Radioaktivitás biológiai hatása - Biofizikai Intézet

Radioaktivitás biológiai hatása
Dózis definíciók
Hatások
PTE ÁOK Biofizikai Intézet,
2012 december
Orbán József

A radioaktív sugárzás elleni védekezés
3 pontja
• Minimalizált kitettségi idő
• Maximalizált távolság (1/r 2 )
• Védőanyagok használata

Radioaktív sugárzás lehetséges
hatásmechanizmusa élőlényekben
• Energia abszorpció (10 -15 s)
• Ionizáció vagy gerjesztés (10 -5 s)
• Molekuláris változások (s)
• Biokémiai változások (s - h)
• Fiziológiai és/vagy anatómiai
elváltozások (perc - h)
• Egyéb biológiai hatások (h - évek)
• Az élőlény halála (nap – évek)
Fizikai hatás
Kémiai hatás
Biológiai hatás
3

From: Hall, Radiobiology for radiologist
Sugárzások hatása (pl.) a DNS-re
• Indirekt károsodás
– A vízmolekula ionizálódik és reaktív OH - gyököt
formál.
– A gyök párosítatlan elektronjával – erősen
reaktív – károsítja a DNS-t
– Az összes radioaktív sugárzás okozta DNS -
károsodás 75%-a ilyen.
• Direkt károsodás
– Magát a DNS-t találja el a radioaktív részecske
és okozza a károsodást.

Mi történik a kromoszóma károsodás után?
A sejt esetleges reakciója:
– Kisebb sérülés javítása (DNS javító enzimek).
– Néhány DNS károsodás nem érint kódoló szakaszt,
vagy csak inaktív marad további sugárzásig.
– A károsodás csak az utódokban jelenik meg.
– A károsodás hatására rákos sejtté transzformálódik.
– Nem működik tovább.
– Sejthalál következik be.

Fizikai hatás
Kémiai hatás

Radioaktív sugárzás hatása
Fizikai k.hatás: ionizáció /gerjesztés
– közvetlen / közvetett
Sugárhatás
- direkt / indirekt
- reverzibilis / irreverzibilis
- akut / krónikus
• sztochasztikus → kockázat (valószínűség)
• determinisztikus → küszöbdózis

Halálozási arány
LD 50
DETERMINISZTIKUS SZTOCHASZTIKUS
A hatás csak küszöbdózis felett jelentkezik. Nincs küszöbdózis!
A hatás súlyossága arányos a dózissal. A hatás valószínűsége arányos a dózissal.
Vannak jellegzetes tünetek. Nincsenek jellegzetes tünetek.
A hatás általában akut. A hatás mindig később jelentkezik.
Példa: bőrpír, katarakta Példa: rák, öröklődő hatások

Hogyan működik a sugárterápia?
Kritikus / halálos besugárzási mennyiség,
lokális szinten.
De mi a kívánt
mennyiség / DÓZIS?

D o z i m e t r i a

Dozimetria
Q
1. Besugárzási dózis X
m
Jele: X C
Mértékegysége: kg =1 Gy= 29,4 mC/kg
ΔQ: az m tömegű levegőben keltett
ionok töltésösszege
» Besugárzási dózisteljesítmény
A besugárzási dózis és az idő hányadosa:
Mértékegysége: C
kg
s
levegő
X
t

Dozimetria
Fizikai dózis mennyiségek
2. Elnyelt dózis
Tömegegységre vonatkoztatott elnyelt energia
Jele: D
Mértékegysége: J/kg, Gy (gray)
» Elnyelt dózisteljesítmény
Az elnyelt dózis és az idő hányadosa:
Mértékegysége:
Gy
h
D
D
t
E
m

Dozimetria
Biológiai dózis mennyiségek (intenzitás + LET)
1. Egyenértékdózis
Jele: H
Mértékegysége: Sv (sievert) 1 Sv=1 J/kg
DT,R: elnyelt dózis
wR: sugárzás típusára jellemző faktor
2. Effektív dózis
Jele: E
Mértékegysége: Sv (sievert) 1 Sv = 1 J/kg
H T: egyenértékdózis (szövettípustól függ)
w T: szövet típusára jellemző faktor
H=w RD T,R
E=Σw TH T

Egyenértékdózis
Sugárzás típusa Sugárzási súlyfaktor (W R)
foton 1
Elektron, müon 1
Neutron
< 10 keV
10 keV to 100 keV
> 100 keV to 2 MeV
> 2 MeV to 20 MeV
> 20 MeV
Proton > 2 MeV 5
Alfa részecskék, nehéz
atommagok
5
10
20
10
5
20
H=Σw RD T,R

Szerv Szöveti súlyfaktor
ivarmirigyek 0,20
végbél 0,12
csontvelő 0,12
tüdő 0,12
gyomor 0,12
húgyhólyag 0,05
mellkas 0,05
máj 0,05
pajzsmirigy 0,05
nyelőcső 0,05
bőr 0,01
Csont felszín 0,01
Vese, agy, izom 0,05
Effektív dózis
E=Σw TH T
Σw T=1
E=Σw T·w R·D T,R
Mi az eltérő
érzékenység alapja?

A dózis hatásának függése a szövet típusától
A legfontosabb szövetféleségek csökkenő sugárérzékenység alapján felállított sorrendje
Mit figyelhetünk meg?
1. Nyirokszövet
2. Fehérvérsejtek, csontvelői éretlen
vörösvérsejtek
3. Gyomor-, béltraktus nyálkahártya
4. Ivarsejtek
5. Bőr proliferáló sejtrétege
6. Erek
7. Mirigyszövetek, máj
8. Kötőszövet
9. Izomszövet
10. Idegszövet

A dózis hatásának függése a szövet típusától
Milyen esetekben fokozódik a sugárzás hatása?
(Bergonie és Tribondeau megfigyelései)
- nagyobb fokú szaporodási képesség;
- hosszabb sejtmag osztódási periódus;
- kevésbé rögzített morfológiájú sejtek.

találatelmélet vagy direkt hatás elmélet,
1 tábla
* 1 találat
* több találat
Több tábla
* 1-1 találat
* több találat
Dessauer 1922
A találat nem feltétlen ütközést jelent,
hanem ionizációt!
találat → molekula/sejt inaktiválás

találatelmélet vagy direkt hatás elmélet
1 tábla, 1 vagy több találat
túlélési görbék:
félhatásos dózis
N / N 0
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,1
Poisson eloszlás
Ha n>1, a görbe szigmoid
0,0 0,5 1,0 1,5
D / D 1/2
n = 4
n = 1
n = 2
n = 3

találatelmélet vagy direkt hatás elmélet
több tábla, 1-1 találat
túlélési D görbék: halálos dózis
100
D vagy LD 8 fél halálos dózis
1/2 50
D
4
37%-os elhalálozás (1/e)
37
Túlélők aránya
1,0
0,5
0,1
0,01
m = 1
m = 4
m = 8
Dózis

Indirekt sugárhatás:
vízaktiválási elmélet, higítási effektus
H + + OH – + energia → H + + OH*
Higítási effektus
További kémiai reakció(k)

Mi az összefüggés a fizikai és a biológiai
dózis között?
A biológiai hatás és az átadott energia között szembetűnő
aránytalanság van!
• Ha 0,3 C/kg besugárzási dózisú sugárzás (~10 Gy) éri az egész
testet → idővel halálhoz vezet!
• Ekkor az elnyelt energia kb., 9 J/kg;
• 75 kg-os embernél az egész testre ez mindössze:
E = 675 J
Ez egy pohár vizet 1 o C-al melegítene fel!

Dozimetria
Sugárterhelés hatásai A sugárdózis
átlagértéke mSv/év-ben
H (mSv) Hatások
200
750-1000
1000-2000
4000
Küszöbdózis
orvosilag kimutatható, tünetmentes
Kritikus dózis
rosszullét
Vérképző szervek zavarai
Félhalálos dózis
6000 Halálos dózis
Az 50%-a orvosi kezelés hiányában meghal
Az átlagos természetes radioaktív háttérsugárzás kb, 1,8 mSv/év, ebből:
a levegőben jelenlévő radon (kb, 0,5 mSv/év),
az épületek sugárzása (kb, 0,4 mSv/év),
kozmikus sugárzás (0,3 mSv/év),
a bennünk lévő 40 K izotóp sugárzása (kb, 0,2 mSv/év)
Emberi tevékenység - orvosi röntgen átvilágítás és terápia, - átlagosan 0,4 mSv/év,
Összesen kb, 2,5 mSv/év,

A dózis hatásának függése a fajtól
Különböző fajok D50 értékei
Faj LD 50 (Gy)
Kutya 3-4,3
Majom 5
Egér 4-6,5
Ember 5-8
E. coli 5,6
Denevér 150
Élesztő 300
Amőba 1000
B. mesentericus 1500
Paramecium 3000

Egy átlag amerikai lakosra jutó éves
sugárzás forrásai