Úvod do radiační patofyziologie Ionizující záření • Záření emitované radioaktivními nuklidy představuje proud hmotných částic resp. fotonů • Elektromagnetické nebo korpuskulární záření, které při průniku hmotou vyvolává ionizaci (musí mít dostatečně vysokou energii). • Energie je v rozmezí keV-MeV • Současně dochází k excitaci atomů a molekul prostředí Druhy ionizujícího záření • Korpuskulární α, β, neutrony • Elektromagnetické γ Ionizace vs. excitace M M+ + eM Mexcit • Oba typy interakcí jsou velice rychlé • Vznikají v poměru 1:2 • Záření není omezeno jen na radioaktivní nuklidy, ale stejně se chová i rtg záření, částice z urychlovačů i kosmické záření Ionizující záření • Pro IZ se velice často používají i jiné názvy • Jaderné záření • Radioaktivní záření Jednotky • Energie sdělená látce je podstatou všech metod měření IZ. • Veličinou vyjadřující velikost sdělené energie je dávka záření: D = dE/dm (J.kg-1) – Gray (Gy) V praxi se měřené dávky pohybují v širokém rozmezí • Dávkový ekvivalent = dávka * konstanta • Konstanta – γ, β, X = 1 – neutrony = 10 – α = 20 Jednotky 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 • ……… Chemické účinky ionizujícího záření • Nejlépe jsou prostudovány radiačně-chemické rce v kapalinách (méně pak v plynech a pevných látkách) • Pokud voda obsahuje rozpuštěný kyslík, probíhá následující rce: O2 + H HO2 O2 + e- O2 -. Kyslíkový efekt !! Biologické účinky ionizujícího záření • Přímé účinky = přímá destrukce biomolekul • Nepřímé účinky = tvorba volných radikálů radiolýzou vody • Schopnost reparace • Zásahové teorie matematický vztah mezi dávkou a účinkem Poškození DNA • Velice závažný stav • Poškození DNA se odrazí v syntéze poškozených proteinů • Reparační mechanismy DNA • Rozmnožovací schopnosti buněk Mechanismy poškození DNA Reparační mechanismy DNA • Přímá reparace • Excisní reparace • Mismatch reparace • SSB reparace • (DSB reparace) Systém oprav chybného párování bází u savců • Poškozený řetězec DNA obsahuje nesprávně párovanou bázi (T). • Toto nesprávné párování je rozpoznáno proteinovým heterodimerem MSH6MSH2 (MutS a). • Proteiny MLH1/PMS2 (MutL a) a PCNA (proliferační jaderný antigen) utvoří na DNA strukturu smyčky (angl. loop structure). • Enzymy DNA exonukleáza a DNA helikáza degradují tu část řetězce DNA, která obsahuje chybné párování. • Vzniklá mezera je poté doplněna díky replikačnímu aparátu správnou sekvencí bází. Závislost IZ na řadě faktorů • Dávka záření • Dávkový příkon • Druh IZ Účinky ionizujícího záření na lidský organismus • Stochastické účinky (prahová hodnota) • Deterministické účinky Deterministické účinky • Jsou takové, které se projeví po ozáření celého těla, nebo určité tkáně jednorázově • Závislost pravděpodobnosti výskytu určitého poškození na ekvivalentní dávce má esovitý charakter K deterministickým účinkům řadíme: • Akutní nemoc z ozáření (radiační syndrom) • Lokální akutní poškození kůže • Poškkození plodu • Poruchy plodnosti • Zákal oční čočky Stochastické účinky • Jsou důsledkem poškození malého počtu buněk • Mohou se projevit po jednorázovém ozáření podprahovou dávkou, nebo při chronickém ozařování tkáně nebo celého těla 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 Stochastické vs. Deterministické účinky – grafické znázornění 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 • Haematopoetický syndrom (>1Gy) – 1) retikulocytopenie, lymfopenie + granulocytóza – 2) granulocytopenie (→ immunodeficience) – 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 radiorezistentní, (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 ze sleziny) Embryo, fetus, germinativní bb. • Těhotenství – poškození plodu in utero – <3 týdny (blastogeneze) • “vše nebo nic” – genové a chromozomové mutace zpravidla vedou k abortu – 3. – 8. týden (organogeneze) • růstová retardace • teratogenní - kongenitální deformity – mikrocefalie, mikroftalmie, spina bifida, rozštěpy, … – 8. – 15. týden (časné fetální období) • mentální retardace • zvýš. náchylnost k nádorovým onem. u dětí (leukemie) – později • značná rezistence • Sterilita • spermatogeneze – dočasná sterilita u mužů • ovaria – nutná velká dávka k vyvolání sterility u žen • Germinativní mutace – vrozené abnormality Léčebné účinky ionizujícího záření • Teleterapie (60Co) • Kontaktní terapie (32P, 90Sr) • Brachyterapie (60Co, 137Cs) • Endoterapie (Na131I) • Radioimunoterapie Ionizující záření a medicína Diagnostika RIA Terapie