Upload
mrinal
View
164
Download
6
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Biologické účinky ionizujícího záření. Doc. Ing. Jindřiška Heřmanská,CSc. Ústav biofyziky UK 2.LF. První poznatek o biologických účincích ionizujícího záření. 1895 - německý fyzik R ö ntgen ohlásil objev paprsků X - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Biologické účinky ionizujícího záření
Doc. Ing. Jindřiška Heřmanská,CSc.
Ústav biofyziky UK 2.LF
První poznatek o biologických účincích ionizujícího záření
• 1895 - německý fyzik Röntgen ohlásil objev paprsků X
• 1896 - výrobce Crookesových trubic Grube zjistil na hřbetu ruky kožní změny,které přešly přes stadium puchýřů a vředů v jizvu
Význam poznatků o biologických účincích IZ
• Jsou východiskem k odvození kritérií a koncepce radiační ochrany
• Jsou základem zdravotní péče při poškození zdraví ionizujícím zářením
Poznatky o biologických účincích IZ
• Bezprostřední radiační poškození pozorována po nehodách se zdroji IZ
• Vyčerpávající studie o zkušenostech s ošetřením více než 200 osob trpících akutní nemocí z ozáření předložili v roce 1986 po havárii v Černobylu sovětští odborníci.
• V samostatné odborné publikaci IAEA byly popsány důsledky ozáření a kontaminace 137Cs, jimiž byly postiženy desítky lidí v Brazilské Goiani v roce 1985
Poznatky o biologických účincích IZ
• Poznatky o bezprostředních reakcích organismu na ozáření a o některých typech pozdních účinků byly získávány z radioterapie
Epidemiologická metoda průzkumu
• Již v souborných kazuistikách předválečného období: poukázáno na vyšší výskyt kostních sarkomů u žen, které pracovaly s izotopy 226Ra a 228Ra používanými na svítící ciferníky hodinek a leteckých přístrojů
• Jiným klasickým souborem jsou horníci uranových dolů ohrožení rakovinou plic
• V lékařském tisku bylo opakovaně referováno o rakovinách kůže, komplikujících chronickou radiační dermatitidu rentgenologů
Epidemiologická metoda průzkumu
• V Japonsku zorganizována rozsáhlá studie v Hirošimě a Nagasaki po sčítání lidu v r. 1950, tedy 5 let po zasažení měst jadernou zbraní. Průzkum: japonsko-americká výzkumná instituce Radiation Effects Research Foundation. Výsledky k dispozici, ve výzkumu se pokračuje
• V ČR v roce 1970 zahájena - s využitím dříve získaných dat-studie u horníků uranový dolů. Nejdéle sledovaná skupina: nastoupivší práce v letech 1948-1952
Výsledky experimentálních studií - I
• Americký genetik H.J. Müller: v roce 1946 Nobelova cena za průkaz vlivu záření X na genové mutace u Drosophil (banánové mušky)
• 1946 - 1986: pod vedením J. G. Grigorjeva realizován na 246 psech pokus simulující pomocí záření gama zátěž posádky při letu kosmické lodi na Mars
Výsledky experimentálních studií - II
• Americký projekt v Salt Lake City na psech linie Beagle - zaměření na vnitřní ozáření dlouhodobě působícími osteotropními nuklidy, především plutonium, americium, izotopy radia, apod.
Základní charakteristiky účinků IZna živé systémy
• Působení IZ na živou hmotu: nejprve se řídí zákony platnými i pro látky neživé - absorpce energie ionizací a excitací
• Navazuje řada dějů podmíněných složitou organizací živé hmoty
Teorie biologických účinků - I
• Snaha jednotně vyložit účinky IZ na živou hmotu - podnět k vypracování teorií, které zachycují období od absorpce energie IZ až po stabilizované poškození molekuly vedoucí k morfologických a funkčním změnám na úrovni buněčné, orgánové nebo celého organismu
Teorie biologických účinků - II
• Zásahová teorie (teorie přímého účinku)
• Radikálová teorie (teorie nepřímého účinku)
• Teorie duálové radiační akce
• Molekulárně - biologická teorie
Zásahová teorie
Vychází z úvahy o přímém poškození citlivého objemu, kdy dochází k lokální absorpci energie a fyzikální, fyzikálně-chemické nebo funkční změně zasažené struktury
Radikálová teorie
Bere za základ radiolýzu vody - více než 70% biologického materiálu je tvořeno vodou. Zásahem molekul vody IZ vznikají H a OH radikály a produkty schopné oxidace (HO2, H2O2), které mohou nepřímo ovlivnit metabolické děje
Teorie duálové radiační akce - I
• Vychází ze dvou směrů - ze studia chromozomálních aberací v buňkách a z mikrodozimetrických studií
• Předpokládá se, že záření vyvolává v živé hmotě subléze, které jsou úměrné dávce
• Kombinací dvou sublézí vzniká primární biologická léze - poškození
Teorie duálové radiační akce - II
• Řídce ionizující záření (, fotonové záření) vytváří při průchodu elementárním objemem po jedné sublézi primární biologická léze vzniká v důsledku průchodu dvou jednotlivých částic
• Počet primárních lézí závisí převážně na čtverci dávky
Teorie duálové radiační akce - III
• Hustě ionizující záření (, neutrony) vytváří při průchodu elementárním objemem dvě subléze
• Počet primárních lézí je převážně úměrný dávce
Molekulárně - biologická teorie
Uvažuje, že poškození vzniká kombinací dvou primárních jevů odehrávajících se na dvojvláknech DNA.
Poškození je pravděpodobnostně závislé na počtu vzniklých zlomů a působení reparačních dějů
Účinky záření na buňku a tkáně
• Lze rozdělit do dvou skupin:Smrt buňky (buněčná deplece)Změna cytogenetické informace
Smrt buňky (buněčná deplece)
• Možnost usmrcení v interfázi: předpokladem je povšechná denaturace buněčných složek, tedy vysoká dávka záření
• Významnější typ: zánik vázaný na mitózu. Pozorován při menších dávkách záření.
• Poškození buňky se projevuje tím, že není schopna se dále dělit.
• Tedy smrtící účinek se nejvíce projevuje v tkáních, kde probíhá rychlé buněčné dělení.
Změna cytogenetické informace
• Záření vyvolává mutace• Gametické mutace: týkají se zárodečných žláz,
propagují se do dalších generací, zodpovědné za genetické účinky záření
• Somatické mutace: týkají se ostatních orgánů a tkání, projevují se u jejich nositele, mají vztah ke vzniku rakoviny
Vnímavost tkání k vyvolání akutních klinických změn (destrukce tkáně) - I
• Mírou je hodnota prahové dávky
• Zvláště vysokou radiosenzitivitu vykazují tkáně, které se rychle dělí - vysvětlováno tím, že mitotická smrt je převládajícím typem buněčné smrti v důsledku působení IZ
Vnímavost tkáně k vyvolání akutních klinických změn (destrukce tkáně) - II
• lymfoidní orgány, aktivní kostní dřeň, pohlavní žlázy, střevo
• kůže a epiteliální výstelky (hltan, jícen, žaludek, močový měchýř), oční čočka
• jemné cévy, rostoucí chrupavka, rostoucí kost• zralá chrupavka a kost, dýchací ústrojí, žlázy
zažívacího traktu, endokrinní žlázy• svaly, centrální nervový systém
Vnímavost tkání ke vzniku zhoubných nádorů po ozáření (vyvolání
cytogenetického efektu)
• Nejvnímavější na rozvoj nádorového bujení: kostní dřeň, žaludek, plíce
Vztah dávky a účinku
• Účinky deterministické - efekt při dosažení prahové dávky zákonitě nastává
• Účinky stochastické - se stoupající dávkou roste pravděpodobnost poškození
Deterministické účinky - I
• Charakteristická prahová závislost na dávce• Kvantitativní ukazatel, podle něhož lze odhadnout
následky ozáření, je prahová dávka• Klinický obraz se mění se stoupající dávkou - tedy
intenzita a zdravotní závažnost je závislá na dávce
• Základní patogenetický mechanismus - buněčná deplece
Deterministické účinky - II
Deterministické účinky - III
• Esovitý tvar křivky a existence dávkového prahu - v terčové buněčné populaci je funkční rezerva
• Z frakce kmenových buněk, které zůstaly životaschopné, je možná repopulace postižené tkáně
• Pokles buněčnosti s rostoucí dávkou zprvu nezpůsobí žádné účinky, efekt nastane až při překročení dávkového prahu
Deterministické účinky - IV
• Akutní nemoc z ozáření
• Akutní lokální změny
• Pozdní nenádorová poškození
• Poškození plodu in utero - není čistě deterministický
Stochastické účinky - I
• Vztah dávky a účinku odvozován z epidemiologických studií
• Prokázáno, že pro dávky, které jsou předmětem radiační ochrany, je na podkladě těchto dat možno formulovat hypotézu o bezprahovém a lineárním vztahu mezi dávkou a účinkem
• Zvýšení dávky spojeno s úměrným zvýšením pravděpodobnosti změn - platí i pro oblast nejnižších dávek
Stochastické účinky - II
Stochastické účinky - III
• Stochastický charakter - spočívá v tom, že lze předpovědět jen vzestup výskytu chorobných projevů v ozářené populaci, nikoliv u konkrétního jedince
• U žádného postiženého jednotlivce nelze rozpoznat, zda právě v jeho případě jde o důsledek ozáření
• Není typický klinický obraz• Patogeneze: mutace a maligní transformace
Stochastické účinky - IV
• Hlavní kvantitativní ukazatel umožňující hodnocení rizika - koeficienty rizika pro jednotlivé účinky, jimž v grafickém znázornění odpovídá různá strmost přímek
• Stochastické účinky: nádory a genetická poškození
Popis deterministických účinků
Deterministické účinkyakutní nemoc z ozáření - I
• Rozvíjí se po jednorázovém ozáření celého těla nebo převážné části vyššími dávkami pronikavého záření
• V závislosti na stupni ozáření převládají v klinickém obraze příznaky poškození krvetvorných orgánů, trávicího ústrojí nebo centrálního nervového systému
Deterministické účinkyakutní nemoc z ozáření - II
• Hematologická (dřeňová) forma• Vzniká po jednorázovém celotělovém ozáření
dávkou 1 - 6 Gy• První den - nespecifické příznaky (skleslost, bolest
hlavy, zvracení)• Časný nález v periferní krvi: pokles počtu
lymfocytů do 48 - 72 hodin
Deterministické účinkyakutní nemoc z ozáření - III
• Hematologická (dřeňová) forma - pokr.• Období 1 - 2 týdny: období latence (bez příznaků)• Klinický obraz rozvinuté nemoci: těžká porucha
krvetvorby s úbytkem periferních buněk a zhroucením obranyschopnosti organizmu
• Rozvíjí se obraz sepse s vysokými teplotami, vředovým zánětem sliznic a krvácivými projevy
Deterministické účinkyakutní nemoc z ozáření - IV
• Hematologická (dřeňová) forma - pokr.• Další průběh - závislost na dávce a schopnosti
úpravy krvetvorby z nepoškozených kmenových buněk
• Známky uzdravování po 6 až 8 týdnech• Při vyšších dávkách (6-10 Gy): rozvoj nemoci již
po několika hodinách s těžkým průběhem. Bez včasné intenzivní léčby - smrt kolem 20. - 30.dne
Deterministické účinkyakutní nemoc z ozáření - V
• Střevní (gastrointestinální) forma• Rozvíjí se při dávkách kolem 10 Gy• Příznaky již 4. - 6. den po ozáření, tj. dříve, než se
objeví krevní příznaky• Charakterizována krvavými průjmy, poruchou
hospodaření s vodou a minerálními látkami
Deterministické účinkyakutní nemoc z ozáření - VI
• Střevní (gastrointestinální) forma - pokr.• Může dojít ke komplikacím bezprostředně
ohrožujícím život - střevní proděravění nebo střevní zástava
• Příčina: odumření buněk střevní výstelky, jejichž odolnost je vyšší než u buněk krvetvorných orgánů, ale doba života je kratší (4 - 6 dní)
• Po přežití 7 - 10 dní - projevy poškození krvetvorných orgánů
Deterministické účinkyakutní nemoc z ozáření - VII
• Neuropsychická forma• Rozvíjí se při dávkách několika desítek Gy• Dostaví se metabolický rozvrat, psychická
dezorientace a zmatenost, porucha koordinace pohybů, křeče, bezvědomí
• Smrt během několika hodin nebo dnů
Deterministické účinkyakutní lokální změny - I
• Poškození kůže• Práh poškození od cca 3 Gy výše (pro fotonové
záření)• Odezva závislá na druhu a energii záření, na
velikosti pole a na lokalizaci terčové oblasti na těle
• Podle závažnosti projevů - 3 stupně popálenin vyvolaných IZ
Deterministické účinkyakutní lokální změny - II
• Poškození kůže – pokr.• Akutní radiační dermatitida 1. stupně• První zjistitelná reakce: časný erytém několik
hodin po ozáření, nejpozději do 2-3 dnů, doba trvání 24 hodin
• Období latence: 10-15 dnů• Pozdní erytém: 3. - 4. týden po ozáření, zduření i
hlubších vrstev kůže
Deterministické účinkyakutní lokální změny- III
• Poškození kůže – pokr.• Akutní radiační dermatitida 1. stupně - pokr.• Ve 3. týdnu: epilace - přechodná od dávky 3 Gy,
trvalá po dávce 6 Gy• Nejvnímavější partie: tam, kde se chlup (vlas)
často obnovuje - vlasatá část hlavy, ovousená část obličeje u mužů
• Nalezení míst postižených epilací - vodítko pro posouzení rozložení dávky
Deterministické účinkyakutní lokální změny - IV
• Poškození kůže – pokr.• Akutní radiační dermatitida 2. stupně• Práh nad 10 Gy• Pokožka se odděluje od pojivového podkladu
tekutinou vystupující z cév, vznik puchýřů• Komplikace odlučováním puchýřů a infekcí• V příznivém případě: po 2 - 4 týdnech obnova
pokožky z okrajů defektu
Deterministické účinkyakutní lokální změny - V
• Poškození kůže – pokr.• Radiační dermatitida 3. stupně • Při těžším poškození cév nebo při rozvoji infekce:
odumření okrsků tkáně a vznik vředu• Špatná hojivost hlubších vředů v důsledku cévních
změn v okolí, které mohou ohrozit i životnost hlouběji uložených tkání (svalstvo, kosti)
• Při zahojení - nová pokožka tenká, špatně odolává zátěži; při degenerativních změnách vznik pozdního vředu
Deterministické účinkyakutní lokální změny - VI
• Postižení fertility • Vztah dávky a účinku - esovitý průběh s
neurčitým prahem - v lidské populaci existuje variabilita v rezervě zárodečných buněk (např. u žen ve vyšších věkových skupinách postačí k vyvolání sterility nižší dávka)
• Odezva pohlavních orgánů na ozáření různá u mužů a u žen
Deterministické účinky akutní lokální změny - VII
• Postižení fertility - muži• Běžný terapeutický frakcionovaný režim (10 - 35
frakcí během 2-7 týdnů): přechodná oligospermie zjištěna při dávkách 0,1-0,3 Gy; přechodná aspermie u 100 % jedinců při dávkách 0,5 - 2 Gy
• Počet spermií klesne za 8-20 týdnů, regenerace v průběhu 1 - 3 let
• Při dávkách nad 3 Gy - možnost trvalé aspermie
Deterministické účinkyakutní lokální změny - VIII
• Postižení fertility - ženy• Do věku 40 let: frakcionované dávky do 1,5 Gy
nevedou ke zřetelné odezvě• S věkem pokles počtu ovariálních folikulů
zvýšení vnímavosti na ozáření (zánik folikulů se již nenahradí)
• Dávky 2,5 - 8 Gy: v závislosti na typu frakcionace sterilita u 60-70 % mladších žen, 100% u starších
Deterministické účinkypoškození plodu in utero - I
• Vyvíjející se zárodek = systém rychle se dělících buněk mimořádná citlivost na ozáření
• Poškození závislé na dávce a stupni vývoje plodu• V prvních dvou týdnech po oplodnění - zárodek
buď zanikne nebo přežije bez následků (princip „vše nebo nic“). Důvod: nízký stupeň diferenciace zárodku - zaniklé buňky mohou být plně nahrazeny buňkami z nepoškozené části
Deterministické účinkypoškození plodu in utero - II
• Období 3. - 8. týdne (období embryogeneze): vysoké riziko vzniku malformací
• Zvlášť citlivý je základ CNS - porucha může vést k deformitám postihujícím mozek, míchu, oko; často postižena kostra a močový trakt
• Období 8. - 15. týdne: při výbuchu atomové pumy v Japonsku - vyšší výskyt dětí postižených mentální retardací (pokles IQ cca 30 % na 1 Sv)
Deterministické účinkypoškození plodu in utero - III
• Poslední třetina těhotenství - plod relativně radiorezistentní - jeho smrt by zpravidla znamenala i smrt matky
• Uplatňuje se však takové poškození buněk, které nebrání dalšímu dělení a projeví se jako dědičné účinky nebo poškození v pozdním věku.
• Prahové hodnoty pro vznik malformací nejsou přesně známy. Klinické a experimentální studie možnost poškození od 100 mGy
Deterministické účinkypozdní nenádorová poškození - I
• Vznikají za podmínek protrahovaného ozáření
• Jsou charakterizovány dávkovým prahem,který je relativně vysoký vzhledem k časovému rozložení dávky umožňujícímu uplatnění reparačních procesů
Deterministické účinkypozdní nenádorová poškození - II
• Chronická radiační dermatitida• Atrofická forma - charakterizována suchou,
tenkou, hladkou pokožkou. Možno pozorovat poruchy pigmentace, dilataci cév, lomivost nehtů.
• Hypertrofická forma - sklon k rohovatění a ke vzniku sekundárních vředů
• Prahová lokální dávka alespoň 30-50 Gy
Deterministické účinkypozdní nenádorová poškození - III
• Zákal oční čočky• Vzniká po jednorázovém i dlouhodobém ozáření• Ke svému vývoji vyžaduje poměrně dlouhou dobu• Při jednorázovém ozáření řídce IZ práh 1,5 - 2 Gy;
doba latence minimálně půl roku, klinicky závažný stupeň - vývoj v období let
• Při protrahovaném ozáření (podmínky profesionální expozice) práh 4-6 Gy; doba latence alespoň dva roky
Deterministické účinkypozdní nenádorová poškození - IV
• Chronické poškození kůže
• Výskyt: u rentgenologů pracujících nekrytýma rukama v primárním svazku rentgenky
• Projevy: suchá křehká kůže, lomivost nehtů, podélné rýhování nehtů
Popis stochastických účinků
Stochastické účinkyzhoubné nádory - I
• Zdroj informací - dlouhodobé epidemiologické studie
• Např. po výbuchu atomové bomby v Japonsku: vyšší výskyt leukémie zaznamenán po 2 letech, nejvyšší byl v 5. - 15. roce , po 25 - 30 letech pokles na úroveň spontánního výskytu
• Prudký vzestup solidních nádorů zaznamenán až v období klesající incidence leukémie
Stochastické účinkyzhoubné nádory - II
• Hypotéza linearity a bezprahovosti umožňuje zavést jednotný kvantitativní ukazatel charakterizující kancerogenní účinek záření - koeficient rizika. Vyjadřován v10-4, tj. vztahuje se k ozáření 10 000 osob dávkovým ekvivalentem 1 Sv.
Stochastické účinkyzhoubné nádory - III
• Osa x - hodnoty dávkového ekvivalentu• Osa y - pravděpodobnost výskytu nádoru• Šrafovaná oblast - spontánní výskyt nádoru v
populaci• Odečteme-li na ose y hodnotu pravděpodobnosti
pro 1 Sv, získáme koeficient rizika výskytu nádoru rT - riziko absolutní.
Stochastické účinkyzhoubné nádory - IV
• Hodnoty rT nejsou však vhodným ukazetelem pro použití v radiační ochraně v důsledku různé závažnosti zhoubných nádorů různých orgánů a tkání.
• Proto zaveden koeficient úmrtnosti na nádor rT.gT, kde gT je faktor závažnosti - znamená frakci pacientů, kteří na nádor zemřeli
• Průběh rT.gT znázorněn na obr. čerchovanou čarou
Stochastické účinkyzhoubné nádory - V
• Nejnižší rT.gT - povrch kostí - 5. 10-4 Sv-1
• Nejvyšší rT.gT - žaludek - 110. 10-4 Sv-1
Stochastické účinky
genetické změny - I• Postižení potomstva exponovaných rodičů• Patogenetický základ - gametická mutace• Mutovaný gen schopen reprodukce při dělení
buňky - tím mutace předávána do dalších generací (odhaduje se na 40)
Stochastické účinkygenetické změny - II
• Základ budoucího jedince může velmi časně zahynout po vnoření do děložní sliznice matky - projeví se jako neúspěšné oplodnění
• Může dojít k vývoji zárodku - skončení těhotenství potratem, předčasným porodem, úmrtím novorozence nebo porodem dítěte s hrubou vrozenou vadou
• Koeficient rizika odhadnut na 130.10-4Sv-1
Děkuji za pozornost