Az ionizáló sugárzás biológiai hatásai
Az ionizáló sugárzás biológiai hatásai –Determinisztikus hatás –Sztochasztikus hatás
Dr. Sáfrány Géza OSSKI
A víz radiokémiája
Az Ionizáló Sugárzás Direkt és Indirekt Hatásai Közvetlen hatás
Közvetett hatás
HX
Törés HX
H2 O
eaq + H2O+ Ionizáció (eaq = hidratált elektron) H2O
OH + H Excitácót követő disszociáció
HX HX
HX
H2 O
Szabadgyök (OH)
HX
.
HX
Törés HX
HX
Mindkét termék visszaalakulhat H20-vá, Szekunder reakciók következtében H2, és oxygén jelenlétében pedig, H2O2 keletkezhet. Lelassult szabad elektronok hidratálódnak (eaq). Egyéb jelentős reakciók: OH + OH
H2O2
H2O + H2O+
H3O+ Oxonium ion + OH
OH , H2O2 oxidáló, eaq, H és H2 pedig redukáló hatásúak
Az ionizáló sugárzás sejtpusztító hatása, az ionizáló sugárzás sejten belüli célpontjai
A DNS károsodások típusai –Egyláncú törés –Kétláncú törés –Báziskárosodás –Bázis veszteség
Báziskárosodások típusai (timin) O
O
CH 3 HN OH H O N OOH
CH 2 H
N O
N
H-lehasítás a metil-timinről
–Részleges denaturáció 5-hydroxy-6-hydroperoxythymine –Összetett bázis károsodás O CH3
HN
A DNS a fő célpont a sejthalál, mutáció és karcinogenezis szempontjából. Más sejtalkotók, pl. membránok szintén célpontok lehetnek, de a folyamatok kevésbé értettek, kevésbé jelentősek.
DNS Károsodások Ágens Lézió LD37-re számított léziók száma Ionizáló sugárzás Egyláncú-törés 1000 Kétláncú-törés 40 Bázis károsodás 1000 Lokális többes lézió 440 DNS-protein kötés 150 Bleomycin Egyláncú-törés 150 Kétláncú-törés 30 UV light Thymin dimerek 400 000 Egyláncú-törés 100
–Intramolekuláris keresztkötés –DNA-protein keresztkötés
O
N
NH N
Timin dimer (csak UV)
A sejtek sugárérzékenysége a jelentős mértékben a kétláncú DNS töréseket kijavító folyamatok eredményességétől függ
A sugárérzékenységet jelentős mértékben befolyásolja a sejtciklus, a sejtosztódás: nyugalmi állapotban lévő sejtek sugár-rezisztensek, osztódó sejtek
Ionizáló Sugárzás hatása a Sejtekre: sejttúlélés
sugár-érzékenyek.
• Reproduktív sejthalál: A sejtek osztódás közben pusztulnak el a genetikai károsodások következményeként.
• • Apoptózis: osztódás elötti (interfázikus) sejthalál (pl. lymphocyták) már ~ 1 Gy-re.
A ki nem javított kétláncú DNS törések miatt a sejtosztódás során jelentős mennyiségű genetikai információ esik ki a sejtekből, azok elpusztulnak
Sugársérülések kialakulási mechanizmusa (1)
Hő
Ionizáció és Excitáció
Kémiai “Repair” (energia elnyelés)
Kémiai változások
(szabadgyökök, stb)
Károsodás a könnyen helyettesíthető biomolekulákban
Biológiai károsodás a DNS-ben
Sugársérülések kialakulási mechanizmusa(2) Enzimatikus DNS Repair
Sejtpótlás
Apoptózis Sejtciklus zavarok
DNS károsodás
Nem, vagy roszszul javított károsodás
Klonális sejthalál
A sugárbetegség korai és késői tünetei
Fejlődési rendellenességek Öröklődő genetikai hatások
Mutációk
(sztochasztikus)
Ionizáló sugárzás Malignus átalakulás < 1 microszekundum
percek - órák
napok - évek
Daganat
(sztochasztikus)
A sejtpusztító hatást módosító tényezők: lineáris energia transzfer
A relatív biológiai hatás (RBE)
Egy adott sugárzás biológiai hatása a 250kV rtg sugárzáshoz viszonyítva Az RBE-t vesszük figyelembe az egyenérték dózisnál
– Lineáris energia transfer (LET) az egységnyi úthosszon leadott energia (keV/μm)
A sejtpusztító hatást módosító tényezők: oxigénhatás
A sejtpusztító hatást módosító tényezők: sugárvédő anyagok
Hatásmechanizmus: Ionizáló sugárzás során keletkezett szabadgyökök semlegesítése Természetes sugárvédő anyagok: szulfhidril vegyületek, pl. glutation, cisztein Szintetikus sugárvédő vegyületek: az SH csoportot foszfát csoporttal fedték le (amifosztin)
Amifosztin 1. szabadgyök fogó (oxigénnel kompetícióban), ⇒ sugárvédő hatás jelentős mértékben függ a szöveti oxigén parciális nyomásától 2. közvetlenül is reagál az oxigénnel, helyi hipoxiát hoz létre 3. hidrogéndonor, elősegíti a DNS lánc kémiai javítását 4. elősegíti a DNS lánc becsomagolódását, csökkentve a szabadgyökök hozzáférését a DNS lánchoz 5. befolyásolja a DNS szintézist, repairt, gén expressziót, sejt ciklusban való progressziót ⇒ antimutagén hatás
A kis dózisok sztochasztikus hatásait nem ismerjük?
Amifosztin sugárvédő hatása
A kis dózisok biológiai hatásaira extrapolációval következtetünk
A jelenleg a lineáris küszöbdózis nélküli modell az elfogadott
Microbeam besugárzás alkalmazása a nem DNS célpontú hatások kimutatására
A DNS az egyetlen célpont???
Bővített fokozatú sugárvédelmi ismereteket frissítő tanfolyam OSSKI, 2011. szeptember 27-28.
A citoplazma besugárzásának hatásai A DNS és nem DNS célpontú hatások túlélés
mutációk •Sejthalál •Mutációk •Genom instabilitás •Bystander hatás •Adaptív válasz
A nem-DNS-célpontú hatások dózis-függése nem hagyományos
A nem DNS célpontú válaszok alapvetően befolyásolhatják az ionizáló sugárzás következményeit a kis dózisok tartományában
klasszikus hatás
% hatás
nem-DNS célpontú hatás
Sugár dózis
Genom instabilitás: az egészségesnek látszó sejtek utódaiban generációkkal később megnő a mutációk gyakorisága
Genom instabilitás az ivarsejtekben
A mikroszatellit DNS mutációk megnőtt gyakorisága a besugárzott hím egerek utódaiban legalább az F2 generációig kimutatható
„Szomszédsági-hatás”: változások a közvetlen sugársérülést el nem szenvedett sejtekben is kialakulhatnak
•Sejthalál •Mutációk •Genom instabilitás •Adaptáció
Bystander hatás
Szomszédsági hatás sejtkultúrában I: besugárzott sejtek túlélése
Szomszédsági hatás sejtkultúrában II: malignus transzformáció a nem besugárzott sejtekben is 100%
10%
10% sejtmag
100% sejtmag
Szomszédsági hatás in vivo körülmények között: a csernobili sugársérültek vérének klasztogén hatása
Az adaptív válasz csökkenti a sugárhatás következményeit: pozitív sugárhatás???
Olivieri G, Bodycote J, Wolff S. Adaptive response of human lymphocytes to low concentrations of radioactive thymidine. Science. 1984 Feb 10;223(4636):594-7
In vivo adaptív hatás: a kis dózisú egésztest besugárzás csökkenti a metasztázis hajlamot
Összefoglalás
•Jelenleg nincs arra vonatkozó bizonyíték, amely a sztochasztikus sugárhatás lineáris, küszöbdózis nélküli modelljét érvénytelenné tenné. •Sugárhatásra kialakuló mutáció nem egyenlő daganatképződéssel •A nem DNS célpontú hatások módosíthatják az ionizáló sugárzás biológiai következményeit.
