17. Biologické účinky ionizujícího záření - jsou studovány od počátku 20. století dob, kdy bylo zjištěno, že záření (i rtg) poškozuje kůži - obecně lze konstatovat, že účinky jsou nepříznivé, v některých případech je však i pozitivní - vliv záření je rozdílný podle druhu organismu Druhy působení ionizujícího záření na buňku: (buňka je chápána jako vodný roztok solí a nízkomolekulárních látek, v němž jsou dispergovány látky makromolekulární A) Přímý účinek - je dán přímým zásahem makromolekuly ionizující částicí nebo sekundárním elektronem při ozařování nebo rtg zářením - zvláště nebezpečný je zásah nukleových kyselin v jádře, kde dochází k jejich degradaci B) Nepřímý účinek - je dán především radiolýzou vody a chápou se tak účinky produktů této radiolýzy na obsah buňky Účinek záření na molekulární úrovni - projevuje se především ve změně struktury DNA - negativně to ovlivňuje tvorbu enzymů včetně těch, které řídí tvorbu samotné DNA - chybně syntetizované enzymy nemohou správně vykonávat svou funkci, jsou pro buňku cizí a působí toxicky - vyšší dávky způsobují změny v propustnosti membrán - vliv záření se tedy projeví jako poruchy dělení buňky, poruchy ve struktuře chromozomů, příp. dojde po několika děleních ke smrti buňky - vliv ionizujícího záření je tím výraznější, čím větší schopnost má buňka rozmnožovat se a čím je méně diferencovaná - organismy jsou proto nejcitlivější vůči záření v raném stadiu svého vývoje (dělení vajíčka) - buňky, které se nerozmnožují, vydrží podstatně vyšší dávky - extrémně vysoké dávky záření (> 103 Gy) vedou již během ozařování ke štěpení vnitrobuněčných bílkovin (molekulární smrt) Biologické účinky ovlivňuje: - dávka záření (celková energie sdělená organismu) ­ buňky však mají schopnost poškození enzymaticky opravit. Tyto opravné mechanismy se však mohou uplatnit tehdy, není-li přísun energie do organismu příliš rychlý rozhoduje - dávkový příkon prakticky to znamená, že při určité dávce je poškození organismu menší, je-li tato dávka rozdělena rovnoměrně na delší dobu nebo je rozdělena do několika menších dávek s časovými prodlevami (frakcionace dávky ­ využívá se při terapeutickém ozařování) - druh ionizujícího záření (rozdílná lineární ionizace) poškození je tím závažnější, čím je větší lineární ionizace. - dávkový ekvivalent J.kg-1 = Sv (Sievert) H = Q.D je definován jako součin jakostního faktoru Q (souvisí s lineárním přenosem energie a zpravidla tato hodnota není známa) a dávky v uvažovaném bodě tkáně - pro praktické hodnocení vlivu druhu záření se používá ekvivalentní dávka J.kg-1 = Sv (Sievert) DT je dávka záření v orgánu nebo tkáni HT = wRDT WR je radiační váhový faktor - příkon dávkového ekvivalentu, resp. ekvivalentní dávky (Sv.s-1 ) - dávkový úvazek (resp. úvazek ekvivalentní dávky) se definuje jako celková dávka, kterou člověk obdrží za delší časové období (zpravidla 50 let u dospělých, za 70 let u dětí) - pravděpodobnost poškození orgánů při stejné dávce je různá zavádí se proto tkáňový váhový faktor wT Orgán wT gonády 0,20 žaludek, červená kostní dřeň, tlusté střevo 0,12 štítná žláza, játra 0,05 kůže 0,01 - součet ekvivalentních dávek vážených s ohledem na radiační citlivost orgánů pro všechny ozářené orgány a tkáně se nazývá efektivní dávka 18. Účinky ionizujícího záření na lidský organismus A) Nestochastické účinky - Projeví se po ozáření zpravidla celého těla (jednorázově) takovou ekvivalentní dávkou, která vyvolá v zasaženém jedinci během krátké doby klinicky pozorovatelné účinky - Klinicky pozorovatelný účinek se objeví proto, že se nestačí uplatnit opravné mechanismy - Existuje jistá prahová dávka pro vznik poškození, které se zjistí při jednorázovém ozáření skupiny osob z 1-5% Mezi nestochastické účinky patří: Akutní nemoc z ozáření při celotělovém ozáření vysokými dávkami (poruchy krvetvorby, trávicího ústrojí nebo CNS) Nemoc se projevuje při ozáření ekvivalentní dávkou cca 2 Sv, prahová hodnota je 1 Sv Projevy: ˇ 1. fáze: nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, změny v krevním obraze ˇ 2. fáze: období latence ˇ 3. fáze: rozvinutí počátečních příznaků, padání vlasů, vnitřní krvácení, náchylnost k infekcím. Při ozářením dávkou >6 Sv: (4-6 dní) ˇ převládá hematologická forma nemoci (poškození kostní dřeně a krvetvorby) ˇ při vyšších dávkách i forma střevní (odumírání střevní výstelky) ˇ pravděpodobnost úmrtí je 80 %, při dávkách >10 Sv je 100 % Ozáření dávkou vyšší než 50 Sv ­ neurologická forma nemoci (psychická dezorientovanost, zmatenost, křeče, bezvědomí, smrt během několika hodin či dní) lokální akutní poškození kůže (radiační dermatitida) (prahová dávka 3 Sv, nejčastější typ při nehodách se zdroji záření) - zarudnutí kůže - hlubší poškození kožní tkáně - vznik vředů poškození plodu (prahová dávka 0,05 Sv) poruchy plodnosti u mužů je prahová dávka 0,1 ­ 1 Sv u žen min. 1,5 Sv zákal oční čočky (prahová dávka 1,5-2 Sv) B) Stochastické účinky (náhodné) Jsou důsledkem poškození malého počtu buněk (stačí jen jediné) Mohou se projevit při jednorázovém ozáření podprahovou dávkou z hlediska nestochastických účinků nebo při chronickém ozařování určité tkáně nebo celého těla malými dávkami Podprahové dávky nevyvolávají v krátké době po ozáření žádné klinicky pozorovatelné poškození, ale mohou způsobit s jistou pravděpodobností poškození za delší dobu Stochastické účinky ozáření se projevují za delší dobu po léčbě nádorů ozařováním Projevy: nádorová onemocnění (latentní období 10-40 let) leukémie (latentní období 5-20 let) genetické poškození další generace Na základě stochastických účinků se definuje absolutní roční riziko jako pravděpodobnost výskytu určitého onemocnění u jedné osoby během jednoho roku při ozáření ekvivalentní dávkou 1 Sv. při ozáření malými dávkami se předpokládá tzv. konzervativní přístup, který předpokládá že stochastické účinky mohou být způsobeny i mutací jediné buňky (tj. bezprahový přístup) při odhadování rizika malých dávek se počet případů poškození stanovuje lineární extrapolací podle absolutního ročního rizika Př. skupina 106 ozářených osob: dávka (Sv) počet případů (nad přirozený výskyt po uplynutí doby latence) 1 57 0,01 0,57 C) Hormeze Projevuje se jako stimulující účinky malých dávek záření o Zvýšená fixace dusíku bakteriemi o Urychlení klíčení semen o Rychlejší vzcházení rostlin a rychlejší růst o U lidí pak jde o léčivé účinky radioaktivních koupelí v lázních (zmírnění revmatických onemocnění, zpomalení degenerativních změn obratlů, vliv na metabolismus atd.) D) Léčebné účinky ionizujícího záření teleterapie (dálkové ozařování) o kobaltové zářiče (60 Co, ~ 1013 -1015 Bq) o brzdné záření z betatronu 4-25 MeV o cesiové zářiče (pro nádory do 5 cm pod povrchem ) o lineární urychlovač (elektrony 7-20 MeV, pro nádory v malých hloubkách kontaktní terapie na povrch těla nebo těsně pod něj se přikládá plošný - zářič brachyterapie (vnitřní ozařování) zářič (ve formě drátků, perliček apod.) se zavádí tělesnými dutinami do těsného kontaktu s s nádorovým ložiskem endoterapie metoda je založená na vpravování nuklidu do tkáně (injekčně např. do kloubních pouzder, nebo metabolickými pochody ­ jod od štítné žlázy radioimunoterapie radionuklid se naváže na monoklonální protilátku nebo receptorový ligand, který se selektivně v těle váže na specifický antigen nebo receptor v nádorových buňkách. Vysoká specificita cílové tkáně pro značenou protilátku je nadějná pro léčení disseminovaných metastáz ozařování se zpravidla provádí frakcionovaně po 2 Gy, max. celková dávka bývá 50-60 Gy bórová terapie pacinetovi se podá sloučenina obsahující bor (např. Na2B12H11SH), která se metabolickými procesy selektivně koncentruje v nádorové tkáni. Nádor se pak ozáří pomalými neutrony 10 B(n,)7 Li. Částice i ionty 7 Li pak ničí okolní nádorovou tkáň díky vysoké lineární ionizaci. E) Účinky ionizujícího záření na hmyz hmyz je vůči působení ionizujícího záření více než 100x odolnější než obratlovci ozáření hmyzu 100 Gy sterilizacePotemník (při ochraně skladovaného obilí) 5.103 Gy usmrcení Dřevokazný hmyz (červotoči, tesaříci) 500 Gy usmrcení hubení hmyzu v přírodě spočívá ve vypěstování a vypouštění sterilních samečků v množství, které převyšuje jejich přirozený výskyt F) Účinky ionizujícího záření na mikroorganismy radiační sterilizace zdravotnický materiál desinfekce kalů z odpadních vod radiační ošetření potravin (prodloužení doby jejich trvanlivosti ­ potraviny se ozařují zmražené) G) Účinky ionizujícího záření na rostliny Ozařování semen vede k užitečným mutacím (radiační šlechtění) ozáření vede k omezení klíčivosti (např. u brambor) 19. Ostatní účinky a použití ionizujícího záření Odstraňování statické elektřiny při pásové výrobě plošných materiálů (papír, plastové fólie, textil apod.). Vzduch se v části výrobního prostoru ionizuje zářením (241 Am, 210 Po) Ionizační hlásiče kouře Kouř ovlivňuje chemické složení vzduchu, který je ionizován malým zdrojem -záření ­ pozorují se změny ionizačního proudu v detektoru Radionuklidové baterie Tepelná energie uvolněná při absorpci záření se přeměňuje na energii elektrickou (např. pomocí termočlánků) Radionuklidové světelné zdroje Jsou založeny na emisi viditelného světla při absorpci ionizujícího záření (viz scintilační detektory). Obsahují luminofor a příměs radioaktivního nuklidu (dříve např. svítící ciferníky hodinek obsahovaly 226 Ra, dnes se užívají -zářiče ­ 3 H, 147 Pm) o signalizační lampy, o stupnice hodinek a měřicích přístrojů o zhotovování orientačních světelných ukazatelů