Kémia – atomok, molekulák közti kölcsönhatások
Izotópok és radioaktív sugárzások
Kölcsönhatások szubatomi részecskék között
Radioaktív sugárzások biológiai hatásai. A sugárterápia alapelvei, megvalósítása
atommag
magfizika Vig Andrea 2009_02_16
Diagnosztikai és terápiás módszerek biofizikai alapjai PTE Biofizikai Intézet
Nucleus = atommag
{ proton neutron
A kémiai elemet határozza meg.
z
nukleon
a
z
protonszám
Proton – pozitív elektromos töltés Neutron – semleges, nincs elektromos töltése
elektromos erők:
{
Elektromosan töltött részecskék között: taszító és vonzó Kis távolságfüggés.
erős kölcsönhatás, magerő: VONZÓ! z z
Minden nukleon között. Nagyon kis hatósugarú.
Összeállnak, nem esnek szét! Az összes nukleon egy 100.000–szer kisebb térfogatba van bepakolva, mint az atom térfogat.
Pl: két nukleon egy atomnyi távolságra egymástól nem fejt erőt ki egymásra ki.
1
Izotópok Kémiai elemek atommagjait sok különböző formában megtalálhatjuk.
{
Hidrogén: 1 p+ + különböző számú neutron
z z z
Z: rendszám
hidrogén
Hidrogén - 1: 1H (1 p+) Hidrogén - 2: 2H (1 p+ + 1 n0) Hidrogén - 3: 3H (1 p+ + 2 n0)
deutérium tricium
Protonok száma
Z AE
M: tömegszám
Nukleonok száma
„nehéz” víz: D2O
Egy atommag stabilitását az összes nukleon közti erős vonzó-, és a protonok közötti elektromos taszító hatás határozza meg. A könnyű (alacsony rendszámú) stabil izotópokban általában a proton-, és neutronszám kevéssé tér el egymástól. 12
C (6 p+ + 6 n0)
13
Stabil
C (6 p+ + 7 n0)
11
C (6 p+ + 5 n0)
14
Instabil atommagok: - Újrarendezik nukleonjaikat, hogy egy stabil állapotba kerüljenek, követve az energiaminimumra való törekvést. - Magas energiájú fotont emittálnak. - Részecskét emittál, sugároznak. A részecskesugárzást radioaktiv bomlásnak nevezzük. Kisugárzott részecskék a bomlási termékek. Azokat az izotópokat, amelyek részecskét sugároznak radioizotópoknak nevezzük.
C (6 p+ + 8 n0)
Instabil
Radioaktivitás
Kb. ~ 40 természetes radioaktív izotóp létezik. A>80 fölött elvileg lehetséges az α bomlás.
2
Sugárzások: Plutónium 239Pu , 241Pu Urán 235U , 238U Kűrium 242Cm , 244Cm Amerícium 241Am Tórium 232Th Rádium 226Ra , 228Ra Cézium 134Cs, 135Cs , 137Cs Jód 129I, 131I , 133I Antimon 125Sb Ruténium 106Ru Stroncium 90Sr Kripton 85Kr , 89mn Szelén 75Se Kobalt 60Co Klór 36Cl Szén 14C Trícium 3H Radon 222Rn
Bomlási termékek energiáját általában eV-ban adjuk meg: Nagyságrend 1 eV = 1,602·10-19 J { Radioaktív bomlás : { kémiai kötések, látható fényfotonok:
MeV eV
Egy darab radioaktív bomlásterméknek annyi energiája van, hogy milliónyi kémiai kötést fel tud szakítani.
+ 0 z α: He atommagok 2 p + 2 n (Radon gáz)
z β: e- ; e+
elektron, pozitron ( Iodin131pajzsmirigyrák)
z γ: foton
Röntgen-sugárzás, gammasugárzás
z n0
Töltött részecskék (α, e-, e+) kölcsönhatnak az atomokkal elektromos kölcsönhatásban. Nagyobb valószínűséggel abszorbeálódnak, mint a gammafotonok. A test víztartalma 70%.
Rövidebb úton abszorbeálódnak.
Eg. 5 MeV α-részecskék --néhány cm levegőben, <0,01 cm vízben 1 MeV e-, e+ ---------------------------------0,4 cm vízben 1 MeV γ-photon ----------------------sok-sok cm vízben
Diagnosztikához a radioaktív bomlás során kisugárzott részecskének el kell hagyni a testet, hogy detektálni lehessen. A γ-foton az egyetlen bomlási termék, amely át tud hatolni megfelelő vastagságú testszöveten.
3
Minden radioaktív mag visszafordíthatatlanul bomlik, és ha elég időt adunk neki, stabil atommaggá válik. Azt azonban nem mondhatjuk, hogy egy radioaktív mag átlagos élettartammal rendelkezik.
Minden atommag saját valószínűséggel bomlik. Minden időperiódusban a bomlás valószínűsége állandó. Ezért az ún. felezési időt használjuk.
T1/2
Radioaktív bomlási törvény:
Felezési idővel:
N = N 0 ⋅ e − λ⋅ t
N0 = N 0 ⋅ e −λ⋅T1/ 2 2
λ ⋅ T = ln 2 ≈ 0,693
Egy radioaktív forrást az aktivitással tudjuk jellemezni, ami megmutatja, hogy egy szekundum alatt hány bomlás ment végbe.
[A ] = 1Bq = 1bomlás / sec A = A0 ⋅ e
− λ⋅t
Ha a mintában Nstart számú mag van, akkor a felezési után a megmaradt magok száma egyenlő ½ Nstart. Két felezési idő után ½* ½ =1/4 Nstart marad és így tovább ………….
A felezési idő megmutatja, hogy : - Hány
darab radioaktív mag maradt egy bizonyos idő eltelte után a mintában. - Mennyit sugároz a minta bármely időpillanatban.
Egy pillanathoz tartozó bomlások száma arányos az összes radioaktív magok számával. A felezési idő megmutatja, mennyi ideig sugároznak a radioaktív magok és így azt is mennyi ideig veszélyesek.
A medicinában radiofarmakonokat használunk: a radiofarmakont molekulához, vagy gyógyszerhez kötik. Az az idő, amíg a test megtartja a radiofarmakont, különbözik az izotóp felezési idejétől. Meghatározhatunk egy fizikai mennyiséget, amely megmutatja, hogy a test mennyi idő alatt tudja a radiofarmakon mennyiségének felét kiüríteni, anyagcserével. Ez a biológiai felezési idő, TB, A pontos értéke függ a test kémiájától és fiziológiájától, de egy kémiai elem összes izotópjára ugyanaz az értéke.
4
T1/2 a felezési időt néha fizikai felezési időnek is hívják, hogy megmutassák, hogy az csupán a magfizika fogalma.
Ha egyszer létrejött egy radioaktív mag, akkor ezt a radioaktivitást a bomlás törvény szerint tudja csak „leadni”. Nincs ismert mód ezen bomlás siettetésére. Orvosilag két feltételnek kell megfelelnie egy izotópnak:
A biológai „kiürülés” és a radioaktív bomlás együttesen határozza meg az ú.n. EFFEKTIV felezési időt, TE, ami egy radiofarmakon teljes kiürülést jellemzi a testből.
TE =
TB × T1/ 2 TB + T1/ 2
1; A detektálás alatt végig sugároznia kell (percek, napok, órák) 2; Kevés transzporttal, vagyis jól tárolhatónak és alacsony intenzitásúnak kell lennie.
Hosszú felezési idejű magok.
Sugárzás terápia és sugárzásbiztonság a medicinában Minden éveben, az egész világon 2,5 millió embert kezelnek ionizáló sugárzással a rákterápia részeként, és számos életmentő diagnosztikai vizsgálatot végeznek kis dózisú radioaktív mintával. Széleskörben elterjedt észrevétel azonban, hogy a sugárzás komoly veszélyt jelent: A sugárzást lehet diagnosztikára és rákterápiára, ill. más betegségekre is használni, de ennek ellenére magában is karcinogén és sugárzás betegséget okozhat.
A sugárkezelés lényegét: nagy energiájú ionizáló sugárzás gyógyító célú alkalmazása képezi. A sugárzás az örökítő anyag (DNS) károsítása révén gátolja a sejtosztódást. - nem szelektív, és mind az ép, mind a daganatos sejteken egyaránt érvényesül. Tekintettel azonban, hogy a daganatokban általában nagyobb az osztódásra készülő, vagy osztódásban lévő sejtek száma, a daganatoknak a normál szöveteknél rendszerint nagyobb a sugárérzékenységük.
5
Dózisfogalmak
Sugárzás mérés Általánosan egy gyógyszer mérgező hatását a letális dózis LD50/30 fogalmával lehet megadni: ez azt a gyógyszermennyiséget jelenti, ami a populáció 50 % -t megöli 30 napon belül . Sajnos ez nem jó mennyiség a sugárzások meghatározására. Nagyon magas dózisok gyorsan halálhoz vezethetnek, de sok olyan kockázati tényező is van, amely éveken át nem fejti ki hatását.
A keresett mennyiségnek ki kell fejeznie mennyi sugárzás érte a testet, mennyi abszorbeálódott abból és mik a sugárzás, ill. az abszorbció fiziológiai hatásai.
Fizikai dózisfogalmak: z Dózis: elnyelt energia, vagy abszorbeált energia D:egységnyi tömegű test által elnyelt energia D=ΔE/ Δm, J/kg=Gy (gray) Nehezen mérhető. z besugárzási dózis: egységnyi tömegű levegőben rtg, vagy gamma-sugárzás által elektronegyensúly esetében kiváltott pozitív, vagy negatív töltések mennyisége X= ΔQ/ Δm, C/kg
Származtatott dózisfogalmak:
Biológiai dózisfogalmak: z Egyenértékdózis: legyen DT,R a T szövetben az R sugárzásból származó elnyelt dózis. A különböző sugárzások eltérő biológiai hatásosságát a sugárzási tényezővel wR vesszük figyelembe, így az egyenértékdózis: H=∑wR*DT,R Mértékegysége: J/kg=Sv (sievert) z Effektív dózis: az egész testet ért károsító hatás mértéke: E=∑wT*HT (sv)
Kollektív dózis: Ismert létszámú embercsoport összesített sugárdózisa az egész testre, vagy szervekre kiszámolva, egy adott sugárzásból egy bizonyos időtartam alatt. S=∑Ni*Ei Dózisteljesítmény: a biológiai válasz az időbeli lefolyástól is függ. Kis dózis teljesítményeknél a biológiai károsodás általában kisebb. Ha a ~ csökken, a besugárzási idő meghosszabodik, és több idő marad a nem halálos károsodások kezelésére.
6
A sugárterápia megvalósítása: Sugárterápiás kp.: minimumfeltételek – épület, telepítendő gépek Betegfelvétel után: előszimulálás – pontosan ugyanaz az elhelyezkedés a terápia ideje alatt Tervezéses CT vizsgálat: natív, (kontraszt anyag néküli) Besugárzási terv: asztal, besugárzó fej, kollimátor beállításainak computeres rögzítése, sugárterhelés minimalizálása A sugárterápiás orvos a daganat helye és típusa szerint állapítja meg sugárzás fajtáját, a besugarazandó területet, térfogatot, a sugárkezelés összdózisát és az egy alkalommal leadott dózist, melyből aztán ki lehet számítani a sugárkezelés tartamát, vagyis azt, hogy hány kezelésre lesz szükség.
- Külső sugárforrás - Felszínre helyezett sugárforrás: pl. szem, melanoma - szövetek közti sugárforrás: emlőbe, prosztatába bevezetett katéteren keresztül - üreges szervbe helyezett ún. belső besugárzás: nőgyógyászati daganatok, légcső, végbél
Külső sugárforrásként szolgáló készülékekkel történő sugárterápia során rendszerint hetenként öt kezelést végeznek és a sugárkezelés 6-7 hétig tart. A szükséges sugárdózist kisebb adagokba elosztva adják le a besugározandó területre (frakcionált sugárterápia).
A különböző daganatok különböző sugárérzékenységűek, a szövetek sugárterhelhetősége is különböző. - kis térfogat, nagyobb dózisú besugarazása ¾ funkció kiesés nélkül végezhető el, ¾ teljes szerv sugártűrő képessége kicsi ¾ máj vagy a vese - kis térfogat, nagyobb dózisú besugarazása ¾ súlyos következményt ¾gerincvelő ¾ teljes szerv besugarazása megengedett
- A jód-131-es izotópot lehet használni terápiás kezeléseknél, azonban diagnosztikában kevésbé hasznos, mivel nemcsak gamma fotonokat, hanem béta részecskéket is sugároz. - A jód-123-s már csak gamma fotonokat sugároz, a pajzsmirigyet például ezzel vizsgálják. - A leggyakrabban használt izotóp a technécium-99 a nukleáris medicinában, csontrendszer, hólyagrendszer, tüdő, szív, máj pajzsmirigy vizsgálatokra. (Szcintimammográfiában is ezt használják a mellben található tumorok detektálására. ) - A xenon-133 gáz, amit a tüdők, és a légzőrendszer vizsgálatára használnak, gallium-67 a tumorok felfedezésére használható. Ga-67, és az indium-111-t antitestekhez kötve is lehet használni, így testidegen anyag, illetve az immunrendszer védekezőképességét lehet vele felmérni. - A szív funkcionális vizsgálatát a káliumhoz kötődő tallium-201, rubidium-81, és a rubidium-82 –t használják. - A filtrációs, szűrési rátája a radiofarmakonoknak információt szolgáltat a vesék működéséről. (transzplantáció után, eldugulásokkor)
7
Mellékhatások: Szervezetünkben - a csontvelősejtek, - az emésztőtraktus (szájüreg, nyelőcső, gyomor, bél) nyálkahártyájának sejtjei, - az ivarszervek (petefészek, ill. here), - továbbá a szőrtüszők és hajhagymák sejtjei azok,
amelyek folyamatosan, gyorsan szaporodnak. A kemoterápiás kezelések során tehát az egészséges sejtek közül főként ezek károsodnak. Hányinger, hányás, szájszárazság, az ízérzés zavara, étvágytalanság, hasmenés, gyengeség, hajhullás. További gyakori mellékhatások a vérzékenységre, fertőzésekre való fokozott hajlam, és a gyengeséget okozó vérszegénység
8
