (ve formě drátků, perliček apod.) se zavádí tělesnými dutinami do těsného kontaktu s nádorovým ložiskem Ø endoterapie metoda je založená na vpravování nuklidu do tkáně (injekčně např. do kloubních pouzder, nebo metabolickými pochody – jod od štítné žlázy) Ø radioimunoterapie radionuklid se naváže na monoklonální protilátku nebo receptorový ligand, který se selektivně v těle váže na specifický antigen nebo receptor v nádorových buňkách. Vysoká specificita cílové tkáně pro značenou protilátku je nadějná pro léčení disseminovaných metastáz Ø ozařování se zpravidla provádí frakcionovaně po 2 Gy, max. celková dávka bývá 50-60 Gy Ø bórová terapie pacientovi se podá sloučenina obsahující bor (např. Na[2]B[12]H[11]SH), která se metabolickými procesy selektivně koncentruje v nádorové tkáni. Nádor se pak ozáří pomalými neutrony ^10B(n,a)^7Li. Částice a i ionty ^7Li pak ničí okolní nádorovou tkáň díky vysoké lineární ionizaci. E) Účinky ionizujícího záření na hmyz Ø hmyz je vůči působení ionizujícího záření více než 100x odolnější než obratlovci Ø ozáření hmyzu Potemník (při ochraně skladovaného obilí) 100 Gy sterilizace 5.10^3 Gy^ usmrcení Dřevokazný hmyz (červotoči, tesaříci) 500 Gy usmrcení Ø hubení hmyzu v přírodě spočívá ve vypěstování a vypouštění sterilních samečků v množství, které převyšuje jejich přirozený výskyt F) Účinky ionizujícího záření na mikroorganismy Ø radiační sterilizace zdravotnický materiál desinfekce kalů z odpadních vod radiační ošetření potravin (prodloužení doby jejich trvanlivosti – potraviny se ozařují zmražené) G) Účinky ionizujícího záření na rostliny Ø Ozařování semen vede k užitečným mutacím (radiační šlechtění) Ø ozáření vede k omezení klíčivosti (např. u brambor) 19. Ostatní účinky a použití ionizujícího záření Ø Odstraňování statické elektřiny při pásové výrobě plošných materiálů (papír, plastové fólie, textil apod.). Vzduch se v části výrobního prostoru ionizuje zářením a (^241Am, ^210Po) Ø Ionizační hlásiče kouře Kouř ovlivňuje chemické složení vzduchu, který je ionizován malým zdrojem a-záření – pozorují se změny ionizačního proudu v detektoru Ø Radionuklidové baterie Tepelná energie uvolněná při absorpci záření se přeměňuje na energii elektrickou (např. pomocí termočlánků) Ø Radionuklidové světelné zdroje Jsou založeny na emisi viditelného světla při absorpci ionizujícího záření (viz scintilační detektory). Obsahují luminofor a příměs radioaktivního nuklidu (dříve např. svítící ciferníky hodinek obsahovaly ^226Ra, dnes se užívají b-zářiče – ^3H, ^147Pm) o signalizační lampy, o stupnice hodinek a měřicích přístrojů o zhotovování orientačních světelných ukazatelů