DAWKI PROMIENIOWANIA

RADIOBIOLOGIA - PODSTAWOWE POJĘCIA

• Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Podczas przechodzenia promieniowania jonizującego przez warstwy ośrodka pochłaniającego jego energia zostaje zaabsorbowana. W przypadku żywej materii może to spowodować ciąg reakcji fizycznych, chemicznych i biologicznych.

Źródło energii:

- cząstki naładowane (elektrony, protony, jony)

- cząstki obojętne elektrycznie (neutrony)

- fotony (obojętne elektrycznie kwanty promieniowania elektromagnetycznego).

Atomy ośrodka pochłaniającego energię promieniowania elektromagnetycznego są obojętne elektrycznie. Elektrony krążące wokół jądra utrzymuje energia wiązania.

Im powłoka bliższa jądra tym energia wiązania większa.

Najniższą energię wiązania mają elektrony na ostatniej, zewnętrznej powłoce atomu - elektrony walencyjne (kilkanaście - kilkadziesiąt eV, w zależności od pierwiastka). Aby oderwać elektron od atomu, dostarczona energia musi być wyższa od energii wiązania (atom staje się jonem dodatnim).

Gdy dostarczona energia jest dostatecznie duża aby spowodować wybicie elektronu z orbity - proces jonizacji.

Jeśli energii wystarczy tylko na przemieszczenie elektronu na bardziej odległą orbitę - proces wzbudzenia.

Promieniowanie elektromagnetyczne - fotony X lub gamma przekazując energię wywołują jonizację lub wzbudzenie.

Sposób przekazania energii zależy od:

- energii fotonów

- spoistości materii

- budowy atomów

…i odbywa się na drodze:

- zjawiska fotoelektrycznego

- efektu Comptona

- zjawiska tworzenia par

Zjawisko fotoelektryczne - cała energia kwantu promieniowania zostaje przekazana elektronowi powłoki. Wybity fotoelektron ma energię kinetyczną równą różnicy energii kwantu i energii wiązania.

Największe prawdopodobieństwo powstania tego zjawiska zachodzi przy stosunkowo niskiej energii fotonu (poniżej 100keV) oraz gdy materia ma dużą liczbę atomową (stąd większe pochłanianie promieniowania rtg w kościach niż w tkankach miękkich).

Efekt Comptona - gdy energia promieniowania jest znacząco wyższa niż w zjawisku fotoelektrycznym (100keV - 10MeV) elektron przejmuje jedynie część energii kwantu.

Foton ulega spowolnieniu i zmienia kierunek, ulega dalszym zderzeniom lub zjawisku fotoelektrycznemu. Powstaje promieniowanie rozproszone, szybkie elektrony i jonizacja.

Zjawisko tworzenia par - zachodzi, gdy energia fotonu jest wyższa niż 1,02 MeV. Foton o tak wysokiej energii, znajdując się w pobliżu silnego pola jądra, tworzy parę elektron-pozyton (zgodnie z zasadą Einsteina - przemiana energii w masę). Cała energia fotonu zamienia się na masę obu cząstek oraz na ich energię kinetyczną.

Prawdopodobieństwo wystąpienia tego zjawiska wzrasta wraz ze wzrostem liczby atomowej materii. Procesem odwrotnym do tworzenia par jest proces anihilacji pozytonu z elektronem, w którym para pozyton-elektron zamienia się na dwa fotony, tj. na dwa kwanty promieniowania elektromagnetycznego.

• Dawki promieniowania

Podstawowymi czynnikami, od których zależą skutki działania promieniowania jonizującego na organizm są:

- wielkość dawki i rodzaj promieniowania,

- warunki napromieniowania,

- biologiczne cechy napromieniowanego ustroju.

Dawka ekspozycyjna (X)

Określa liczbę ładunków elektrycznych jonów jednego znaku powstałych w jednostce masy powietrza w wyniku działania promieniowania (ładunek elektryczny jaki powstaje w powietrzu w wyniku jonizacji wywołanej promieniowaniem).

Jednostką dawki ekspozycyjnej jest kulomb na kilogram (C/kg).

Jednostką historyczną jest rentgen (R).

1R = 0,258 x 10ˉ³ C/kg 1 C/kg = 3876 R

Dawka pochłonięta (D)

Określa wielkość średniej energii przekazanej materii przez promieniowanie jonizujące. Jednostką dawki pochłoniętej w układzie SI jest grej (Gy) 1Gy = 1J/kg (dżul na kilogram) Dawka pochłonięta wynosi 1Gy, jeśli 1kg materiału przez który przechodzi promieniowanie pochłania energię 1J. Jednostką historyczną dawki pochłoniętej jest rad (od ang. radiation absorbed dose) 1 Gy = 100 rad

Ponieważ poszczególne rodzaje promieniowania różnią się gęstością jonizacji wytwarzanej w pochłaniaczu (a ta zależy od liniowego przekazu energii LET, ang. Linear Energy Transfer), to wywołują różne skutki biologiczne w napromieniowanych tkankach. Dla ułatwienia porównywania tych skutków wprowadzono pojęcie względnej skuteczności biologicznej (RBE, ang. Relative Biological Effectiveness), będącej miarą skuteczności jakiegoś promieniowania w porównaniu do skuteczności promieni X o energii 250 keV, dla których arbitralnie przyjęto RBE=1. keV (kiloelektronowolt) - energia jaką zyskuje jeden elektron, przyspieszany w polu elektrycznym, na drodze między punktami o różnicy potencjałów 1 kV.

Wartość RBE otrzymuje się dzieląc dawkę promieniowania odniesienia wywołującą określony skutek biologiczny (np. śmierć 50% komórek) przez dawkę innego promieniowania wywołującą taki sam skutek. Ponieważ RBE w dużym stopniu zależy od rodzaju tkanki, wchodzącego w grę efektu biologicznego i wchodzących w grę dawek, to definiuje się go dla określonego rodzaju promieniowania o konkretnej energii działającego na układ znajdujący się w dobrze określonych warunkach. W tej sytuacji zdecydowano, iż współczynnik RBE będzie używany w badaniach radiobiologicznych, natomiast w ochronie radiologicznej wprowadzono prostszy tzw. współczynnik jakości promieniowania (QF, ang. Quality Factor), który obecnie występuje jako wagowy współczynnik promieniowania (wR).

Iloczyn wartości współczynnika jakości/skuteczności biologicznej W i dawki pochłoniętej D wyznacza dawkę równoważną (równoważnik dawki) (H), będącą miarą działania promieniowania na organizmy żywe:

H = D x W - gdzie współczynnik W jest równy RBE lub wR w zależności od celu, któremu ma służyć dane wyliczenie.

[Dawka równoważna]

Równoważnik dawki (H)

Określa wpływ promieniowania na skutek biologiczny, uwzględniając dawkę, energię i rodzaj promieniowania. Jednostką równoważnika dawki w układzie SI jest siwert (Sv)

H = D x Q - gdzie Q to współczynnik jakości promieniowania (określa jego rodzaj i energię), dla promieniowania X Q=1

1Sv = 1Gy dawka równoważna = dawka pochłonięta

[Dawka równoważna]

Równoważnik dawki (H) Wartości wagowego współczynnika promieniowania wR

Aby uwzględnić różnice w reakcji tkanek na promieniowanie i ich odmienność w pochłanianiu różnych rodzajów promieniowania wprowadzono czynniki wagowe wT i pojęcie dawki efektywnej, która ponadto musi uwzględniać dawkę równoważną. Jeśli całe ciało zostaje napromieniowane dawką jednostkową, czynniki wT mówią, jaki ułamek całości dawki stał się udziałem poszczególnej tkanki.

Dawka skuteczna (E) [dawka efektywna] Jest to suma wszystkich dawek równoważnych w tkankach, pomnożonych przez odpowiedni czynnik wagowy danej tkanki lub narządu (dawka obrazująca całkowite narażenie organizmu przy nierównomiernym napromieniowaniu narządów lub tkanek).

W obliczaniu dawki efektywnej E dla danego narządu i rodzaju promieniowania posługujemy się wzorem: E = D x wR x wT

Pod hasłem warunki napromieniowania rozumiemy przede wszystkim:

1. Moc dawki

Mocą dawki pochłoniętej nazywamy stosunek dawki pochłoniętej do czasu w jakim była podana (Gy/h, µGy/min, itp.). Analogicznie określamy moc równoważnika dawki (mSv/y, µSv/h). Jednorazowe napromieniowanie jakąś dawką przyniesie inny skutek niż rozłożenie tej dawki na kilka dni, tygodni, miesięcy lub lat. Niekorzystne zmiany wywołane małymi mocami dawek mogą być naprawione, o ile natężenie ich występowania nie przekracza możliwości obronnych komórki - przy małej mocy dawki jest czas na naprawę przed następnym „uderzeniem” w komórkę.

2. Sposób frakcjonowania dawki

Organizm jest w stanie łatwiej tolerować dużą dawkę sumaryczną rozłożoną na więcej frakcji, niż naświetlanie kilkoma relatywnie dużymi dawkami. W radioterapii tak dobiera się dawkę sumaryczną, poszczególne dawki frakcjonowane i odstępy między naświetleniami, aby proporcja prawdopodobieństwa miejscowego wyleczenia do prawdopodobieństwa wystąpienia powikłań była najbardziej korzystna.

3. Masa napromienianych tkanek

Napromieniowanie dużej masy tkanek przyniesie bardziej wyraźne ogólnoustrojowe efekty niż skupienie całej energii promieniowania na izolowanej, małej części ciała (pomijamy części o szczególnym znaczeniu). Dotyczy to zarówno wykorzystania możliwości dobroczynnego działania promieniowania, jak np. w stosowanej dla zwiększenia odporności organizmu terapii poprzez naświetlanie całego ciała, jak również w przypadku szkód powodowanych przez zbyt duże dawki promieniowania. W uszkodzonych tkankach powstają różne substancje działające niekorzystnie na cały organizm, a ich ilość jest wprost proporcjonalna do masy uszkodzonych tkanek.

4. Napromienianie narządów krytycznych

Osłonięcie lub napromieniowanie narządów szczególnie ważnych dla funkcjonowania organizmu, a jednocześnie szczególnie narażonych na uszkodzenie przy napromieniowaniu, może mieć kapitalne znaczenie dla ostatecznego wyniku napromieniowania (w przypadku dużych dawek - zwiększenia lub zmniejszenia szansy przeżycia napromieniowanego osobnika).

5. Natlenowanie tkanek

Bogate unaczynienie, a tym samym dobre zaopatrzenie tkanek w tlen, zwiększa ich promienioczułość. Nowotwory złośliwe mają ze swojej natury często bogate, choć patologiczne, unaczynienie. Większe niż fizjologiczne natlenowanie napromieniowywanych tkanek można osiągnąć podając krew bogatą w tlen do tętnicy zaopatrującej dany narząd lub stosując perfuzję pozaustrojową, czyli „przełączając” go do zewnętrznego krwiobiegu. Sposoby te bywają wykorzystywane w radioterapii. Osobnicza wrażliwość na promieniowanie u przedstawicieli tego samego gatunku jest dość zróżnicowana, a zmienia się również u pojedynczych osobników np. z wiekiem i odpowiednio do stanu ogólnego osoby napromienianej. Również wrażliwość gatunkowa jest bardzo zróżnicowana. Jest prawidłowością, że przedstawiciele niższych grup taksonomicznych są bardziej odporni.

• Działanie promieniowania na komórkę

Ogólne skutki działania promieniowania na komórkę obejmują pełne spektrum odpowiedzi:

- brak reakcji

- przejściowe zmiany czynnościowe lub morfologiczne

- zmiany trwałe

- śmierć nekrotyczna w wyniku poważnych uszkodzeń

- apoptoza, tj. akt samobójczy komórki

Teorie wyjaśniające negatywne skutki działania promieniowania na komórkę:

- teoria tarczy - uszkodzenie jakiejś ważnej struktury wewnętrznej

- teoria toksyczna - powstawanie pewnych trucizn komórkowych

Mechanizm:

- wytwarzanie w cytoplazmie wolnych rodników (głównie produktów radiolizy wody),

- zmiany w przepuszczalności barier komórkowych (zaburzenie transportu i niewłaściwe rozmieszczenie w cytoplazmie jonów i cząsteczek)

- zmiany w układach enzymatycznych

- oddziaływanie na cykl mitotyczny

- uszkodzenia DNA

• Działanie promieniowania na materiał genetyczny

Wszystkie ww. mechanizmy są ważne dla pojedynczej komórki i napromieniowanego organizmu. Uszkodzenia materiału genetycznego, czyli głównie DNA, mogą rzutować również na potomstwo lub możliwość jego posiadania.

Uszkodzenia mogą polegać na

- zerwaniu pojedynczej nici DNA,

- zerwaniu podwójnej nici DNA,

- uszkodzeniu zasad azotowych związanych z dezoksyrybozą (purynowej lub pirymidynowej),

- powstaniu krzyżowych połączeń białek jądrowych i DNA (w obrębie jednej lub dwóch nici).

• Działanie promieniowania na zapłodnione jajo, zarodek i płód

Skutki napromieniowania zarodka lub płodu zależą od wielkości dawki i okresu ciąży.

Wyróżniamy trzy okresy życia wewnątrzmacicznego:

1. preimplantacyjny - od zapłodnienia jaja do jego zagnieżdżenia się w śluzówce macicy około 9 dnia ciąży

2. organogenezy (do końca 6 tygodnia) - odbywa się proces formowania narządów

3. płodowy - od momentu wytworzenia łożyska do porodu (około 280-go dnia).

W okresie wczesnej ciąży napromieniowanie dużą dawką prowadzi najczęściej do śmierci zarodka, zaś napromieniowanie w okresie organogenezy sprzyja wystąpieniu wad wrodzonych lub śmierci okołoporodowej.

Poważniejsze zmiany stwierdzane u ludzi po napromienianiu zarodka lub płodu:

1. uszkodzenia mózgu - mikrocefalia, wodogłowie, zaburzenia rozwoju rdzenia kręgowego

2. uszkodzenia kośćca - wady budowy czaszki, wady kostnienia czaski, rozszczep podniebienia, wady w rozwoju kończyn, osteogenesis imperfecta, zaburzenia amelogenezy

3. uszkodzenia oczu - zaćma, microphtalmia, microcornia, coloboma, zez, oczopląs, chorioretinitis

4. różne - zwyrodnienie gonad, zniekształcenie uszu

• Działanie promieniowania na tkanki

Promienioczułość tkanek zależy od stopnia zróżnicowania komórek tkanki i ich aktywności proliferacyjnej.

W roku 1906 radioterapeuci francuscy Bergonie' i Tribondeau zauważyli, że radioczułość komórek ssaków jest proporcjonalna do szybkości podziałów komórkowych i odwrotnie proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania.

Promienioczułymi są więc szpik i tkanka limfatyczna, komórki płciowe i komórki nabłonka jelit.

Mniej wrażliwymi są komórki mięśniowe, narządy miąższowe (jak wątroba), tkanka nerwowa i łączna.

Grupy promienioczułości narządów:

I - gonady, szpik czerwony

II - mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba, śledziona, nerki, przewód pokarmowy, soczewka oka, płuca

III - kości, tarczyca, skóra z wyjątkiem wymienionych w pkt.IV

IV - ręce, przedramiona, stopy

Narządy krytyczne

Dodatkowo można mówić o promienioczułości względnej, która bierze również pod uwagę znaczenie tkanki dla organizmu i skutki jej popromiennych uszkodzeń.

Stosując takie podejście wprowadza się pojęcie narządu krytycznego, czyli takiego, który będąc istotnym dla organizmu jest najbardziej uszkadzany przez dany rodzaj promieniowania w danych warunkach napromieniowania.

Dla promieni X narządami krytycznymi są szpik, gonady i soczewka oka.

Typy odczynów popromiennych:

- wczesny (ostry) - 2-4 tygodnie od napromieniania, dotyczy tkanek szybko odnawiających się; ustępuje samoistnie lub po leczeniu farmakologicznym w ciągu kilku tygodni dzięki repopulacji komórek macierzystych

- późny - pojawia się kilka miesięcy lub lat po leczeniu, wynik uszkodzenia tkanek typu elastycznego charakteryzujących się wolnym tempem odnowy (nienaprawione uszkodzenia ujawniają się z opóźnieniem po zadziałaniu urazu; uszkodzenie śródbłonka małych naczyń i postępujące zubożenie unaczynienia tkanek)

• Napromieniowanie dużymi dawkami. Choroba popromienna

Napromieniowanie ciała dużymi dawkami (> 1 Sv) nie budzi nieporozumień - im większa dawka tym większe uszkodzenia. Obowiązują tu zasady promienioczułości względnej i morfologicznej. Mniejsze dawki uszkadzają tylko tkanki bardziej promienioczułe, większe - wszystkie tkanki lub ich większość.

Ostra choroba popromienna

Zespół zmian ogólnoustrojowych występujących po napromieniowaniu całego organizmu (lub większej jego części) dużą dawką.

W zależności od wielkości dawki, po okresie prodromalnym (tzw. okresie zwiastunów, przed dojściem do pełnego obrazu choroby) z nudnościami i wymiotami, na pierwszy plan wysuwają się objawy 3 zespołów:

- zespołu hematopoetycznego - w wyniku destrukcji szpiku kostnego stale maleje we krwi ilość wszelkich form morfotycznych, występują krwotoki tkankowe i załamanie odporności organizmu.

- zespołu jelitowego, w którym do konsekwencji uszkodzenia szpiku dołączają się objawy ostrego zapalenia śluzówki jelit (brak łaknienia, senność, wysoka temperatura i biegunka prowadząca do odwodnienia organizmu).

- zespołu mózgowo-naczyniowego, w którym pierwszymi objawami są pobudzenie naprzemiennie z apatią, utrata równowagi i zaburzenie koordynacji ruchowej, drgawki i śmierć wśród innych pozostałych objawów ostrej choroby popromiennej.

Przyczyną zgonu jest obrzęk mózgu i wzrost ciśnienia wewnątrzczaszkowego.

Skutki napromieniowania organizmu

Dawka > 1Sv

1. Wczesne: dawka >1Sv

2. Późne:

- nowotwory złośliwe i białaczki,

- skrócenie czasu życia,

- inne (przeważnie „narządowe” jak zaćma, bezpłodność).

---