Egészségügy | Biofizika » Sugárbiológia I

SUGÁRBIOLÓGIA I. DÓZIS = ENERGIA / TÖMEG G érték - radiokémia Biológiai hatás - direkt és indirekt hatás Direkt hatás - Találat Elmélet Indirekt hatás - Fricke féle doziméter Hígítási effektus Energia vándorlás Emlősök túlélési görbéi A sugárhatás molekuláris elmélete A 8.5 J/kg dózis az emberre halálos dózis Így egy 75 kg-os ember összesen 640 J energiát kapott. Ez az energia 1oC-al emelné egy pohár víz hőmérsékletét. A sugárzás koncentrált energia, képes a biomolekulák szerkezetét megváltoztatni! Direkt hatás a sugárzás közvetlenül károsít Indirekt hatás - oldatokban "aktivált víz molekulák" károsítják a biomolekulákat. Radiokémiában bevezették a "G értéket", ami 100 eV energia által elidézett károsodások száma: Károsodott molekulák száma G= 1.6 x 10-17 J elnyelt energia Egyszerű molekuláknál a G független a dózistól. Biomolekuláknál G függ a dózis

nagyságától. Levegőben egy ionizációra eső károsodott molekulák száma egyenlő G/3-al. (Levegőben 5.4x10-18 J szükséges egy ionizációhoz) 1. Besugárzási dózis (Db) (röntgen és γ sugárzás esetén) Db = ∆Q / ∆m [egysége: Coulumb/kg] ∆Q az azonos előjelű ionok össztöltése ∆m a térfogatelem tömege 2. Elnyelt dózis (De) (bármelyik ionizáló sugárzásra) De = ∆E / ∆m [egysége: Joule/kg, 1 Gray, Gy] ∆E az átadott energia mennyisége ∆m a térfogatelem tömege (1 C/kg = 33.7 Gy levegőben) 3. Közölt dózis (Dk) (bármelyik ionizáló sugárzásra) Dk = ∆E / ∆m [egysége: Joule/kg, 1 Gray, Gy] ∆E kezdeti kinetikai energia mennyisége ∆m a térfogatelem tömege 4. Ekvivalens dózis (Dek) Dek = De Qf [egysége: Sievert, Sv] Qf a sugárzás fajtájával összefüggő minőségi tényező 5. Relatív biológia hatékonyság (RBE) RBE = DR / DX A 250 keV energiájú röntgensugárzás dózisa (DR) osztva a

vizsgált sugárzás ugyanolyan biológiai hatást kiváltó dózisával (DX) Az RBE és a Qf szorosan összefügg, de nem teljesen azonos egymással! Direkt hatás Találat Elmélet Poisson eloszlás Túlélési görbe molekulákra és sejtekre Egy céltábla egy találat D37 és a molekula tömeg Több céltábla egy találat Több céltábla több találat Találat elmélet: Feltételek: 1. "N" azonos objektumot (molekula, sejt) sugárzunk be D dózissal (N --> ∞) 2. Az objektumokban van egy V térfogatú céltábla 3. Az ionizálási események ritkák, így kicsi az esélye annak, hogy egy céltáblát több találat éri (p --> 0) 4. i az ionizációs sűrűség 5. A V térfogatban regisztrált ionizációk a találatok 6. Vi szorzat megadja az átlagos ionizációt a V térfogatban azaz vi = λ. 7. Azok az objektumok "élnek" tovább, amelyeket n-nél kevesebb találat ért! A TÚLÉLÉS VALÓSZÍNŰSÉGE --> POISSON ELOSZLÁS (V i )

-Vi λ -λ e = e Pk = k k k! k! Egy céltábla egy találat esetén azok az objektumok, amelyek nem ért találat, lesz a túlélő hányad, k = 0! Ps = N N0 = e -Vi = e - kD Túlélési görbe (exponenciális!!) A találat elméletet Lea és munkatársai fejlesztették tovább (1955). Fehérje molekulák molekulasúlyát határozták meg sugárzás segítségével! (A besugárzás száraz állapotban történt.) D37 dózis esetén az objektumok 37%-a (1/e-ed része) túlél! kD = 1, k = 1/D37 Kíséleti adatokból - az átlagos kölcsönhatás energia 75 eV. (G értéke fehérjék esetén 1.33!) ⎛ 75 eV per esemény ⎞ céltábla méret (g) = k x ⎜ ⎟ 13 6.2 x 10 ⎝ ⎠ 7.28 x 1011 céltábla mol. súly = D37 Na-K-ATPáz molekulasúlyát is meg tudták így határozni! Több Céltábla Egy Találat m céltábla mindegyikét legalább egyszer el kell találni P m = (1 - e ) - kD m N N0 = 1 - P m = 1 - (1 - e ) - kD m a nagyobb dózisoknál az

egyenlet egyszerűsíthető: N N0 =me - kD ln N N0 = ln m - kD Több Céltábla Egy Találat Több Céltábla Több Találat m céltábla mindegyikét legalább n-szer el kell találni N N0 [ = 1 - (1 - e )] n - kD m a nagyobb dózisoknál az egyenlet egyszerűsíthető: N N0 n = m e - nkD ln N N0 = ln mn - n k D Indirekt sugárhatás A víz radiolízise H2O H20+ + eH20+ H+ + OH⋅ e- + H2O H20- OH- + H⋅ H20 H20* H⋅ + OH⋅ A 100 keV-nál kevesebb energiával rendelkező elektronokat a víz molekulái szolvatálhatják (e- víz ) A radikálok párosítatlan elektronnal rendelkező reaktív molekulák, atomok pl. H⋅ , OH⋅ Rekombináció (pl. H⋅ + OH⋅ H2O) A radikálok biológiai hatása (pl.) R-H + H⋅ R⋅ + H2 R-H + OH⋅ R⋅ + H2O FRICKE féle doziméter Fe2+ + OH⋅ Fe3+ + OH- Indirekt sugárhatás kinetikája A radikálok többször reagálhatnak a céltáblával A radikálok csak egyszer reagálhatnak a céltáblával

Vizes oldatban a sugárkárosodás 99%-át radikálok okozzák Hígítási effektus Az egy enzimmolekulára eső radikálok száma nő a hígítással A hígítási effektus egy bizonyos hígításon túl nem érvényesül Rekombináció! Emlősök túlélési (halálozási) görbéi A görbének logaritmizálva sem lesz egyenes szakasza SUGÁRBIOLÓGIA II. Az emlős sejtek túlélési görbéit nem lehet értelmezni a céltábla elmélet segítségével A sugárhatás molekuláris elmélete Lineáris - négyzetes modell Sugárérzékenység A sugárterhelés forrásai Az akut sugárbetegség fázisai N/N0 Dózis, gray Emlős sejtek túlélési görbéi (A) HeLa, (B) CHO, (C) T1 sejtek Túlélési görbe (exponenciális!!) Több Céltábla Egy Találat MAKROMOLEKULÁRIS CÉLTÁBLÁK A SEJTEKBEN DNS a Céltábla molekula! 1. Egyszerű organizmusoknál (fágok, vírusok) -- kvantitatív összefüggés van a DNS károsodás és a biológia funkció

elvesztése között 2. Magasabb rendű organizmusoknál (eukarióta sejtek) – a biológiai funkció elvesztése korrelál az egy-szálú ill. a dupla-szálú DNS törésekkel. 3. DNS "repair" kapcsolatban van a sejt túlélésével 4. DNS repair-el nem rendelkező mutáns sejtek érzékenyebbek a sugárzásra 5. A DNS repair-t gátló anyagok növelik a sugárérzékenységet DNS sérülések 1. A bázisok funkcionális csoportjai megváltoznak 2. Purin vagy pirimidin vesztés áll elő 3. Radikál transzfer lánctörést okoz 4. A dezoxiribóz-foszfát gerinc károsodása egy-szálú DNS törést okoz (SSB). 5. A dezoxiribóz-foszfát gerinc károsodása két vagy több helyen egymáshoz közel dupla-szálú DNS törést vált ki (DSB). MOLEKULÁRIS (lineáris - négyzetes) MODELL DNS kettős láncú törése • egy sugárzási eseménnyel • két független egy láncú törés eredményeként Túlélési hányad: S=e − (αD + βD ) 2 ahol ln S = -(αD

+ βD2 ) ln S D = - (α + βD) S: túlélési hányad (N/N0) D: dózis α és β: molekuláris paraméterek ahol α: tengelymetszet β: meredekség Sugárérzékenység, sugárrezisztencia A. Biológiai variabilitás 1. Sejt ciklus 2. Sejt differenciáció B. A sugárzás kvalitása 1. Ionizációs sűrűség (LET) 2. Áthatoló képesség C. Idő Faktor 1. Frakcionált dózis 2. Repair (javítás) szerepe D. Anyagcsere és hőmérséklet E. Az oxigén hatása Faj D50 Kutya Majom Egér Ember E. Coli Denevér Élesztő Amőba B. mesentericus Paramecium 3-4.3 Gy 5 Gy 4-6.5 Gy 5-8 Gy 5.6 Gy 150 Gy 300 Gy 1000 Gy 1500 Gy 3000 Gy Szövetek sugárérzékenységi sorrendje 1. Nyirokszövet 2. Fehérvérsejtek, csontvelői éretlen vörösvérsejtek 3. Gyomor-, béltraktus-nyálkahártya 4. Ivarsejtek 5. Bőr osztódó sejtrétege 6. Erek 7. Mirigyszövetek, máj 8. Kötőszövet 9. Izomszövet 10. Idegszövet S (DNS szintézis) G1 G2 (RNS szintézis) G0 (nem

osztódó) M (mitózis) A sejtciklus fázisa DNS replikáció alapján A sejtciklus szintézis fázisának végén van egy ellenőrzési pont, amelyen a sejt csak a hibás DNS kijavítása után jut túl. B. A sugárzás kvalitása 1. Ionizációs sűrűség (LET) 2. Áthatoló képesség Wilson-féle Ködkamra 5. Relatív biológia hatékonyság (RBE) RBE = DR / DX A 250 keV energiájú röntgensugárzás dózisa (DR) osztva a vizsgált sugárzás ugyanolyan biológiai hatást kiváltó dózisával (DX) Az RBE és a Qf szorosan összefügg, de nem teljesen azonos egymással! típus LET QF gamma és röntgensugárzás 0.3-10 1.0 béta sugárzás 0.5-15 1-2 neutron sugárzás 20-50 2-5 alpha sugárzás 80-250 3-20 C. Idő Faktor 1. Frakcionált dózis 2. Repair (javítás) szerepe E. Az oxigén hatása A SUGÁRTERHELÉS FORRÁSAI TERMÉSZETES ÉS MESTERSÉGES FORRÁSOK Terresztikus sugárzás 8% Diagnosztikus orvosi rtg 11%

kozmikus sugárzás 8% Terápia 4% Radon 55% Kereskedelmi termékekből eredő sugárzás 4% Egyéb <1% foglalkozási:0.03% radioaktív csapadék: 0.3% nukleáris melléktermékek körforgása: 0.1% egyéb 1% 1 2 3 4 5 6 7 Egy 75 kg-os átlagemberben található természetes eredetű radioaktív atomok száma, aktivitása és az ebből származó sugárterhelés Radionuklid 3H (β) 14C (β) 40K (β) 87Rb (β) Radioaktív atomok száma a testben db Aktivitás a testben Bq Effektív dózisegyenérték µS/év 4.5x109 7.5x1014 3.5x1020 42.8x1021 10 3000 5500 100 0.01 5.00 180.00 5.00 RADON 85 % proton, 14% α sugárzás, 1 % (Z=4 and Z=26) kozmikus sugárzás: 3H, 7Be, 14C, 22Na, 32P, 35S, 36,38,39Cl terresztikus sugárzás: 40K-238U Orvosi célú sugárzások: az országok technológiai fejlettsége 222Radon • Színtelen, szagtalan, íztelen radioaktív nemes gáz legmagasabb forrás és olvadás pont • oldékonyság • kovelens kötések

létesítése (oxigén or fluor) 238U and 226Ra Egészségkárosító hatás: bomlástermékek 10 000 5 000 A Sugársérülés kiváltására képes dózistartományok mGy rendkívül súlyos sugárbetegség, speciális orvosi ellátás nélkül 2 héten belül halál halálos dózis emberre, orvosi ellátás nélkül 2 hónapon belül halál 2 000 félhalálos dózis emberre, orvosi ellátás nélkül 2 hónapon belül meghal az emberek fele 1000 klinikai tünetekkel járó enyhe sugárbetegség alsó határa 500 200 100 a kimutatható, de még tünetmentes) sugársérülés alsó határa Az éves dózis korlátok mSv/év 50 foglalkozási dóziskorlát (1993) természetes erdetű sugárterhelés a jelentős háttér sugárzással rendelkező területeken 20 foglalkozási dóziskorlát (ajánlott) 10 5 a lakossági dóziskorlát (1993) 2 a természetes sug. terh átlagértéke Magyarországon 1 a lakossági dóziskorlát ajánlott értéke AZ AKUT

SUGÁRBETEGSÉG SZAKASZAI 1. Kezdeti szakasz 2. Latencia 3. Kritikus szakasz 4. Regeneráció szakasza 1. Kezdeti szakasz tünetei: hányás, étvágytalanság, émelygés, fejfájás, levertség, mozgáskordinációs zavar A sugárbetegség súlyosságának előrejelzése a limfocitaszám kezdeti csökkenése Abszolút limfocitaszám x109/liter 3.0 2.5 Normál tartomány 2.0 1.5 enyhe sugársérülés 1.0 súlyos 0.5 Nagyon súlyos 0.1 HALÁLOS 0 1 napok 2 Latencia: 2-3 Gy dózisnál 3-4 hét is lehet 10 Gy nincs latencia Kritikus szakasz: magas láz vérképben elváltozások immunrendszer károsodása genetikai eltérések kimutatása 0.15 Gy citogenetika 3-4 Gy egésztest dózis 60 napon belül halál Csernobil: 4.2-63 Gy 2-4 Gy 21 beteg 43 beteg 14 túlélő 42 túlélő Regeneráció szakasza: kedvező lefolyás, a 3 szakasz tünetei visszafejlődnek