MUNI MED Úvod do radiační patofyziolog 1 Ústav patologické fyziologie onizující záření • záření emitované radioaktivními nuklidy představuje proud hmotných částic resp. fotonů • elektromagnetické nebo korpuskulárni záření, které při průniku hmotou vyvolává ionizaci (musí mít dostatečně vysokou energii). • energie je v rozmezí keV-MeV (eV = elektronvolt) • současně dochází k excitaci atomů a molekul prostředí • pro IZ se velice často používají i jiné názvy (jaderné záření, radioaktivní záření) Druhy ionizujícího záření korpuskulárni (a, ß, neutrony) elektromagnetické (y) 00 ALPHA _ jfr SETA (fíí 1 Í^UTRONS......\ T H II g d ■ 1>* L 'S: r ■ % w Alpha P O Beta T Gamma Paper Aluminum Druhy ionizujícího záření infračervené viditelné ultra- rentgenové Vlnová délka [m] Jednotky ionizujícího záření podstatou všech metod měření IZ je energie předaná iátce (látkou absorbovaná) veličinou vyjadřující velikost absorbované energie je dávka záření: D = dE/dm (J.kg1) - Gray (Gy) dE - střední energie ionizujícího záření absorbovaná objemovým elementem látky, dm - hmotnost objemového elementu Jednotky ionizujícího záření • Dávkový ekvivalent (ekvivalentní dávka, H) v uvažované tkáni je dán součinem absorbované dávky D v daném místě a konstanty Q: H = QxD Sv (Sievert) • Konstanta • y, P, x = i • neutrony = 10 • a = 20 Jednotky ionizujícího záření SIMPSONŮV PRŮVODCE ZARENIM Bequerel [Bq] Jak jasně tvé Cesium svítí (intenzita záření) Gray [Gy] Jak jasně tě tvé Cesium rozzáří. (dávka záření) Sievert [Sv] Kolik budeš mít očí navíc po ozáření? (dávkový ekvivalent) Zdroje ionizujícího záření • elektomagnetické záření • zdroje y záření: radioaktivní nuklidy (241Am, 109Cd, 57Co,...) • zdroje rentgenového (X) záření: rentgenové lampy. Radioaktivní nuklidy, urychlovače elektronů • elektronové záření • radioaktivní nuklidy emitující (3 částice, urychlovače elektronů (3H) • pozitronové záření • radioaktivní nuklidy emitující pozitrony (22Na) Zdroje ionizujícího záření přirozené • kosmické • expozice roste s nadmořskou výškou • solární • zejm. y-záření • pozemské zdroje • rádioaktívny rozpad přirozených radioizotopů (puda 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 220.000 BqiV g mxrc 120.000 BOA« •'c-" 16.000 BVkQ*—™ Radiation in the Environment I around Fukushima Daiichi NPS Source. MEXT, U.S.DOE, and others 9.810 BcV^jW--iÄJBa/Vfl»»«» • _ • 18.600 BOAC."""1 503 BQAgnpiM 10.0 BO/t. 3.6 U0 ^/ \tUi*3Ó*m ft - PI \ • „ 442B0AI*-« 10BQ/VgMKT.a " 1- —IT ř I / i,rooBt»vgM»=»«Ič'"o ^» NDw»« 180 OBO/L «•*■•» 63.3 BOA "> 30 5 BOL .H" "i 63 3 Bat •>!»«"> 11 4BalMil H 40 0Bal oot.-x-. io 7 «yt m*« \ 63 0 BQlKmS 38 G BQ-_i\« "i ii jBayi »•»» NO 22 000 DqVg u> | reoBO/vgi**>« 1?1 Air Dose Rate over i meter above Ground Level (microSv/ri) Normalized to April 29 ■■■ 10-91 05-10 38 08 I 1.0 - 3.8 I 1:0-1.0 ) oaow id no am Data Max. Value (Bo/L) of Cesium 137 Concentration in Seawater (Surface) up to May 7 ■ Sa-nptng Port Max V3U0 Latoct vaue Net Not □oecwa Max. and Min. Values (Bq/Vql of Cesium 137 Concentration in Land Soil up to May 9 0 Camping Port ■■■■■■ tAc. VMuB NO NOt OOMCtBO Místa měření radiace v okolí - stav k 29.4.2011 Místa měření radiace v okolí - stav k březnu 2012 Příklady expozic ionizujícímu záření Expozice (micro sie vert - JlSv) j cca 10 000 ^Sv/rok Pláže Guarapari Brazílie 3 200 H-Sv/rok Přírodní ozáření na osobu za rok (ČR) 600 p,SWvyšetření RTG skiaskopické vyšetření břicha cca 200 li Sv/1et Let Tokyo - New York - Tokyo (expozice je různá pro různé výsky letu) 20 jiSvŕsnímek RTG snímek hrudníku 200 000 jiSv/rok Limit pro zasahující osoby (osobní dávkový ekvivalent) 100 000 >lSv/5 let 50 000 H-Sv/rok Limity pro radiační pracovníky 6 900 M-Sv CT hrudníku 1 000 fiSv/rok Obecný limit ozáření obyvatelstva (mimo lékařské ozáření a ozáření z přírodních zdrojů) 46 jiSv/rok - JE Temelín 43 jiSv/rok - JE Dukovany Autorizovaný limit pro ozáření z výpustí jaderných elektráren Mechanismy účinku záření- chemické účinky nejlépe jsou prostudovány radiačně-chemické reakce v kapalinách (méně v plynech a pevných látkách) pokud voda obsahuje rozpuštěný kyslík, probíhá následující reakce: 02 + H — H02 02 + e - 02 ■ •>4 Ionizing radiation "Exited" water Hydrogen radical Kyslíkový efekt!!! Mechanismy účinku záření- biologické účinky * přímé účinky = přímá destrukce biomolekul * nepřímé účinky = tvorba volných radikálů radiolýzou vody • schopnost reparace organizmu • 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 Mechanizmy poškození DNA Alkylating agents X-réyS Oxygen radicals Spontaneous reaction UV light Polycyclic aromabc h y dr oca r bom s (PAHS) Rep cation errors m UV light X-rays Hydroxyurea(Hu) Ano-tumor agents Ot- methyl guanine Uracil Abasie site 8 • Oxoguanine Sngie strand breaks 6-4 photoproducts Bulky adducts Cyciobutane pyramid)ne doners I A-G mismatch Interstrend crosslink T-C mismatch Double strand breaks (DSB) Small insertion Small deletion / 1 Direct Reversal Single Strand Break Repair (SSBR) Excision Repair (BER) Nucleotide Excision Repair (NER) \ / Global Genomic Repair (GG-NER) Mismatch Repair (MMR) Transotptton-Coupled Repair (TC-NER) DSB Repair (DSBR) / \ Non-homologous Homologous End-Joining Recombination (NHEJ) (HR) Checkpoint Signaling \ Cell Cycle Arrest Reparační mechanismy DNA \/ r prima reparace excisní reparace mismatch reparace SSB reparace (DSB reparace) exogenous damage O O O endogenous Metabolism aama9° y nuclear DNA \ unrepaired cancer mitochondrial DNA unrepaired senese°ce apoptosis healthy cell rare or DNA damage = rate or repair up to 500.000 DNA modification events per cell per day diseased cell rare or DNA damage > rate or repair e Prometheus 2004 Účinky ionizujícího záření na lidský organismus • stochastické účinky (prahová hodnota) • deterministické účinky a b c Účinky ionizujícího záření na lidský organismus deterministické • projeví se po ozáření celého těla, nebo určite tkáně jednorázově • závislost pravděpodobnosti výskytu určitého poškození na ekvivalentní dávce • typy: • akutní radiační syndrom (ak. nemoc z ozářenij • celotělové ozáření dávkou >lGy • chronický post-radia ční syndrom (celkove nepo lokálne) • sterilita, katarakta, radiační dermatitída, alopecie, endarteritis obliterans, pneumonitis, ... • poškození plodu in utero stochastické • důsledkem poškození malého počtu buněk • projev po jednorázovém ozáření podprahovou dávkou, nebo při chronickém ozařování tkáně nebo celého těla • typy: • somatické mutace - nádory • leukémie, št. žláza, plíce, ml. žláza, skelet • aerminativní mutace foocvt, spermie) -vrozeny geneticky defekt 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 c E |* í s 1-2 Cf ^,T'r- Han tun W«kL 3-4 Cv fcvr-r- ."rtadr-Jlr - vy ■ «1 i ■-■i fi-7 Gy Tlm* iflf r Esjwiurů ■■■ CHS symptom Hematopoetický syndrom • ozáření kostní dřeně (>lGy) vede k exponenciálnímu zániku buněk -hematologická krize • hypoplazie až aplazie dřeně + periferní pancytopenie (infekce, krvácení) • 4 stádia 1) retikulocytopenie, lymfopenie + granulocytóza 2) granulocytopenie ^ (-> immunodeficience) 3) trombocytopenie | (-> krvácivost) £ 4) anemie (-> hypoxie) ^ ~o o o 1234567 3 months time (days) granulocytes Hematopoetický syndrom • více radiorezistentní, (pravděpodobně díky převaze bb. v G0 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) Gastrointestinální syndrom • po dávce vyšší než 10 Gy • způsobený zničením buněk střevní výstelky • prodromy: anorexie, nauzea, zvracení • latence 3-7 dní • závažné poruchy hospodaření organismu s tekutinami a minerály - úporné zvracení, průjmy, známky dehydratace (dány úvodní toxémií z nekróz tkání a pokračující atrofie střevní sliznice) • zmenšení plazmatického oběmu, oběhové selhání • terminálne - nekrózy střevní sliznice, masivní ztráty plazmy do střeva, smrt • při přežití - s odstupem 2-3 týdnů - hematopoetický syndrom Neurovaskulární syndrom • po dávce na úrovních desítek Gy (> 50 Gy) • zánik většího množství nervových buněk, následnými poruchami orientace a koordinace • krátká prodromální fáze (nauzea, zvracení) • rychlý nástup letargie, apatie, ataxie, záchvaty (grand mal) • rezistentní hypotenze, arytmie, šok • bezvědomím a smrtí v rozmezí 24-48 hod Akutní radiační dermatitída • při ozáření kůže dávkami nad 3 Gy - dermatitída 1. stupně: - erytém (zrudnutí) kůže a ztráta ochlupení • při dávkách nad 10 Gy - dermatitída 2. stupně: - puchýře a vředy na kůži, vedoucí k nekróze (dermatitis 3. stupně) • Radiační dermatitídy - doprovázeny degenerativními změnami kůže a obtížně se hojí Vliv ionizujícího záření na embryo a fetus • těhotenství - poškození plodu in utero • <3 týdny (blastogeneze) • "vše nebo nic" (genové a chromozómové 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 • zvýšená náchylnost k nádorovým onemocněním u dětí (leukémie) • později • značná rezistence Pozdní účinky • mohou se projevit po letech až desítkách let od ozáření. • vznikají buď jako deterministické účinky po dlouhodobé či opakované expozici menšími dávkami záření (nenádorová pozdní poškození), nebo jako stochastické účinky (nádorová a genetická postižení) Vliv ionizujícího záření na germinativní buň • sterilita • spermatogeneze - dočasná sterilita u mužů • ovaria - nutná velká dávka k vyvolání sterility u žen • germinativní mutace • vrozené abnormality onizující záření v medicíně Diagnostika RIA Letální dávky pro různé organizmy Organismus Dávka (kGy) Vyšší živočichové včetně savců 0,005-0,01 Hmyz 0,01-1 Plísně 2,5-6 Kvasinky 5-20 Nesporulující baktérie 0,5-10 Sporulující baktérie 10-50 Viry 10-1500 onizující záření a buňky imunitního systému IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ A BUŇKY IMUNITNÍHO SYSTÉMU extrémne citlivé kmenové B Ivmfoo t> w mm buňk> krvetvorby indiiktorová fáze lS/C Ivmfoo t % bez Ag stimulace 1II TSf Tlymfocyty NK buňky po Ag stimulaci relativně rezistentní zralé makrofágy «ranulocyt> plazmatické buňky alterace, genetického aparátu buňky MECHANISMUS PŮSOBEN í tvorba reaktivních media toru z O, modulace signálních systémů Ionizující záření a buňky imunitního systému i i i r i I i i i i i" i~ i i i i i i i i i i 0 2 4 G7Ů9 10 U 16202234 J6?8 303í Í436 J840 Time řince Ex posun-, d Retikulocyty • retikulocyty vznikají v krvetvorné tkáni z erytroblastů vypuzením jádra z cytoplazmy • po vyplavení do periferní krve - ztráta zbytků cytoplazmatických komponent, zejména rRNA - zralé erytrocyty • při běžných způsobech barvení nelze odlišit retikulocyt od zralého ery • retikulocyty jsou znázorňovány tzv. supravitálním barvením (např. brilantkrezylovou modří) • v cytoplazmě se znázorní síť (retikulum) s granuly (substantia reticulofilamentosa), tvořená ribosomy a z části i mitochondriemi • podle množství zrn sítě - rozeznáme méně či více zralé retikulocyty Diferenciální rozpočet leukocytu • v nátěru obarveném Leukodifem (nebo jiným diferenciačním barvením) • počet jednotlivých druhů se určuje nejméně na 100, přesněji na 200 leukocytu li procentuelní zastoupení Polymorphonucleární granulocyty Mononucleární agranulocyty Neutrofil Eosinofil Basofil Monocyt Lymphocyt Myeloidní vývojová řada • mitózou myeloblastu vznikají promyelocyty • myelocyty - dělením promyelocytů (myelocyty jsou schopné proliferace, při níž vznikají další myelocyty) • metamyelocyty - kondenzace jaderného chromatinu a změnou morfologie jádra z kulatého či vejčitého na ledvinovité • tyčka - další kondenzací chromatinu se jádro mění v "tyčkovité" či přesněji podkovovité • segment - segmentací jádra na dva či více úseků přecházejí tyčky v poslední zračí stadium Myeloidni vývojová řada o 03 E 0) ^\ Promegakaryocyte OQ 1 Megakaryoblast Megakaryocyte Thrombocytes (Platelets) Thrombopoiesis r Common myeloid progenitor Proerythroblast (Pronormoblast) Basophilic erythroblast I Polychromatic erythroblast 1 Orthochromatic erythroblast (Normoblast) Polychromatic erythtocyte [1] (Reticulocyte) Erythrocyte [2] (Red blood cell) Erythropoiesis B. promyelocyte 1 B. myelocyte B. metamyelocyte B.band Basophil Mast cell Multipotential hematopoietic stem cell (Hemocytoblast) Myeloblast N. promyelocyte N. myelocyte 1 N. metamyelocyte I N. band O Neutrophil E. promyelocyte I E. myelocyte I E. metamyelocyte 1 E. band Eosinophil Granulopoiesis Monoblast 1 Promonocyte Monocyte Monocytopoiesis Macrophage Myeloid dendritic cell [3] -Q -0J TO > O TO E Vývojová řada monocytů • monoblast • promonocyt • monocyt —► velká buňka, bohatá na plazmu —► jádro s řídkou vláknitou stavbou, chudé na chromatin, tvar podkovy, fazole nebo laločnaté uložené excentricky Vývojová řada lymfocytů • lymfoblast • prolymfocyt • lymfocyt —> malý lymfocyt (T a B lymfocyty) 80-90% všech lymfocytů • plazma tvoří jen úzký bledě modrý lem • kolem jádra (srpek měsíce) • jádro okrouhlé, tmavé —> velký lymfocyt (NK buňky) • více plazmy, méně hutné jádro Multipotential hematopoietic stem cell (Hemocytoblast) 5 O i-1- (0 E c o co Small lymphocyte [4] B lymphocyte T lymphocyte 1 i Common lymphoid progenitor Lymphoblast Prolymphocyte Natural killer cell (Large granular lymphocyte) Lymphopoiesis Lymphoid dendritic cell [3] Multipotential hematopoietic stem cell (Hemocytoblast) Common myeloid progenitor O E a> c o m Mega karyob last t Proerythroblast (Pronormoblast) Basophilic erythroblast i Polychromatic erythroblast Orthochromatic erythroblast (Normoblast) Megakaryocyte Polychromatic erythrocyte [1] (Reticulocyte) Thrombocytes (Platelets) Thrombopoiesis Erythrocyte (2] (Red blood cell) Erythropoiesis Myeloblast B. promyelocyte i B. myelocyte I B. metamyelocyte 1 Basophil N. promyelocyte 1 N.myelocyte 1 N. metamyelocyte 1 Neutrophil E. promyelocyte I E. myelocyte 1 E. metamyelocyte 1 Promonocyte E band Eosinophil Monocyte Notes > Approximate scale information: 10 pm • The morphological characteristics of the hematopoietic cells are shown as seen in a Wright's stain, May-Giemsa stain or May-Grunwald-Gtemsa stain. Alternative names of certain cells are indicated between parentheses. • Certain cells may have more than one characteristic appearance. In these cases, more than one representation of the same cell has been included. • Together, the monocyte and the lymphocytes comprise the agranulocytes. as opposed to the granulocytes (basophil, neurtophil and eosinophil) that are produced during granulopoiesis. • B., N. and E. stand for Basophilic. Neutrophilic and Eosinophilic, respectively - as in Basophilic promyelocyte. For lymphocytes, the T and B are actual designations. [1] The polychromatic erythrocyte (reticulocyte) at the right shows its characteristic appearance when stained with methylene blue or Azure B. [2] The erythrocyte at the right is a more accurate representation of its appearance in reality when viewed through a microscope. [3] Other cells that arise from the monocyte: osteoclast, microglia (central nervous system). Langerhans cell (epidermis). Kupffer cell (liver). [4] For clarity, the T and B lymphocyte are split to better indicate that the plasma cell arises from the B-cell. Note that there is no difference in the appearance of B- and T-cells unless specific staining is applied. Common lymphoid progenitor Lymphoblast Prolymphocyte Granulopoiesis Monocyl opoiesis Natural killer cell (Large granular lymphocyte) Small lymphocyte [4] Macrophage Myeloid dendritic cell [3] B lymphocyte Plasma cell T lymphocyte Lymphopoiesis Lymphoid dendritic cell [3 Vývojová řada lymfocytů hemopoietic tissue thymus peripheral lymphoid organs T cell precursor hemopoietic^ stem cells\ □ thymus lymphocyte bone marrow ' lymphocyte antigen \ CELL-MEDIATED IMMUNE RESPONSE ANTIBODY RESPONSE Figure 24-6. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. ALE NE!!! Obávám se, že je tu o jeden dinosourocyt víc, něž by mělo! Děkuji za pozornost!