Radiační biofyzika ~ radiobiologie Přednáška 1 2023 BIOFYZIKÁLNÍ ÚSTAV AVČR Dpt. buněčné biologie a radiobiologie Doc. RNDr. Martin Falk, Ph.D. (falk@ibp.cz) Kontakt: Radiační biofyzika ~ radiobiologie a) studium interakcí ionizujícího záření (IZ) s biologickými systémy b) biologických efektů ionizujícího záření Falk et al., Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression, 24(3):205-223 (2014) Radiačně vyvolané procesy zahrnují fyzikální, chemické, biologické a medicínské fenomény pokrývající extrémní škálu časových a prostorových dimenzí Multidisciplinární charakter a komplexita zkoumaných dějů: Problém a krása „radiobiologie“ zároveň Fyzika Fyzikální chemie Chemie Medicína Biologie (10-18 s) (minuty až desítky let) RADIOBIOLOGIE: nejen komplexita, ale i variabilita biologických systémů Falk et al., Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression, 24(3):205-223 (2014) Některé zásadní otázky RB tak stále zůstávají nezodpovězené v současné době máme ale mnohem dokonalejší technologie k jejich zodpovězení Etapy a cíle radiační biofyziky/RB I. etapa II. etapa III. etapa HISTORY OF RADIATION BIOPHYSICS Clinically manifested health effects on individuals Statistical studies of health effects on irradiated populations *1895 The Discovery of X-rays First radiodiagnostic and radiatherapeutic attempts on empirical basis Discovery of atomic bomb, Hiroshima, Nagasaki Blood analysis (heamatopoiesis), Animal experiments Atomic energy & nuclear powerplant disasters Personalized radiotherapy, Radioprotection Mutagenesis Cellular and molecular research, principles of radiation damage and cell response Particle accelerators Nové výzvy + nové metody = RENESANCE IZ: neskutečně užitečné i velmi nebezpečné, přičemž ho nemůžeme vnímat našimi smysly – málokterý fenomén proto ve společnosti vyvolává tak rozporuplné emoce, jako právě IZ Jen málo fenoménů vyvolává tak silné a protichůdné emoce jako IZ Ionizující záření jako experimentální nástroj Od vesmírných dálav až do nitra buněčného nanokosmu Čím se budeme zabývat? Základní charakteristikou IZ a jeho interakcemi s hmotou Vlivem IZ na biologické systémy, vztahem mezi fyzikálními parametry IZ a jeho biologickými účinky Využitím IZ a Radiační ochranou NUTNO ZABROUSIT DO MNOHA OBORŮ nejedná se však o přednášku z: částicové / jaderné / kvantové fyziky X Orientační sylabus – část 1 • Vlastnosti a zdroje ionizujícího záření, jeho interakce s hmotou, ochrana před IZ • Úvod – Radiobiologie a její náplň v kontextu dějin • Vlastnosti elektromagnetického záření, základní vlastnosti ionizujícího záření (IZ), objev Rentgenova záření, rentgenka, základní aplikace v medicíně a některé další aplikace • Objev přirozené radioaktivity, záření gama, stavba atomu, elementární částice, typy ionizujícího záření, rozpadové řady • Interakce různých typů ionizujícího záření s hmotou • Základní veličiny (ve radiační biofyzice, dosimetrii a radiační ochraně) • Základy radiační ochrany, vnější ozáření, vnitřní kontaminace, biogenní radionuklidy • Přírodní a umělé zdroje IZ, radon, terestriální a kosmické záření, IZ v diagnostice a radioterapii, průměrné absorbované dávky IR v běžném životě a při specifických činnostech • Účinky IZ na úrovni tkání a organizmů: • Deterministické a stochastické účinky IZ, akutní nemoc z ozáření (ARS) • účinky nízkých dávek IZ, hypersenzitivita, hormeze, tkáně citlivé a rezistentní k deterministickým a stochastickým účinkům, časné a pozdní účinky, somatické a gametické účinky, radiosenzitivita různých organizmů • Jaderné havárie: Černobyl, Fukushima, Three Mile Island, Majak, Jaslovské Bohunice, …, klasifikace jaderných havárií, plynoucí poznatky a ponaučení pro radiobiologii a radiační ochranu Orientační sylabus – část 2 • Účinky záření na buněčné úrovni: • Přímý a nepřímý účinek ionizujícího záření, lineární přenos energie (LET), IZ s nízkým a vysokým LET, základy radiační chemie • Buňka, stavba buňky, radiační poškození proteinů, lipidů, RNA a DNA; funkce a radiační poškození membrán a buněčných organel • DNA jakožto kritický cíl pro ionizující záření, struktura buněčného jádra, chromatinu a DNA • Chromozómy, karyotyp člověka, chromozomální a chromatidové aberace (translokace, delece, inverze), vliv LET na charakter poškození chromozómů • Biodosimetrie pro krizové události • Radiační poškození DNA na molekulární úrovni – typy radiačních lézí DNA, mutageneze, IZ s nízkým a vysokým LET – mikrodosimetrie, vztah mezi LET a relativní biologickou účinností IZ (RBE) • Cytoplasmatické účinky IZ – bystander effect • Karcinogeneze, klonální expanze, chromothripsis, protoonkogeny a nádorové supresory, onkogeny, solidní nádory a leukémie • Buněčný cyklus ve vztahu k radiorezistenci, reparaci DNA a karcinogenezi; transkripce a replikace DNA, typy buněčné smrti – apoptóza, nekróza, mitotická smrt, autofagie • Reparační mechanizmy DNA – základní reparační dráhy BER, NER, zejména pak NHEJ, HR a alternativní reparační dráhy dvouřetězcových zlomů DNA, bodové mutace a epimutací Orientační sylabus – část 3 • Aplikace IZ – radiodiagnostika a radioterapie • Princip radioterapie – odpověď normálních a nádorových buněk na ozáření, zevní terapie, frakcionované ozařování, moderní přístupy v radioterapii, brachyterapie, boron-capture therapy • Hadronová terapie – protony a urychlené těžké ionty s vysokým LET (též v souvislosti s kosmickými lety), fyzikální výhody • Radiorezistence nádorů – hypoxie, kyslíkový efekt (OER), genetické faktory (např. mutace p53), selekce radiorezistentních klonů • Možnosti radioprotekce normálních buněk a radisenzitizace nádorových buněk – chemické (amifostin), biologické (inhibitory reparace DNA, imunomodulátory, apod.), a fyzikální • Nemedicínské aplikace IZ • Elektronová mikroskopie a další výzkumné metody • Atomové elektrárny • Atomové zbraně • Metody v radiobiologickém výzkumu • Aktuální témata v radiobiologii (+ představení výzkumu DBBR AVČR Brno, M Falk) Velké plus 2 Alespoň 10 lajků na https://www.facebook.com/srkp.cz (což ale nevyvazuje z povinnosti koupit si knihu) Velké plus 1 Přihlásit se k Bc./Mgr. práci na DCBR IBP Brno stát se členem Společnosti radiobiologie a krizového plánování ČLS JEP; Societas Radiobiologiae et Crisium Dispensationi Colendis; www.srkp.cz plus zpracovat rešerši na jedno z výše uvedených témat dle výběru a jeho diskuse v rámci úvodu jedné z přednášek) případně Koupit si knihu ---------------------------------------------------------> základ Projít závěrečným testem (asi 40 otázek, multiple-choice, formou kolokvia) Jak získat KOLOKVIUM Literatura Basic Literature: Basic Literature (optional): Literature (optional): Cell Response to IR, DNA Damage and Repair Literature (optional): Cell Biology, Cancer Biology and Radiation Physics Literature (optional): History, CVs etc. Duální povaha ZÁŘENÍ (podrobněji později) Kromě postulování tří Newtonových zákonů, které ho proslavily, zabýval se Newton také studiem světla. Používal k tomu různé hranoly a již ve svých 23 letech zjistil, že světlo se dá rozložit na barevné spektrum (viz obr.). Dále zjistil, že světelné spektrum se dá zase spojit použitím druhého hranolu. Vymezením se dá získat světlo určité barvy. Newton si představoval světlo jako proud částic různé velikosti. Jestliže narážejí v hranolu na částice stejné hmotnosti, pak nejméně se budou odrážet částice s největší hmotností. 1. Světlo jako částice 2. Světlo jako vlnění Vlnové vlastnosti světla studoval Thomas Young na začátku 19. století • Klasický experiment, v němž světlo prochází dvěma štěrbinami (obr. 5). • Průchod světla dvěma štěrbinami by měl dát na stínítku součet osvětlení od jednotlivých štěrbin (vpravo) • místo toho však pozoroval interferenční obrazec (obr. dole). • Tento obrazec lze vysvětlit za předpokladu, že se světlo šíří ve formě vlnoploch (jako vlny na hladině rybníka), tj. v každém bodě kde světlo vnikne dochází ke vzniku nové vlnoplochy → elekrtomagnetické vlnění c = konst Frekvence vs. Vlnová délka Druhy elektromagnetického záření • Podle vlnové délky či frekvence můžeme rozdělit elektromagnetické vlny na několik skupin • Radiové vlny: délkou odpovídají rozměrům fotbalového hřiště • Mikrovlny: (v mikrovlnné troubě) mají velikost asi baseballového míčku, • Viditelné spektrum: vlny rozměrově odpovídají bakteriím • Ionizující záření (RTG a gama záření): 33 eV. To odpovídá záření s kratší vlnovou délkou, než UV, přibližně l<40 nm. Vlnová délka [l] Druh záření IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ - Definice Roentgen obdržel za objev parsků X (RTG) v roce 1901 vůbec první Nobelovu cenu za fyziku OBJEV RADIOAKTIVITY A IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ Wilhelm Conrad Röntgen 8. listopadu 1895 „To, co vidíme, jsou kosti vaší ruky…“ Antoine Henri Becquerel 18. května 1896 OBJEV PŘIROZENÉ RADIOAKTIVITY 1903 – spolu s Pierre a Marií Curie - Nobelova cena za fyziku za objev radioaktivity 1903 Nobelova cena za fyziku Marie Curie První žena oceněná Nobelovou cenou Původně měl být ale oceněn jen Becquerel a Pierre Curie!! 1901 vůbec první NB za fyziku 1903: Nobelova cena za fyziku za objev radioaktivity, spolu s Pierrem a A.H. Becquerelem 1911: druhá Nobelova cena, nyní za chemii, za izolaci radia a objev polonia, plus další objevy ohledně radioaktivity Fenomenální Marie Curie- Sklodowska LESSON I: The Discovery of X-Rays, X-Rays • Wilhelm Conrad Röntgen • 8. listopadu 1895 • „To, co vidíme, jsou kosti vaší ruky…“ Objev ionizujícího záření Den-D: 8. listopad 1895, podvečer Místo-M: Universita ve Würzburgu, Wilhelm Roentgen Experimentoval s katodovými paprsky v temné komoře Würzburg Wilhelm Roentgen 1845-1923, Germany zkoumal světélkující fluorescenční stínítko (pokryté fluorescenční látkou, obyčejně kyanidem platičitobarnatým), ve kterém byla fluorescence indukována katodovými paprsky, jež vznikaly po dopadu elektronů na antikatodu ve vakuové trubici (viz dále). Co předcházelo objevu paprsků X Každý správný fyzik tehdy zkoumal katodové výboje v plynech (katodové paprsky) Vznik katodového zářené (e-/sklo) • Po odsátí trubice na vysoké vakuum mizí katodové paprsky, avšak začíná zelenožlutě svítit sklo v okolí anody • Charakteristiky záření (barva) nezávislé na náplni trubice Cherchez la femme • Ze záhadných (neznámých důvodů zakryl výbojovou trubici černým papírem • Možná její světélkování narušovalo experiment, možná v tom měla prsty jeho manželka ;-) • Každopádně sehrála hlavní roli náhoda, díky níž se objevilo světélkování/ stín na NEUKLIZENÉM světélkujícím stínítku… (Flemingovi zplesnivěly kultury na penicilin, objev přirození radioaktivity – opět náhoda ;-) ) • Nebýt této události, nebyl by asi Roentgen vkládal mezi trubici a stínítko různé předměty (včetně své ruky). Dělal by dál zajímavé pokusy s katodovými trubicemi stejně jako desítky dalších experimentátorů v té době, ale nové pronikavé záření by asi neobjevil (ostatně, toto X-záření ve stejné době nezávisle objevili H.Jackson a A.A.Campbell-Swinton, stejně tak jako ukrajinský vědec působící Praze - Ivan Pului. Mrs. Roentgen • Zjistil, že fluorescence nemizí ani při zaclonění trubice černým papírem, ani když mezi trubici a stínítko vložil tlustou knihu; stínítko fluoreskovalo i na vzdálenost 2 metrů • Když poté vkládal mezi lampu a stínítko další různé předměty, zjistil, že jimi paprsky X procházejí různě intenzivně. Teprve když mezi trubici a stínítko umístil kovový předmět, na stínítku se ukázal stín “I Have Seen My Death” aneb Mrs. Roentgen podruhé • Jednou takto vložil mezi lampu a stínítko NÁHODOU svou ruku a uviděl ke svému velkému překvapení kosti prstů. • Podruhé už raději požádal o ruku svou manželku ;-) Anny Berthy. Na rozdíl od svého muže ji obraz kostí se snubním prstenem příliš nenadchl; údajně jej velice překvapila a zklamala, když prohlásila: „Viděla jsem vlastní smrt.“ • Roentgen popsal i další vlastnost RTG záření, např. že vyvolává zčernání fotografické desky. • …a měsíc po svém objevu zhotovil (opět náhodou??) historicky první rentgenový snímek na světě, obraz ruky své manželky s kovovým prstenem na fotografickou desku. • Toto datum je pokládáno za den zrození nového lékařského oboru – radiologie. Anna Bertha (Ludwig) Roentgen Historicky první rentgenový snímek Roentgenovy paprsky nemohly představovat vystupující katodové záření – to jen velmi omezený dosah (cca. 2 cm) i při využití Lenardova okénka v trubici. Usoudil proto, že se jedná o neviditelné záření, které vzhledem k jeho neznámé povaze pojmenoval podle matematického symbolu pro něco neznámého jako PAPRSKY X. V roce 1896 byly na jeho počest pojmenované na rentgenové paprsky. X-Rays: Objev ionizujícího záření X-Rays: Objev ionizujícího záření Pojmenování X-Rays se dodnes užívá v anglosaské literatuře, u nás se většinou upřednostňuje název RTG záření. Během dvou měsíců publikoval pečlivý popis výsledků svého výzkumu. 28.12.1895 napsal předběžnou zprávu „O novém druhu paprsků“. Poslal ji do žurnálu Würzburgské lékařské společnosti. Objev byl natolik překvapivý, že ho nejprve odmítali i slovutní vědci (např. Kelvin). Překvapen byl i sám Roentgen, který proto pronesl „I did not think, I investigated“ (tedy něco ve smyslu „Nevymyslel jsem to, ale objevil) Ve skutečnosti k objevu rentgenového záření přispělo mnoho významných vědců jako Ivan Pului, sir William Crookes, Johann Wilhelm Hittorf, Eugene Goldstein, Heinrich Hertz, Philipp Lenard, Hermann von Helmholtz, Nikola Tesla, Thomas Alva Edison, Charles Glover Barkla a Wilhelm Conrad Röntgen. Ivan Pului • (2 February 1845 – 31 January 1918) was a Ukrainian physicist and inventor, who has been championed as an early developer of the use of X-rays for medical imaging. His contributions were largely neglected until the end of the 20th century. • He served as the rector of the Higher Technical School in Prague (German part) in 1888–1889. Puluj also worked as a state adviser on electrical engineering for Bohemian and Moravian local governments. • In addition he completed a translation of the Bible into the Ukrainian language. • Approximately one month prior to W. Roentgen, I. Puljuj officially informs about the effect of ionizing actions of X-rays on the rests of gas in vacuum tubes, having shown experimentally. • While Puluj's finding were essentially X-rays, he reported his results 6 weeks after Wilhelm Conrad Röntgen published his,[5] and can not be credited with the discovery of X-rays. Zasedání společnosti lékařů a přírodovědců → RENTGENOVY paprsky Experimenter in 1890s examining his hand with fluoroscope. • Taking an X-ray image with early Crookes tube apparatus, late 1800s. The Crookes tube is visible in center. • The standing man is viewing his hand with a fluoroscope screen. • The seated man is taking a radiograph of his hand by placing it on a photographic plate. • No precautions against radiation exposure are taken; its hazards were not known at the time. 1895 2022 To není Faustova jizba a duše zde nevchází v prokletí, to je Roentgenův přístroj s magickou krásou XX. století Jiří Wolker : U roentgenu https://www.psanci.cz/literatura_dilo.php?id= 331 Paprsky X v poezii – mystičnost a fascinace Wilhelm Roentgen - zajímavosti Röntgenův názor na badatelskou práci: Vznik RTG záření, RENTGENKA Katodové trubice byly vlastně prvními jednoduchými urychlovači elektronů a později se z nich vyvinuly obrazovky (v jisté formě slouží i dnes jako zdroj e- pro urychlovače) Rentgenka, správně nazývaná rentgenová lampa (angl. X-ray tube). Obecně - vakuová elektronka Zjednodušeně je to trubice s vakuem uvnitř, jejíž součástí je (žhavená) katoda, která slouží jako zdroj elektronů. Tyto elektrony jsou urychlovány, dopadají na terčík neboli anodu, čímž vzniká rentgenové záření. Rentgenka tedy slouží k produkci rentgenového záření. Vznik RTG záření, RENTGENKA • Röntgen předpokládal, že pronikavé záření vzniká ve zředěném plynu katodové trubice, • nicméně další experimenty prokázaly, že RTG záření pochází z anody při interakci zabrzděných elektronů s materiálem anody. • Zdrojem rentgenového záření není tedy samotný výboj v plynu, kterým pouze procházejí urychlené elektrony na anodu. • Naopak odstranění (vyčerpání) plynu a použití žhavené katody zvýší účinnost vzniku RTG záření, čehož se využívá ve vakuových rentgenkách • k přeskočení výboje 1 cm dlouhého je zapotřebí napětí asi 25.000 volt. Vzduch totiž klade přechodu elektřiny ohromný odpor, který dá se i při poměrně krátké dráze překonat jen vysokým napětím • Zředíme-li však v rentgence vzduch, elektrický výboj proběhne při stejném napětí mnohem delší dráhu než za normálního tlaku