Ústav patologické fyziologie LF MU1
Experimentálně navozený akutní radiační
syndrom u pokusného zvířete
Co je to ionizující záření?
částicové nebo
elektromagnetické záření, kdy
částice/foton nesou dostatečnou
energii k ionizaci atomů a
molekul (odstraněním elektronu z
jejich orbity)
produkuje elektricky nabité částice (=
ionty)
ionizace je v makromolekulách, z nichž
je složen organizmus, biologicky velmi
významná
Typy ionizujícího záření?
 = –částice (atomy Helia)
 = elektrony nebo positrony
 = elektromagnetické vlnění
(fotony)
neutrony
Jednotky?
dávka ionizujícího záření kterou osoba obdržela se vyjadřuje
jako absorbovaná energie, jednotkou je gray (Gy)
1Gy = 1 J/kg (dříve rad)
stejná dávka v Gy různých typů záření způsobuje různý
biologický efekt (1Gy -radiace má větší efekt něž 1Gy -záření)
→ radiační efekt se vyjadřuje jako efektivní dávka, jednotkou je
sievert (Sv)
bez ohledu na typ záření, 1 Sv vede ke stejnému biologickému efektu
příklad: 1Gy=1Sv pro - nebo -záření, 1Gy=10Sv pro neutrony a 1Gy=20Sv
pro -záření
rychlost radioaktivního rozpadu radioaktivní látky vyjadřují
jednotky becquerel (Bq)
1 Bq=1 atomický rozpad/s
Co je to radioaktivita?
většina atomů je stabilních: uhlík-12 nebo kyslík-16
některé mají přebytek vnitřní energie a spontánně se rozpadají za
vzniku nových prvků =“radioaktivní rozpad”
při rozpadu se přebytek vnitřní energie uvolňuje jako -záření nebo částice
Zdroje ionizujícího zařízení?
Přirozené
kosmické
expozice roste s nadmořskou výškou
solární
zejm. -záření
pozemské zdroje
radioaktivní rozpad přirozených radioizotopů
(půda a skála)
Radon
plyn, vzniká rozpadem Radia-226 (z uranu)
má největší podíl na celk. dávce ionizujícího
záření
Arteficiální
medicína
diagnostika, terapie, sterilizace
průmyslové
nukleární energetika
zemědělství
………
Biologický efekt a následky
ionizujícího záření?
Přímá ionizace makromolekul
Nepřímo prostřednictvím “radiolýzy”
vody
volné kyslíkové radikály
Důsledky:
blokáda cyklu → apoptóza
mitotická či post-mitotická smrt
(proliferující bb.)
mutace (genová či chromozomová)
reparace
nereparovaná změna
Typy a důsledky lézí DNA?
bodové mutace
DNA reparace: mismatch repair
single strand breaks (SSB)
DNA reparace: base excision repair
double strand breaks (DSB)
letální (apoptóza)
DNA reparace: homologní rekombinace (někdy)
jindy nehomologní připojení
translokace
inzerce
DNA reparace
(in situ reparace)
excisní reparace
base excision repair
nucleotide excision repair
mismatch repair
Charakter biologického účinku
Deterministický
závažnost závisí (“je determinována”) na
dávce
manifestace specifická
poškození typických tkání a orgánů
efekt se objevuje jen při překročení prahové
dávky
poškození je důsledkem zániku velkého
množství buněk
nástup příznaků brzy po expozici (krátká
latence)
typy:
akutní radiační syndrom (ak. nemoc z
ozáření)
celotělové ozáření dávkou >1Gy
chronický post-radiační syndrom
(celkově nebo lokálně)
sterilita, katarakta, radiační
dermatitida, alopecie, endarteritis
obliterans, pneumonitis, …
poškození plodu in utero
Stochastický
pravděpodobnost roste s dávkou (ne
závažnost!)
manifestace nespecifická
poškození různých tkání a
orgánů
plynulý nárůst rizika bez “bezpečné”
prahové dávky
k efektu stačí poškození jediné buňky
manifestace opožděná (dlouhá latence,
typicky roky)
typy:
somatické mutace - nádory
leukemie, št. žláza, plíce, ml.
žláza, skelet
germinativní mutace (oocyt,
spermie) – vrozený genetický
defekt
Deterministické  stochastické
Akutní radiační syndrom
postihuje hematopoetický,
gastrointestinální a cerebrovaskulární
systém
časový průběh, rozsah a závažnost odstupňovaná
podle dávky → deterministický efekt!!!
od několika hodin do několika měsíců po
expozici
Akutní radiační syndrom
Hematopoetický syndrom (>1Gy)
1) retikulocytopenie, lymfopenie + granulocytóza
2) granulocytopenie (→ imunodeficience)
3) trombocytopenie (→ krvácivost)
4) anemie (→ hypoxie)
GIT syndrom (>10Gy)
časný (hodiny) – nevolnost, zvracení, diarrhea
pozdní (dny) – ztráta intestinální integrity
malabsorpce, dehydratace, toxemie/sepse, ileus, krvácení
Cerebrovaskulární syndrom (desítky Gy)
bolest hlavy, porucha kognitivních funkcí, dezorientace, ataxie, křeče, vyčerpání a hypotenze
Kožní
erytém, popáleniny, edém, porucha hojení ran
epilace
Hematopoetický syndrom
ozáření kostní dřeně (>1Gy) vede k
exponenciálnímu zániku buněk hematologická
krize
hypoplazie až aplazie dřeně + periferní
pancytopenie (infekce, krvácení)
subpopulace kmenových bb. je
selektivně více radio-rezistentní,
(pravděpodobně díky převaze bb. v Go
fázi)
nezbytné pro regeneraci
anemie je pozdním důsledkem
(erytrocyty ~120 dní)!
masivní stresová reakce
(glukokortikoidy) přispívají k lymfopenii
(cytolytický efekt) a paradoxně oddalují
nástup granulocytopenie (uvolnění
zásob. granulocytů z dřeně a sleziny)
Exemplární příklad?
Super quick explanation of the what the Chernobyl nuclear disaster and reactor number 4 including it’s timeline of events in the seconds and
minutes and days following April 26th, 1986 and what radioactivity is
Origin Relationship w/ territory Place w/in Food Web
Originates w/in
zone
Originates outside
of zone
Lives on/in ground
Lives above ground
Higher in web
Lower in web
Gulakov, Andrey Vladimirovich 2014. Rask, Martti 2012.
Bioakumulace
EXPERIMENTÁLNĚ NAVOZENÝ
AKUTNÍ RADIAČNÍ SYNDROM U
POKUSNÉHO ZVÍŘETE
Praktikum:
Cíl praktika
na hematologických parametrech dokumentovat deterministickou
povahu účinků záření
sledovat dynamiku změn periferního krevního obrazu jako následku
zněm b kostní dřeni
akutní radiační syndrom je modelovou situací, na které lze ukázat
princip regulace hematopoezy
Praktikum I - design
Praktikum I – operační postup
Praktikum I - hodnocení
Účinky ionizujícího záření na
krvetvornou tkáň
Praktikum II – hodnocení nátěrů
periferní krve
Kontrolní otázky
Co je to ionizující záření?
Co je to radioaktivita?
Čím jsou zprostředkovány biologické efekty ionizující záření?
Typy biologických efektů záření + příklady?
Hematopoeza
Krvetvorná tkáň = kostní dřeň
kostní dřeň
(1) krvetvorné bb.
(2) hematopoetické stroma – nezbytně nutné k normální
produkci krevních bb.
fibroblasty, adipocyty, makrofágy, T-lymfocyty, vazivo, tuk
vlastní krvetvorné bb. – kmenové bb.
pluripotentní hematopoetické kmenová buňka
diferenciace do všech řad + sebeobnova !!!
nejasný fenotyp – antigenní klasifikace CD34+
ve dřeni <0.01%
progenitorové (determinované) kmenové bb.
nemají schopnost dlouhodobé sebeobnovy
nejasný fenotyp – klasifikace podle schopnosti tvořit
kolonie (CFU-E, CFU-M, CFU-G, CFU-Meg, …)
prekurzory krevních bb.
jasný fenotyp (morfologie, histochemie)
ve dřeni ~90%
proerytroblast – bazosilní erytroblast – polychromatofilní
erytroblast – ortochromní erytroblast – retikulocyt - erytrocyt
myeloblast – promyelocyt – myelocyt – metamyelocyt –
granulofcyt (tyčka)
promonocyt – monocyt
megakaryoblast - megakaryocyt
zralé elementy
základními vlastnostmi KB jsou
schopnost sebeobnovy
tj. dělení bez diferenciace (asymetrické)
produkce specializovaných bb.
(regenerace tkání)
typy KB
zralé KB (pluripotentní)
adultní, somatické
jednotlivé KB dávají vznik
omezenému repertoáru bb.
např. hematopoetické KB,
mesenchymální KB, …
časné KB (toti-/omnipotentní)
embryonální (blastocysta)
dávají vznik všem typům buněk těla
jako jediné nepotřebují ke stimulaci
dělení růstové faktory, u všech
ostatních je buněčný cyklus
startován mitogeny
Kmenové buňky
Kmenové buňky
Somatické kmenové buňky
lokalizovány ve většině tkání těla jako
zdroj buněk pro neustálou sebeobnovu a
nahrazování
jsou pluripotentní
dávají vznik všem bb. konkrétního typu tkáně, ne
však jiného (tuto schopnost mají pouze
embryonální KB)
nicméně ukazuje se, že jistá univerzalita
je možná
Regulační faktory hematopoezy
souhra působení faktorů
autokrinních, parakrinních a
endokrinních
endokrinní
erytropoetin (ledviny)
trombopoetin (játra)
cytokiny
para-/autokrinní
hematopoetické růstové faktory
(cytokiny)
produkovány buňkami
stromatu, např. CSFs (colonystimulating
factors)
Erythropoetin (EPO)
90% kyslíku v organizmu je využito pro ox.
fosforylaci → produkci ATP
kyslík je ve vodě relativně nerozpustný → Hb
umožňuje transportovat krví 100 více kyslíku než
by bylo možné pouze ve fyzikálně rozpuštěné
formě
EPO je hl. regulátorem konc. Hb a tedy
dostupnosti kyslíku
1893 – vysokohorské prostředi (Alpy) vede k  Hb u lidí
→ hypoxie!
1950 – humorální faktor produkovaný ledvinami
stimulující eryrtropoézu
bilaterální nefrektomie u krys vedla k anémii
1977 purifikace EPO z moči pacienta s aplastickou
anémií
1983 naklonování genu pro EPO → produkce
rekombinantního EPO (epoetin)
dlouhodobá léčba renálního selhání a některých
anemií
produkce EPO – peritubulární fibroblasty ledviny
(hluboký v kortex a vnější kůra)
proč ledvina?
fylogeneze – u nižších organizmů je ledvina
hemopoetický orgán
ci´tlivější sensing skutečného obsahu Hb a tedy
kyslíku (po separaci plazmy a kr. elementů) při glom.
filtraci
Krevní obraz – ref. hodnoty
Muži Ženy
počet Ery [RBC] (1012/l) 4.2 – 5.8 3.8 – 5.2
počet Leu [WBC] (109/l) 5 – 10
počet Tromb (109/l) 150 - 400
hematokrit (%) 0.38 - 0.49 0.35 – 0.46
hemoglobin (g/l) 135 – 175 120 - 168
stř. objem Ery [MCV] (fl) 80 - 95 80 - 95
prům. obsah Hb v Ery [MCH] (pg)
MCH = Hb  10/RBC
27 - 32 27 - 32
prům. konc. Hb [MCHC]
MCHC = Hb  100/hematokrit
0.32 – 0.37 0.32 – 0.37
distribuční šíře Ery [RDW] (%)
variace velikosti Ery – míra anizocytózy
11 - 15
Buňky periferní krve
Diferenciální rozpočet bílé krevní řady
(“diferenciál”)
Praktikum II