SUGÁRBIOLÓGIA I. DÓZIS = ENERGIA / TÖMEG
1. Besugárzási dózis (Db) (röntgen és γ sugárzás esetén) Db = ΔQ / Δm [egysége: Coulomb/kg]
Biológiai hatás - direkt és indirekt hatás Direkt hatás -
Találat Elmélet
Indirekt hatás -
Fricke féle doziméter Hígítási effektus
ΔQ → az azonos előjelű ionok össztöltése Δm → a térfogatelem tömege
2. Elnyelt dózis
(De) (bármelyik ionizáló sugárzásra)
De = ΔE / Δm [egysége: Joule/kg, 1 Gray, Gy] Emlősök túlélési görbéi A sugárhatás molekuláris elmélete
A 8.5 J/kg dózis az emberre halálos dózis
ΔE → az átadott energia mennyisége Δm → a térfogatelem tömege (1 C/kg = 33.7 Gy levegőben)
3. Közölt dózis (Dk) (bármelyik ionizáló sugárzásra) Dk = ΔE / Δm [egysége: Joule/kg, 1 Gray, Gy]
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.
ΔE → kezdeti kinetikai energia mennyisége Δm → 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!
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
Direkt hatás Találat Elmélet Poisson eloszlás
k k (V i ) λ -λ -Vi e e = Pk =
k!
k!
Túlélési görbe molekulákra és sejtekre Egy céltábla egy találat D37 és a molekula tömeg Több céltábla egy találat Több céltábla több találat
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
céltábla mol. súly =
7.28 x 1011 D 37
Túlélési görbe Na-K-ATPáz molekulasúlyát is meg tudták így határozni!
(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!
Több Céltábla Egy Találat m céltábla mindegyikét legalább egyszer el kell találni
P m = (1 - e- kD )
m
kD = 1, k = 1/D37 Kíséleti adatokból - az átlagos kölcsönhatás energia 75 eV. ⎛ 75 eV per esemény ⎞ céltábla méret (g) = k x ⎜ ⎟ 6.2 x 1013 ⎝ ⎠
N N0
= 1 - P m = 1 - (1 - e- kD )
m
a nagyobb dózisoknál az egyenlet egyszerűsíthető:
N N0
= m e- kD ln
N N0
= ln m - kD
Indirekt sugárhatás A víz radiolízise
Több Céltábla Egy Találat
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 )
Több Céltábla Több Találat m céltábla mindegyikét legalább n-szer el kell találni
N N0
= 1 - 1 - e- kD
mn
N0
n
= m e
Rekombináció (pl. H⋅ + OH⋅ → H2O) A radikálok biológiai hatása (pl.) R-H + H⋅ → R⋅ + H2
a nagyobb dózisoknál az egyenlet egyszerűsíthető: N
A radikálok párosítatlan elektronnal rendelkező reaktív molekulák, atomok pl. H⋅ , OH⋅
- nkD
ln
N N0
R-H + OH⋅ → R⋅ + H2O FRICKE féle doziméter
= ln m - n k D n
Fe2+ + OH⋅ → Fe3+ + OH-
Hígítási effektus Indirekt sugárhatás kinetikája
Az egy enzimmolekulára eső radikálok száma nő a hígítással
A radikálok többször reagálhatnak a céltáblával
A radikálok csak egyszer reagálhatnak a céltáblával
Vizes oldatban a sugárkárosodás 99%-át radikálok okozzák
A hígítási effektus egy bizonyos hígításon túl nem érvényesül Rekombináció!
SUGÁRBIOLÓGIA II.
Emlősök túlélési (halálozási) görbéi
Az emlős sejtek túlélési görbéit nem lehet értelmezni a céltábla elmélet segítségével A görbének logaritmizálva sem lesz egyenes szakasza
A sugárhatás molekuláris elmélete Lineáris - négyzetes modell Sugárérzékenység A sugárterhelés forrásai Az akut sugárbetegség fázisai
N/N0
Megbeszélés a hallgatók és az oktatók között Minden ÁOK-s csoportból 1-1 képviselőt, ill. a 11-15. és 16-20-as FOK-os csoportokból 1-1 képviselőt vár a Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet 2006. november 28-án, kedden du. 6-kor az Intézet diszkussziós termében (ÉTK 2. emelet, 2. fésű, 2.209-211-es szoba). A megbeszélésen ismertetjük a vizsgaidőszakkal kapcsolatos tudnivalókat, ill. a hallgatók kérdéseire válaszolunk.
Dózis, gray Emlős sejtek túlélési görbéi (A) HeLa, (B) CHO, (C) T1 sejtek
MAKROMOLEKULÁRIS CÉLTÁBLÁK A SEJTEKBEN Túlélési görbe (exponenciális!!)
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 Több Céltábla
1. A bázisok funkcionális csoportjai megváltoznak
Egy Találat
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).
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
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
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
B. A sugárzás kvalitása 1. Ionizációs sűrűség (LET) 2. Áthatoló képesség
S (DNS szintézis)
G1
A sejtciklus szintézis fázisának végén van egy ellenőrzési pont, amelyen a sejt csak a hibás DNS kijavítása után jut túl.
G2 (RNS szintézis)
G0 (nem osztódó) M (mitózis)
A sejtciklus fázisa DNS replikáció alapján
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
A SUGÁRTERHELÉS FORRÁSAI TERMÉSZETES ÉS MESTERSÉGES FORRÁSOK
E. Az oxigén hatása 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) (β) 40K (β) 87Rb (β) 14C
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 kozmikus sugárzás:
85 % proton, 14% α sugárzás, 1 % (Z=4 and Z=26) 3H, 7Be, 14C, 22Na, 32P, 35S, 36,38,39Cl
terresztikus sugárzás:
40K-238U
Orvosi célú sugárzások:
az országok technológiai fejlettsége
10 000 5 000
222Radon
• Színtelen, szagtalan, íztelen radioaktív nemes gáz legmagasabb forrás és olvadás pont
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
• oldékonyság
a kimutatható, de még tünetmentes) sugársérülés alsó határa
100
• kovelens kötések létesítése (oxigén or fluor)
Az éves dózis korlátok mSv/év 238U
and 226Ra
50
foglalkozási dóziskorlát (1993) természetes erdetű sugárterhelés a jelentős háttér sugárzással rendelkező területeken
Egészségkárosító hatás: bomlástermékek 20
foglalkozási dóziskorlát (ajánlott)
10 5
a lakossági dóziskorlát (1993)
2
a természetes sug. terh. átlagértéke Magyarországon
1
a lakossági dóziskorlát ajánlott
értéke
Latencia: AZ AKUT SUGÁRBETEGSÉG SZAKASZAI
2-3 Gy dózisnál 3-4 hét is lehet 10 Gy nincs latencia
Kritikus szakasz:
1. Kezdeti szakasz 2. Latencia 3. Kritikus szakasz 4. Regeneráció szakasza
magas láz vérképben elváltozások immunrendszer károsodása
genetikai eltérések kimutatása 0.15 Gy citogenetika 3-4 Gy egésztest dózis 60 napon belül halál
1. Kezdeti szakasz tünetei: hányás, étvágytalanság, émelygés, fejfájás, levertség, mozgáskordinációs zavar
A sugárbetegségsúlyosságának 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
Csernobil: 4.2-6.3 Gy 2-4 Gy
21 beteg 43 beteg
14 túlélő 42 túlélő
Regeneráció szakasza: kedvező lefolyás, a 3 szakasz tünetei visszafejlődnek
