TEMELJI RADIOBIOLOGIJE

Παρουσίαση με θέμα: "TEMELJI RADIOBIOLOGIJE"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 TEMELJI RADIOBIOLOGIJE
Mentor: prof. dr. Robert ZOREC Helena BREŽNIK, Nina FISTER, Nina LIPAR, Nina POKORN, Matej RAKUŠA, Domen RIBNIKAR, Boštjan RITUPER

2 DELITEV SEVANJA Ionizirajoče sevanje Neionizirajoče sevanje

3 IONIZACIJA Je pojav, ko nabiti delci (npr. sevanje α) pri prehodu skozi snov odtrgajo elektrone iz elektronskega oblaka atoma. Ob tem dobimo pozitivno nabit atom (ion), ki mu manjka en elektron, in prost elektron. Skupaj sestavljata ionski par.

4 NEIONIZIRAJOČE SEVANJE
Ima nižje frekvence v primerjavi z ionizirajočim. Nekatere lahko zaznavamo s čutili (vidna svetloba, toplota) Viri neionizirajočega sevanja:

5 IONIZIRAJOČE SEVANJE Imajo višje frekvence in s tem višjo energijo v primerjavi z neionizirajočimi sevanjem. Ne moremo ga zaznavati s čutili Viri ionizirajočega sevanja:

6

7 DELCI α Imajo atomsko maso 4 in naboj +2
Je atom helija brez elektronske ovojnice Izvor: težka, nestabilna jedra (z izsevanjem dosežejo stabilnost) Primeri izvorov: U238, U235, Ra226 Razpad α:

8 DELCI α (2) So monoenergetski – vsi, iz enega elementa izsevani delci alfa imajo enako energijo(3 – 8 MeV) Relativno nizka hitrost, ko zapustijo jedro (14000 – km/s) Doseg delca α je odvisen od: Kinetične energije delca Števila interakcij delca na poti Narave in gostote medija skozi katerega potuje

9 DELCI α (3) Delec α izgublja kinetično energijo med potovanjem skozi absorbirjači medij, in sicer z: ekscitacijo (prehod orbitalnih elektronov v višje orbitale) ionizacijo (odstranitvijo orbitalnih elektronov iz atoma) Biološka nevarnost: ne prehaja epidermisa problem pri zaužitju ali vdihanju (uničujejo sluznico)

10 DELCI α (4) Delec α ima velik naboj in majhno hitrost:
zelo dober ionizator Potem ko delec α odda vso energijo in ujame dva e- iz okolja, postane helijev atom: + +

11 DELCI β So elektroni, ki jih nestabilno jedro izvrže v procesu radioaktivnega razpada Obstajata dve vrsti delcev β: negatroni in pozitroni .

12 DELCI β (2) - Negatoni (β-)
Naboj -1 Nastane pri subnuklearni transformaciji, pri čemer se nevtron spremeni v proton (atomska masa ostane enaka) Ko izgubi negatron (elektron) vso kinetično energijo, še vedno obstaja (kakšno jedro ga ujame v svojo elektr. ovojnico)

13 DELCI β (3) - Pozitroni (β+)
Naboj +1 Nastane pri subnuklearni transformaciji, pri čemer se proton spremeni v nevtron (atomska masa ostane enaka) Ko izgubi negatron (elektron) vso kinetično energijo, se združi z negatronom, nato pa se oba spremenita v dva fotona γ

14 DELCI β (4) - razpad β

15 DELCI β (5) Delci β niso monoenergetski
Spekter je zvezen in zavzema vrednosti 0,0186 – 4,81 MeV Pri razpadu β nastane poleg delca β še nevtrino – seštevek kinetičnih energij delca β in nevtrinota = izsevni energiji radionuklida Med potovanjem skozi snov delci β izgubljajo energijo v interakcijah z atomi absorbenta Absorbcija je odvisna od gostote in debeline absorbenta in od začetne energije delca β

16 Rutherfordovo sipanje:
DELCI β (6) - Trki Trki so interakcije delcev (β) s snovjo Poznamo elastične in neelastične trke Elastični trki (ne pride do sprememb notranje ali skupne kinetične energije delcev, ki trčijo): Rutherfordovo sipanje: elastični trk β-delca z jedrom atoma; delec se odkloni, a ne izgubi kinetične energije. Odklon se zgodi zaradi elektrostatskih coulombovih sil, ki so lahko privlačne (negatron) ali odbojne (pozitron)

17 DELCI β (7) - Trki Neelastični trki (pride do sprememb energij enega ali več delcev, ki trčijo ): Zavorno sevanje: če sta Z absorbenta in energija β-delca visoka  delec se zaustavlja, izgubljena energija pa se pretvori v EM-sevanje, ki je po valovni dolžini podobno X-žarkom. Ker nastane zavorno sevanje v težkih snoveh, so voda in plastične mase boljša zaščita pred β-sevanjem kot pa težke kovine z velikim Z Ionizacija interakcija med delcem β in orbitalnim elektronom. Delec β se odkloni in upočasni, sprememba kinetične energije β delca pa se prenese na elektron, ki zapusti atom. Atom se spremeni v ion

18 ŽARKI γ Ti žarki so elektromagnetno sevanje (ne sevajo delci)
So fotoni s svetlobni hitrostjo ( km/s) in energijo med 0,2 in 1,5 MeV So zelo podobni žarkom X (rentgensko sevanje) Razlika: žarki X nastajajo pri zavornem sevanju, žarki γ pa v radioaktinem jedru pri nuklearnem razpadu

19 polienergetski (imajo zvezen spekter)
ŽARKI γ (2) – spekter Žarki γ so monoenergetski ali pa so sestavljeni iz nekaj diskretnih energij (npr. 57Co) Žarki X polienergetski (imajo zvezen spekter)

20 ŽARKI γ (3) Pri potovanju skozi snov, žarki γ izgubljajo energijo z atomi v absorbentu Interakcije so manj verjetne kot pri α ali β sevanju (zaradi velike prodornosti in majhne ionizacijske moči), ampak vseeno možne

21 ŽARKI γ (4) – fotoelektrični efekt
foton  trči v elektron (ponavadi v notranji elektr. orbiti) in mu preda svojo energijo (sam foton izgine) ter ga izvrže iz orbite atoma – nastane kation. Izvrženemu elektronu pravimo fotoelektron. Fotoelektron ima dovolj energije, da postane vir sekundarnih ionizacij. Pojav se pojavlja predvsem v težjih elementih (visok Z) ter če imajo -žarki nizko energijo, ni zelo škodljiv.

22 ŽARKI γ (5) – Comptonovo sipanje
foton  trči v elektron v eni od zunanjih orbit, vendar pri trčenju ne izgine, ampak odda le del svoje energije in spremeni smer gibanja za določen kot . Izbit Comptonov elektron ima dovolj kinetične energije, da je sposoben sekundarne ionizacije. Efekt je najbolj verjeten v snov z nizkim Z in pri energijah žarkov  srednjih vrednosti (0,5-2 MeV) Sevanje  uporabljamo pri radioterapiji. Pri tem so pomembne interakcije žarkov  s tumorskimi celicami. Ker je v vodnem okolju najbolj verjetno Comptonovo sipanje (nizek Z), je prav ta efekt ključ za zdravljenje pri radioterapiji.

23 ŽARKI γ (6) – nastanek parov
Je pojav, kjer se energija spreminja v snov. Ko se visokoenergetski foton približa jedru v visokim Z, interagira z močnim jedrnim elektrostatskim poljem in izgine. Energija fotona se popolnoma pretvori v dva delca, in sicer v pozitron in v negatron. Oba nastala elektrona imata ponavadi zadosti energije, da povzročita sekundarne ione na svoji poti. Ko e- izgubi vso energijo, ostane v snovi kot prosti elektron ali kot elektron v ovojnici atoma, e+ pa se kombinira z e-, njuna masa pa se pretvori v dva -fotona s po 0,51 MeV energije

24 NEVTRONSKO SEVANJE Je snop prostih nevtronov pri visokih hitrostih
Nima direktnih ionizacijskih sposobnosti moči, je pa sposobno posredne ionizacije

25 NEVTRON Izven jedra postane nestabilen in radioaktivno razpade
Nima električnega naboja in je malo težji od protona Ko nevtron razpade, izseva β-delec in se pretvori v proton Razpolovni čas razpada je 13 minut Ker je delec brez naboja, je sposoben prepotovati dolge razdalje po snovi, ne da bi interagiral z elektroni ali jedrom (veliko večji domet kot delci α in β)

26 NEVTRON (2) Edini način, kako lahko nevtroni izgubijo energijo je
trk z jedrom (večja verjetnost v snoveh z manjšim vrstnim številom, ker je v takih snoveh gostota jeder višja) Nevtronsko sevanje se uporablja v bioloških analizah kot metoda za detekcijo, identifikacijo in kvantitativno merjenje elementov v sledeh.

27 NEVTRON (3) Tipi interakcij nevtron-jedro:
1. Elastično sipanje (nevtron trči v jedro in ga zapusti brez da bi pustil dodatno energijo ali ga vzburil) 2. Neelastično sipanje (nevtron trči v jedro in ga zapusti v vzburjenem stanju. Jedro preide nazaj v stabilno stanje tako, da izseva -foton) 3. Ujetje (jedro, v katerega trči, ujame nevtron. Posledica je novo sestavljeno jedro, ki je ponavadi nestabilno. Tako jedro preide nazaj v stabilno stanje z izsevanjem -fotona, dveh nevtronov, protona ali delca α)

28 KOZMIČNA RADIACIJA Sestavljena je iz dveh komponent, in sicer primarnih in sekundarnih žarkov Primarni žarki so visokoenergetski delci, ki imajo svoj izvor izven zemeljske atmosfere (verjetno kvazarji ali supernove) – to so večinoma protoni, delci α in atomska jedra. Sekundarni žarki: ko primarni žarki ob vstopu v atmosfero reagirajo molekulami zraka, tarčna jedra raztreščijo v nevtrone, elektrone, nevtrine, mezone in fotone , ki so vsi del sekundarnega sevanja

29 INTERAKCIJE RADIACIJE S SNOVJO
POŠKODBA ORGANIZMA KEMIČNA SPREMEMBA DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA BIOLOŠKI SISTEM RADIOLIZA VODE PROSTI RADIKALI

30 POŠKODBA ORGANIZMA Na celični ali višji ravni: poškodba na ravni molekul Učinki: lomljenje kromosomov, uničenje celic, rak, radiacijska slabost Citoplazma (voda in molekule): v visokih koncentracijah  velike radiacijske doze za uničenje v manjših koncentracijah  inaktivacija: resna poškodba aktivnosti celice (nukleinske kisline, ATP, encimi, proteini –miozin, hemoglobin)

31 KEMIČNE SPREMEMBE Del sevalne energije
Preostala energija se razsipa kot toplota (↑T obsevanega materiala) IONIZACIJA: ionizirana molekula izgubi elektrone → nestabilna ulovi e- prekine se nekaj kemičnih vezi → fragmenti → prosti radikali VZBUJANJE: e- na višje energetske ravni luminiscenca → e- se spontano vrnejo na osnovno energetsko raven disociacija → kemične spremembe → prenos odvečne energije na druge molekule s trkom

32 DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA
DIREKTNO: molekula postane ionizirana ali vzbujena, ko jo direktno zadene ionizirajoči delec ali foton, ki gre skozi njo ali blizu nje čist sistem INDIREKTNO: molekula prejme radiacijsko energijo prek prenosa z druge molekule na molekulo delujejo prosti radikali raztopina

33 DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA BIOLOŠKI SISTEM
FIZIKALNA faza ionizirajoči delec ali foton → ionizirane ali vzbujene molekule - »primarni produkti« 2. FIZIKALNO-KEMIČNA faza sekundarne reakcije → prosti radikali 3. KEMIČNA faza novi tipi molekul (stabilne, nestabilne) 4. BIOLOŠKA faza odziv citoplazme občutljivost organizma kot celote ojačenje molekularne poškodbe z metabolnimi procesi

34 DOZE IN ENOTE – ABSORBIRANA DOZA
količina energije na enoto mase, ki jo sevanje odda pri prehodu skozi snov enota je gray [J/kg] škodljivost sevanja je določena z RBE (relative biological effectivnes) RBE določimo z primerjavo nekega učinka sevanja in standardnega sevanja

35 EKVIVALENTA DOZA (HT) V HT so uravnoteženi biološki učinki različnih vrst sevanja Vsebuje utežni faktor sevanja wR (radiation weight factor), ki je izbran po vrsti in energiji sevanja Enota je sievert [J/kg]

36 EFEKTIVNA DOZA (E) Je ekvivalentna doza pretehtana z wT
wT (tissue weight factor) je faktor za ocenjevanje specifičnosti posameznih organov in tkiv enota je sievert [J/kg]

37 AKTIVNOST, RAZPADNI ČAS
aktivnost je število razpadlih jeder oziroma delcev na enoto časa enota je becqurel [Bq] = 1 razpad/s razpadni čas je povprečni čas, ki ga delec, ali jedro preživi od začetka opazovanja do razpada.

38 BIOLOŠKI RAZPOLOVNI ČASI
Biološki razpolovni čas je čas v katerem se izloči polovica določene snovi iz organizma oziroma iz določenega organa ali tkiva odvisen od številnih dejavnikov biološka vrsta in starost organizma hitrosti presnove načina prehrane

39 EFEKTIVNI RAZPOLOVNI ČAS
Je učinek fizikalnega in biološkega razpolovnega časa

40 LINEARNI ENERGIJSKI PRENOS
Je definiran s povprečno energijo, ki jo nabit delec lokalno prenese na daljinsko enoto poti Enota je J/m oz. keV/μm Čimbolj na gosto žarki ionizirajo , tem krajša je razdalja, ko oddajo energijo snovi in tem krajši je domen žarkov

41 RADIOLIZA VODE CITOPLAZMA = vodni sistem
Molekule biološkega pomena: spremembe prek interakcije s produkti, ki izvirajo iz direktnega delovanja sevanja na vodo Kompleks kemičnih sprememb, ki nastanejo v obsevani vodi: zelo reaktivna → kemične spremembe v sestavinah, ki so raztopljene v njej ioni in/ali prosti radikali

42 PROSTI RADIKALI Prost atom, molekula ali atomska skupina, ki nosi neparen elektron Kratka življenjska doba (10-11 s) Elektronska konfiguracija hidroksilnega iona (OH-): In hidroksilnega radikala, ki ima en e- manj: Vodikov radikal: prost, električno nevtralen atom vodika obsevanje vode → prosti vodik, kisik in vodikov peroksid končni produkti: več tipov reakcij → vodikov in hidroksilni radikal

43 IONIZIRAJOČI DELCI Z VISOKIM LET
Razdalja med raznovrstnima radikaloma je večja kot razdalja med istovrstnima radikaloma Kombinacija istovrstnih radikalov bolj verjetna H2, H2O2 Žarki X H + OH → H2O

44 VPLIV IONIZIRAJOČE SEVANJA NA NUKLEINSKE KISLINE
Obsevanje povzroči znižanje viskoznosti nukleinskih kislin; Do tega pojava pride, ker sevanje povzroči zmanjšanje rigidnosti molekule in posledično zvitje nukleinske molekule v bolj kompaktno strukturo - zavzamejo manjši volumen; ali pa zaradi prekinitve obeh verig dvojne vijačnice (nastanejo manjši fragmenti dvojne vijačnice, ki imajo manjšo viskoznost).

45 POŠKODBE NUKLEINSKIH KISLIN
Možen pojav pri poškodbi nukleinskih kislin je prekinitev ene verige, ki se nadalje prečno poveže z drugo tovrstno poškodovano DNA. Do takšne povezave pride v primeru odsotnosti kisika. V prisotnosti kisika pa le-ta povzroča peroksidacijo prostih koncev razklenjene verige in prepreči povezovanje.

46 VPLIV PRISOTNOSTI KISIKA PRI OBSEVANJU
Ob prisotnosti kisika je za isti biološki efekt potrebna manjša doza sevanja kot pri hipoksičnih razmerah; Kisik je ključen za permanentno poškodbo DNA, ki jo povzročijo prosti radikali. Razmerju med potrebno dozo v hipoksičnih razmerah in dozo ob prisotnosti kisika, ki povzročita isti biološki učinek, pravimo OER (oxygen enhancement ratio); Za žarke X in Y se ta giblje med 2,5 in 3, ker večino škode povzročijo indirektno s prostimi radikali. Alfa delci uničijo celice predvsem z direktno ionizacijo, zato je OER 1,0.

47 KROMOSOMSKE ABERACIJE
Aberacije so posledica nepravilnega združevanja delov dveh različnih kromosomov, kadar je prišlo do prelomov kromatid - nastanek centričnega in acentričnega kromosomskega fragmenta; Simetrična translokacija: ni letalna; lahko se aktivira onkogen, če se del kromosoma, na katerem leži onkogen, prestavi v bližino močnega promoterja; Nastanek dicentričnega kromosoma v procesu rekombinacije, kar povzroči celično smrt. Kromosom se namreč ne more normalno podvajati.

48 DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA CELICE
Učinke ionizirajočega sevanja proučujemo na aktivno delečih se celicah Biološka škoda zaradi sevanja je odvisna od: prejete doze hitrosti absorbiranja doze vrste celice faze celičnega ciklusa (v kateri se celica nahaja med obsevanjem) Opazimo različne posledice: nediferencirana celica umre določen čas po obsevanju nediferencirana celica preživi, vendar je mitoza permanentno inhibirana nediferencirana celica preživi in se lahko deli, vendar pride do mitotične zakasnitve diferencirana celica preživi, vendar atrofira diferencirana celica preživi, poškodbe se ne da ugotoviti

49 OBČUTLJIVOST CELIC V RAZLIČNIH FAZAH CELIČNEGA CIKLUSA
CELIČNI CIKLUS: mitoza (M) faza G1 faza S (sinteza DNA) faza G2 Občutljivost na sevanje narašča v smeri: S< G1< G2<M

50 POPRAVLJANJE POŠKODB, KI JIH POVZROČI IONIZIRAJOČE SEVANJE
Poškodba, ki jo povzroči sevanje je lahko: LETALNA (ireverzibilna, nepopravljiva, povzroči smrt celice) SUBLETALNA (v večini primerov se lahko popravi) Poskus: celice obsevamo s sevalno dozo, ki smo jo razbili na intervale. Opazimo popravljalni vzorec, ki je kombinacija 3 procesov, ki potekajo istočasno: Repair – takojšnje popravljanje subletalne poškodbe Reassortment – progresivno napredovanje celic skozi celični ciklus Repopulation – delež preživetih celic se poveča zaradi delitve celic

51 BERGONIE-TRIBONDEAUJEV ZAKON
Z obsevanjem testisov podgan sta ugotovila, da propadejo germinativne celice, celice intersticija pa ostanejo nepoškodovane. Sklepala sta, da so germinativne celice bolj radiosenzibilne zaradi večje reproduktivne aktivnosti.

52 BERGONIE-TRIBONDEAUJEV ZAKON
Radiosenzitivnost celic je proporcionalno povezana z reproduktivno aktivnostjo in obratno sorazmerno povezana z njihovo stopnjo diferenciacije.

53 IZJEME BERGONIE-TRIBONDEAUJEVEGA ZAKONA
Izjema B.-T. zakona so oociti in limfociti, ki so na sevanje zelo občutljive celice. Pri teh celicah je visoka radiosenzibilnost slabo pojasnjena, ker so v mirujočem obdobju delitve.

54 OBČUTLJIVOST CELIC NA IONIZIRAJOČE SEVANJE
najbolj občutljive celice spermatogoniji eritroblasti ostale manj diferencirane celice kostnega mozga celice zarodne plasti epidermisa celice lasnih foliklov zarodne celice črevesnega epitelija najbolj diferencirane celice (živčne, mišične) najmanj občutljive celice

55 UČINKI SEVANJA zgodnji in pozni somatični in dedni
ICRP: deterministični in stohastični

56 DETERMINISTIČNI UČINKI
prag izpostavitev mejni dozi stopnja poškodbe odvisna od doze akutna doza: 0,25-2 Sv: sprememba krvne slike, lažja oblika bolezni 2-5 Sv: letalna nad 5 Sv: umrejo skoraj vsi nad 6-7 Sv: umrejo vsi zgodnji: opekline, poškodbe CŽS, okvare hemopoetičnega in imunobiološkega sistema, prebavil, gonad, okvare zarodka in plodu pozni: brazgotine, sterilnost, katarakta, hipoplazija kostnega mozga in imunskega sistema, fibroza pljuč, nefroskleroza, nekroze, atrofije, umska manjrazvitost

57 STOHASTIČNI UČINKI nimajo praga po neomejeno nizki dozi
somatični: mutacija, rak dedni: nagnjenost k raku med potomci recesivna mutacija antionkogena dominantna mutacija onkogena

58 TEORIJA TARČ Krivulja preživetja: populacijo celic obsevamo z vedno večjimi dozami in opazujemo delež preživetih celic Eksponentno naravo razmerja med dozo in preživetjem so razložili s teorijo tarč. Osnovna ideja teorije je: V bioloških sistemih obstajajo določena kritična področja, ki so izredno občutljiva na sevanje (tarče) Če ionizirajoče sevanje zadene tarčo, pride do inaktivacije tega predela in posledično lahko tudi do celične smrti

59 TEORIJA TARČ (2) Kakšna je verjetnost, da bodo tarče zadete oz. kolikokrat bodo zadete, lahko predvidimo s pomočjo Poissonove formule: Če povečamo dozo za nek določen faktor, se bo delež preživetih celic zmanjšal za manjši faktor. Nekatere tarče namreč ostajajo brez zadetkov, medtem ko so druge zadete večkrat. Že inaktivirane tarče tako na nek način ščitijo še nezadete tarče. e-aan Pn(a)= n! 1 1 2 1 2 1 2 1. doza 2. doza

60 MEDICINSKA RABA IONIZIRAJOČEGA SEVANJA
RADIODIAGNOSTIKA ICRP priporočilo za sprejemljivo mejno dozo: 1 mSv/leto; Slovenija: vsaj 1,5 mSv/leto izpostavljenost v poklicu (ICRP): s 50 mSv na 20 mSv/leto rentgenska diagnostika: > 90% doze od medicinskega sevanja uporaba varnejših sredstev: UZ namesto rentgena, MRI namesto CT doze pri preiskavah: slikanje zob: 0,01-0,02 mSv pljuč: 0,01-0,05 mSv lobanje: 0,1-0,2 mSv medenice: 0,7-1,4 mSv CT: 2-4 mSv

61 RADIOTERAPIJA nekaj 1000x večje doze kot pri diagnostiki
doza naj uniči rakavo tkivo in čim manj prizadene normalne celice odvisno od tipa, lokacije tumorja in drugih zdravljenj frakcioniranje: intracelularna reparacija in repopulacija 1 frakcija/dan (1-5 min), 5 dni v tednu, 6-7 tednov

62 VARSTVO PRED IONIZIRAJOČIM SEVANJEM
Tri osnovna načela radiološke zaščite: Upravičenost pomeni, da ionizirajočega sevanja ne uporabljamo oziroma se mu izogibamo, če od njega ne pričakujemo določene koristi. Optimizacija (strokovnjaki uporabljajo kratico ALARA) pomeni, naj bodo vse prejete doze čim nižje - ne glede na zakonske omejitve. Omejitve doz - najvišje doze, ki jih sme prejeti posameznik, so zakonsko določene in jih je treba spoštovati ne glede na stroške.