Genetika II Indukovaná mutageneze Petr Kuglík Oddělení genetiky a molekulární biologie Přírodovědecká fakulta MU v Brně Témata přednášek • Biologické a genetické účinky neionizujícího a ionizujícího záření • Promutageny a chemické mutageny v životním prostředí • Genetická toxikologie a testy genotoxicity • Antimutageny aneb co nás chrání před mutacemi a rakovinou Mutace - jakákoliv dědičná změna v genetickém materiálu, jejíž příčinou není segregace nebo genetická rekombinace, a která při přenosu do dceřiných buněk a následujících generací dává vznik mutantním buňkám nebo mutantním jedincům Mutace – změny v DNA, jejichž frekvence je nižší než 1 % !!! Polymorfismus - stav, kdy vedle sebe společně existuje dvě či více forem určitého druhu Mutace Mutace Mutations originate as a result of changes in our DNA that are not corrected by cellular DNA repair systems. The DNA changes are occasionally induced by radiation and chemicals in our environment, but the great majority arise from endogenous sources. The latter include spontaneous errors in normal cellular mechanisms that regulate chromosome segregation, recombination, DNA replication, and DNA repair and also spontaneous chemical damage to DNA. Mutace: A) spontánní B) indukované Vrozené bodové mutace u člověka na základě analýz NGS de novo mutace u novorozenců * • 75 de novo mutací/genom • 1 de novo mutace/exom • 1 de novo mutace na 20565 protein kódujících genů/generaci Biologické a genetické účinky ionizujícího a neionizujícího záření UV záření Ionizující záření Indukované mutace Indukovaná radiační mutageneze ClB test u Drosophila melanogaster paprsky X (mutagen) V případě vzniku letální mutace – nebudou v generaci F2 samečci Hermann Muller – 1927 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1946 Recesivní letální mutace ve spermiích X záření – mutagenní !!! 2 : 1 nebo 2 : 0 Působení záření na hmotu Neionizující záření: elektrické a magnetické pole, elektromagnetické záření včetně viditelného světla, ultrafialového a infračerveného záření a laserového záření. Dále do této skupiny řadíme rádiové záření a mikrovlny Ionizujícím zářením: takové záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopna vyrážet elektrony z atomového obalu a tím látku ionizovat UV záření - neionizující Sluneční světlo Infračervené záření = 31,9 % Viditelné světlo = 62,7 % UVA = 5,1 % UVB = 0, 3 % UVA = 320 – 400 nm UVB = 280 – 320 nm UVC = 190 – 280 nm Maximum absorbce DNA = 254 nm Jednotky dávky UV záření J/m2 Dávka UV záření, která snižuje počet přežívajících buněk (lidských fibroblastů) na 1/100 činí: • 40-50 J/m2 pro UV – C • 60-80 J/m2 pro UV - B • 400 – 500 J/m2 pro UV - A Maximum absorbce DNA UV zářením je 260 -280 nm ! Průchodnost atmosféry pro různé druhy UV záření • UV-C složka - je zcela pohlcována atmosférou • UV-B složka - z 90 % pohlcována ozonem, vodními parami, 02 a CO2 • UV – A složka – dopadá na povrch Země UV záření dopadající na povrch = UV-A + UV-B Biologické účinky UV záření na člověka • příznivé účinky UV záření – tvorba vitamínu D, léčba některých chorob (lupénka, lupus vulgaris, některé ekzémy…) • nedostatek vitamínu D + vápníku – křivice (rachitis) Typy poškození DNA po účinku UV záření 1. Cyklobutanové pyrimidinové diméry 2. 6´- 4´fotoprodukty 3. Monomerní poškození pyrimidinových bazí (cytosin hydrát, 8-hydroxydeoxyguanosin, tyminový glykol – oxidativní poškození) 4. Zlomy v DNA, křížové vazby Cyklobutanové pyrimidinové diméry • specifické poškození • CPD vznikají v důsledku absorbce UV DNA záření vazbami mezi 5,6 C • nejčastěji typu TT, méně TC a CC • jejich přítomnost porušuje sekundární strukturu DNA a replikaci a transkripci • tvorba dimérů závisí na sekvenci okolních bazí v genomu (A-TT-A více CPD, ATT-G méně CPD) 6´- 4´fotoprodukty • druhý nejvýznamnější typ fotolézí • výskyt 3 až 5x nižší v porovnání s CPD • preferenčně mezi TC, méně častěji CC nebo TT • více indukovány UV-B složkou záření Tvorba fotoproduktů a reaktivních kyslíkových radikálů v buňkách UV-B složka • CPD – 60 min expozice slunečnímu záření v létě v poledne indukuje v jediné v lidské buňce epidermis asi 100 000 CPD • nejvíce mutagenní CPD typu TC, CC (polymeráza preferenčně zařazuje A oproti non-instruktivním lézím v DNA, TT proto nejsou tak nebezpečné) MRocchi Reparace DNA ! Fotoléze indukované fotosenzitivací • fotosenzitivátory – po absorbci fotonu UV záření se stávají reaktivními a a mohou reagovat s DNA (fotocykloadice) • furokumaríny – např. psoralen vytvářejí mono- či bi- adukty s DNA (tymin) • tvorba křížových vazeb, porucha replikace • terapeutické využití – léčba lupénky (angelicin, hematoporfyriny, promazin, metylénová modř, proflavin) Biologické účinky UV záření na člověka • škodlivé účinky UV záření: - nádory kůže - předčasné stárnutí kůže - poškození očí - suprese imunitního systému Škodlivý účinek UV záření na člověka – poškození oči Poškození očí UV zářením – zánětlivé reakce: • fotokonjunktivitis (zánět spojivek) • fotokeratitis – zánět rohovky (extrémně „sněžná slepota“) • pterygium (poškození víčka) • katarakta – zákal oční čočky (maximum účinku záření 305 nm !!!) Podle údajů WHO se ve světě vyskytne ročně vyskytne nových 132 000 případů maligního melanomu a více než dva milióny jiných typů nádorů kůže Ročně zemře 66 000 lidí na nádory kůže Počítačové modely predikují, že každé snížení stratosferického ozonu o 10 % má za následek nárůst o 45 000 melanomů, 300 000 jiných nádorů kůže a o 1,75 milónu více případů katarakty UV záření - mutace – rakovina ! Poškození kůže indukované UV zářením Keratom, spinocelulární karcinom, bazicelulární karcinom Bazicelulární karcinom Spinocelulární karcinom Nádory indukované UV zářením Maligní melanom Maligní melanom tvoří přibližně 4 % všech kožních nádorů, je ale zodpovědný až za 73 % úmrtí na kožní nádory Incidence melanomu v České republice byla v roce 2006 18,4 na 100 000 mužů a 15,6 na 100 000 žen Maligní melanom a mutace • populační celoživotní riziko pro onemocnění zhoubným melanomem se u nás pohybuje kolem 1–1,5 % • téměř u 50 % všech případů melanomů nese aktivační mutaci v genu BRAF (7q34) • v 80 % případů se jedná se o substituční mutace, které vedou k záměně valinu za kyselinu glutamovou (V600E). Tato mutace způsobuje zvýšení aktivity kinázy BRAF, která je příčinou konstitutivní aktivace MAPK signální dráhy ovlivňující buněčné dělení • toto zjištění vedlo k vývoji molekulárního inhibitoru aktivovaného BRAF a v roce 2012 byl úspěšně schválen pro léčbu preparát vemurafenib (Zelboraf) • mezi dalšími geny, u nichž bývá v melanomech změna jejich aktivity nebo exprese, patří TP53, PTEN, CDKN2A, PTPRD a NRAS UV - index • UV-index je mezinárodně standardizovaná bezrozměrná veličina charakterizující úroveň erytemového slunečního ultrafialového záření dopadající na zemský povrch, vyjadřující biologický efekt na lidské zdraví. Používá se k informovanosti obyvatelstva o možném negativním vlivu UV záření na lidský organismus. UV-index je definován na horizontální povrch. Obyvatelstvo je informováno o očekávané maximální hodnotě • V naší geografické oblasti se UV-index pohybuje v rozmezí od 0 do 9, v tropickém pásu může dosáhnout až 15, nebo 16. • Všeobecně se dá říci, že čím výše je Slunce nad obzorem (za jasného počasí), tím větší je UV-index. Čím větší UVIndex tím větší dávka UV záření. Hodnoty UV indexu Hodnoty slunečního ochranného faktoru (SPF) doporučené pro jednotlivé fototypy kůže při prvním opalování Ionizující záření • pojem „záření“ – šíření radiační energie • radioaktivita - důsledek radiačního rozpadu, při kterém se mění stav nebo složení atomových jader nuklidů: a) rozpad vedoucí k dělení jádra na 2 nebo více částic (U Ra Rn + a částice) b) rozpady způsobené samovolnou přeměnou jader (neutron proton + elektron) c) deexcitace jádra Při průchodu hmotou dochází k absorbci záření řetěz fyzikálních, chemických a biologických změn, které ovlivňují život buněk, tkání a organismů Radiobiologie – věda o působení záření na biologické objekty Radiobiologie Prof. MUDr. RNDr. Ferdinand Herčík (1905-1966) • se věnoval také výzkumu účinků záření na buňku a organismus. Jeho práce měly řadu mezinárodních vazeb, což mu přineslo i členství ve Vědeckém výboru OSN pro zkoumání účinků záření (včetně období ve funkci jeho předsedy) i funkci místopředsedy rady guvernérů v Mezinárodní agentuře pro atomovou energii ve Vídni. • 1955 – založení Biofyzikálního ústavu AV ČR v Brně Zakladatel československého radiobiologického výzkumu Typy ionizujícího záření – duální povaha • elektromagnetické (vlnová délka 10-17 až 10-23 nm)– vzniká periodickou změnou elektrického a magnetického pole, které má původ v určitém zdroji a šíří se prostorem – hmota ve formě energie – částice foton (paprsky X, g-záření) • korpuskulární – tvoří proud rychle letících elementárních atomových částic, jader atomů, které mohou mít kladný či záporný náboj nebo mohou být neutrální (elektrony, protony, neutrony, a-částice) Nukleon. číslo Proton. číslo Ve vzduchu několik cm, ve tkáních setiny mm Ve vzduchu několik m, v tkáních několik mm Ve vzduchu několik m, v tkáních cm Pojmy a jednotky k hodnocení radiační situace • expozice (tj. míra ionizace vzduchu) • absorbovaná dávka (tj. množství energie absorbované hmotou) • dávkový příkon – vyjádření absorbované dávky za jednotku času (Gy/h) • dávkový ekvivalent (tj. dávka vážená koeficienty, které charakterizují relativní biologickou účinnost - RBU) • aktivita - veličina používaná ke stanovení množství radionuklidů (becquerel) - počet radioaktivních přeměn za sekundu Energie ionizujícího záření - LET • energie ionizujícího záření se vyjadřuje v elektronvoltech (eV), (keV, MeV) • 1 eV je energie, kterou získá elektron urychlený potenciálním spádem 1V • Lineární přenos energie (Linear Energy Transfer – LET) vyjadřuje přenos energie na jednotku dráhy, vyjadřuje se v MeV či keV/um – vztah k hustotě ionizace - (hustě x řídce ionizující záření) Jednotky dávky ionizujícího záření There are several units used to measure levels of ionizing radiation. 1. The Roentgen, R is a measure of the exposure dose to an ionizing radiation. 1 R = 2.58 x 10-4 C/kg (coulombs per kilogram) of dry air at STP (standard temperature and pressure) Not used for particle radiation 2. The radiation absorbed dose. 1 rad = 0.01 J/kg 100 rad = 1 Gy Used for all types of ionizing radiation 3. The roentgen equivalent man. rem = rad x QF (quality factor) which adjusts the exposure to account for the biological effect of various types of radiation. 4. A convenient unit called the dose equivalent is the mSv (millisievert) The sievert (Sv) is an absorbed dose of 1J/kg (as stipulated by the International Commission on Radiological Protection) The units of measurement are mSv (1 mSv = 100 mrem). Dávkový příkon - mG/hod 1R = 2,083 x 109 iontových párů v 1 cm3 vzduchu stará jednotka – ionizace vzduchu Jednotky dávky záření 1 Gy = 1 J/kg = 1 m2·s–2 • Gray je mírou fyzikálních účinků ionizujícího záření, která nevyjadřuje jeho účinky na živé organismy. Např. ozáření celého těla člověka dávkou asi 10 až 20 Gy je smrtelné, ačkoliv odpovídá energii pouze asi 1 kJ, kterou lidský organismus získá asi ze čtvrt gramu cukru. Naproti tomu sievert je jednotka, která má zahrnovat biologické účinky záření, v závislosti na druhu záření a jeho energii. • Sievert (Sv) je jednotkou dávkového ekvivalentu ionizujícího záření. Je pojmenována po Rolfu Sievertovi, průkopníkovi radiační ochrany. • 1 Sv je taková absorbovaná dávka, která při jakémkoliv typu ionizujícího záření vyvolá v organické látce stejný biologický účinek. Jednotkou je J/kg a vypočítá se jako D x Q, kde D je dávka (Gy) a Q je jakostní faktor, různý pro různé organické látky a jednotlivé druhy ionizujícího záření. Pro foton je Q=1. EFEKTIVNÍ DÁVKA Typy záření a relativní biologický účinek (RBU) jakostní faktor Q Zdroje záření • přírodních zdroje - z kosmického záření a přírodních radionuklidů • umělé zdroje - (lékařství) • vnější ozáření • vnitřní ozáření (radionuklidy v lidském těle) Zdroje ionizujícího záření a) přirozené Přirozené zdroje ionizujícího záření radon Rn 222 Rozpad: U – 226Ra – 222Rn – Po (vyzáření a částice) vyvřelé magmatické horniny a zeminy, stavební materiály, voda - plyn rozpustný v tucích, hromadění v kostní dření - leukémie Intenzita radioaktivního záření povrchu v České republice Intenzity přibývá od modré k červené Radon a jeho účinky • Zdroje radonu (geologické podloží, stavební materiál, podzemní voda) • Radon a dům (Radon se hromadí pod základy domu a dosahuje vysokých koncentrací) • Vlastnosti a účinky radonu na lidský organismus (Radioaktivní plyn a jeho rozpadové produkty zůstávají v plicích a zhoubně působí na lidský organismus.) • Dle dlouhodobých výzkumů a statistik se dá konstatovat, že ze sta případů onemocnění rakovinou plic přichází 84 % na vrub kouření a zbývajících 16 % právě na choroby z ozáření radonem a jeho rozpadovými produkty. • Radon a ochrana Existují dva základní pohledy na tuto problematiku. Při ochraně objektů se používá buď pasivní nebo aktivní ochrana. Pasivní ochrana spočívá v položení protiradonových izolací do podlah a základových desek. Aktivní ochrana spočívá v prováděném trvalém odvětrání jednotlivých pobytových místností pomocí ventilace instalované v celém objektu. Přirozené zdroje ionizujícího záření kosmické záření • Kosmické záření je proud energetických částic pocházejících z kosmu, pohybujících se vysokou rychlostí a dopadajících do zemské atmosféry. Jedná se především o: - protony (85 až 90 %) a jádra hélia (9 až 14 %). Zbytek tvoří elektrony, jádra jiných atomů a další elementární částice. • Sluneční záření – urychlené protony - energie -109 eV do cca 1020 eV, Částic s energiemi kolem 109 eV dopadá na Zemi zhruba 10 tisíc na čtvereční metr za sekundu. Přirozené zdroje ionizujícího záření kosmické záření Využití ionizujícího záření v lékařství • diagnostika • terapie - celotělové/lokalizované ozařování, využití radioizotopů – př. štítná žláza Mamograf a záření ? • Obavy z ozáření v rámci mamografického screeningu nejsou na místě Riziko vzniku rakoviny prsu v důsledku ozáření při mamografickém vyšetření je jen nepatrné v porovnání s přínosem této metody, která každoročně zachrání mnoho životů. • Dávka 3,7 mGy, tj asi 0,15 mSv • Z výsledků vyplynulo, že každoroční screening u žen ve věkové skupině 40–55 let a screening ve dvouletých intervalech u žen ve věkové skupině 56–74 let, by na 100 000 žen, z nichž každá dostala dávku záření 3,7 mGy do každého prsu, měl za následek 86 případů rakoviny prsu vyvolaných zářením, 11 fatálních případů rakoviny prsu, a 136 ztracených let života. Zároveň však vyšlo najevo, že časná detekce by u téže kohorty zachránila 497 životů Radiační dávky • Ionizující nebezpečné záření vyjadřujeme dávkovým ekvivalentem v sievertech. Za rok obdrží člověk přirozenou dávku 2,5 až 3,0 mSv. K této hodnotě je potřeba připočítat individuální dávkový ekvivalent. Tak např. člověk sledující televizi 1 hodinu denně si připočítá 0,01 mSv za rok, člověk žijící v okolí uhelné elektrárny navíc 0,01 mSv za rok, člověk žijící v okolí jaderné elektrárny 0,002 až 0,005 mSv za rok, atd. (ozáření z mikrovlnky, počítače, mobilu, u lékaře, aj.) Havárie v Černobylu vyzářila kolem 300 000 mSv. • Přírodní pozadí se na některých místech světa vyznačuje zvýšenou radioaktivitou hornin. Na těchto místech žijí trvale statisíce lidí bez jakékoliv újmy způsobené zářením. Dávky ozáření a limity lze vidět z následující tabulky. • limit pro pracovníka se zářením 50 mSv/rok • přírodní radiační pozadí občana ČR 2,5 až 3 mSv/rok • přírodní radiační pozadí občana Kerali v Indii 17 mSv/rok • přírodní radiační pozadí občana Guapari v Brazílii 175 mSv/rok • přírodní radiační pozadí občana Ramsaru v Iránu 400 mSv/rok • pracovník JE Dukovany obdrží 0,4 mSv/rok • obyvatelstvo v okolí JE Dukovany obdrží 0,005 mSv/rok • 3 lety nadzvukovým letadlem Praha - USA 0,38 mSv/rok Hodnota radiačního pozadí 16.11.2017 Obec Dukovany Použití radioizotopů v biologii – nejčastěji beta zářiče • Beta zářiče – dolet ve vzduchu i 1 m, pronikavost ve tkáni několik mm • např. značení DNA – autoradiografie • použití 3HdTh, 32P Ionizující záření a a jaderná energetika • výpustě jaderných elektráren • radioaktivní odpad (96 % uran 235, 1% plutonium, izotopy stroncia a cesia) Dukovany - 56 tun ročně !!! • havárie JE – únik radioaktivních látek Havárie jaderné elektrárny v Černobylu • Černobyl – 26. duben 1986 • únik radioaktivity 1-2.1018 Bq • ekvivalent 90 atom. bomb svržených na Hirošimu • evakuace 135 000 obyvatel/30 km • kolektivní dávka 1,6.104 Sv Příčiny: odpojení automatického havarijního systému, provoz na nepřípustně nízkých hladinách výkonu, selhání obsluhy Černobyl a ČR • Následky jaderné havárie elektrárny Černobyl byly patrné i na území tehdejší ČSSR. Kontaminované vzdušné masy a s nimi postupující radioaktivní zamoření se k nám dostaly z východu a později naše území zasáhly ještě jednou poté, co se vzdušná vlna odrazila od Alp a putovala zpět směrem na Polsko. • První znaky signalizující radioaktivní zamoření v důsledku příchodu kontaminovaných vzdušných mas, přicházejících z Černobylu, zachytili pracovníci Jaderné elektrárny Dukovany, a to v průběhu noci z 29. 4. na 30. 4. 1986. Později toho dne také započala měření Krajských hygienických stanic a pracovišť Institutu hygieny a epidemiologie. • Ze zdravotního hlediska nejdůležitějšími radioaktivními látkami způsobující radioaktivní zamoření byly cesium a jód. Jód s poločasem rozpadu 8 dní mohl být potenciálně nebezpečný pouze v prvních dnech po havárii. Cesium s poločasem rozpadu 30 let se dostalo do potravinového řetězce. • Nejvyšší objemové aktivity jódu na našem území byly naměřeny ve dnech 30. 4. a 1. 5. 1986. • Úřady v ČSSR vyvíjely snahu omezit radioaktivní zamoření potravin, když největší kontaminace radioaktivním jódem byla očekávána u mléka a čerstvé listové zeleniny. • Za jednoznačně prokázaný pozdní účinek havárie v Černobylu, jehož příčinou je radioaktivní zamoření, je považován zvýšený výskyt rakoviny štítné žlázy u jedinců ozářených v dětském věku (tzn. do 18 let věku). Šlo o děti z Běloruska a v menší míře z Ruska a Ukrajiny, které byly zasaženy radioaktivním jódem (I131) jak vdechnutím, tak zejména v důsledku pití mléka od krav, které se pásly na kontaminované trávě. • Ve skupině přímých likvidátorů jaderné havárie (tedy zaměstnanci, hasiči, záchranáři, asanační pracovníci, atd.), kteří byli zasaženi vyšší dávkou radiace (v průměru 107 mSv), byla zaznamenána zvýšená úmrtnost způsobená leukémií, jinými nádorovými nemocemi či nemocemi oběhového systému vyvolanými radiací v důsledku jaderné havárie. Počet takovýchto úmrtí byl odhadován na zhruba 230. Odborníci radikálně snížili počet obětí Černobylu • Trosky Černobylu stále ohrožují lidi žijící okolo jaderné elektrárny. Odborníci odhadují, že v souvislosti s výbuchem v ukrajinské jaderné elektrárně Černobyl, zahynuly asi 4 000 lidí. Podstatně tak snížili předešlé statistiky, jež hovořily o desítkách tisících mrtvých. Informaci zveřejnila OSN. 6.9. 2005 • VÍDEŇ - Ozáření přímo podlehlo 59 lidí, z toho dva lidé zahynuli při explozi a 28 dalších ještě v roce 1986. Dalších 3940 zahynulo během následujících měsících a let na rakovinu. • "Celkově mohlo kvůli vystavení radiaci zemřít 4000 lidí," píše se ve zprávě, která by měla být v úterý a ve středu představena na mezinárodní konferenci jaderných expertů ve Vídni. Podle ní vysoká dávka záření zasáhla asi 600 tisíc osob. Šlo většinou o pracovníky elektrárny, záchranáře, hasiče a obyvatelé žijící v okolí vybuchlého reaktoru. • "Dopady neštěstí na lidské zdraví byly strašlivé, ale celkově vzato nebyly jeho účinky na veřejné zdraví zdaleka tak vážné, jak se myslelo původně," uvádí ve zprávě Michael Repacholi ze Světové zdravotnické organizace (WHO). Zpráva uvádí, že míra radiace v 30 kilometrovém okruhu u Černobylu se dostává do běžných hodnot. Genetické důsledky Černobylu 30 let poté Existuje radio-adaptivní odpověď ? Hlavní problém populací různých druhů včetně člověka, které po havárii černobylské atomové elektrárny žijí v oblastech znečistěných radionuklidy, nespočívá v absolutní velikosti přijatých dávek ionizujícího záření, ale v novosti těchto dávek. Hlavní genetické následky pro populace různých druhů nespočívají ve zvýšení počtu mutantních organizmů, ale v tom, že část genů mizí jako důsledek selekce směřující proti „radiačně citlivým“ organizmům. To znamená, že nevznikají nové geny, ale mizí staré, které byly spojeny s vyšší citlivostí organizmů k novým podmínkám. T. Glazko, Vesmír 86, 201, 2006 Fukushima 11.3.2011 - poškození 4 reaktorů Jaderné zbraně a ionizující záření Jaderné zbraně: A) v užším smyslu 1. Štěpné zbraně s obsahem 235U nebo 239Pu – výbuch - řetězová reakce štěpného materiálu (ekvivalent desítek a stovek TNT) 2. Termonukleární zbraň (vodíková bomba) – výbuch – spuštění jaderné syntézy (ekvivalent megatun TNT) 3. Neutronové zbraně – kombinace předchozích zbraní – štěpný materiál americium či californium. Energie se uvoňuje ve formě ionizujícího záření s převahou neutronů B) izotopické zbraně – jakékoliv zařízení způsobující kontaminaci prostředí radioaktivními látkami bez použití jaderné detonace (tzv. „špinavá bomba“). Poškození organismu radionuklidy – 137Cs, 90Sr a 131I. Radioaktivní stopa Radioaktivní částice vznikající při výbuchu obsahují: • směs štěpných produktů, sublimované předměty, zemina, nerozštěpený materiál Radioaktivní spad: - lokální (obsahuje částice nad velikost 20-40 um) - globální (obsahuje částice 20 um a menší, které rychle stoupají do stratosféry a jsou unášeny větrnými proudy Radionuklidy obsažené v radioaktivním mraku lze rozdělit na: a) nevstřebatelné nebo málo vstřebatelné – těžké kovy, lanthanoidy, transurany b) středně dobře vstřebatelné – alkalické prvky – stroncium, barium c) velmi dobře vstřebatelné – cesium a jód vytěsňuje vápník z kostí štítná žláza Radioaktivní stopa – úroveň ozáření „sedmičkové pravidlo“ Úroveň dávkového příkonu poklesne desetinásobně za sedminásobný čas od výbuchu Účinky ionizujícího záření na molekulární a buněčné úrovni Přímý účinek ionizujícího záření na DNA – důsledek interakce záření s DNA a  • tautomerní přesmyky • přerušení vazeb, vznik radikálů • reakce s jinými organickými molekulami • zlomy v DNA epaprsky X paprsky g O H H OH- H+ H. OH. Nepřímý účinek ionizujícího záření Nepřímý účinek záření (radikálová teorie) Biologický materiál – tvořen ze 70 % H20 !!! Radiolýza vody – molekula vody ztrácí elektron Volné radikály jsou vysoce reaktivní částice, které mají ve své struktuře nepárový elektron, takže vstupují snadno do řady reakcí, např. s vodíkem nebo s nenasycenými vazbami organických molekul Přílady oxidativní poškození bazí DNA Kolísavé párování s C nebo A Biologické účinky ionizujícího záření • dávka 1000 rad – zvýší teplotu těla u člověka pouze o 0,002 0C, ale způsobí smrt !!! Vysvětlení: Zásahová teorie – vytvořena na základě interpretace křivek přežití • předpoklad výskytu citlivého terče v buňce (jádro), jehož zásah zničí buňku – na poškození stačí jediný zásah • na porovnávání radiosenzitivity rozličných buněk se používá charakteristická dávka D37 (přežívá 37 % ozářených buněk – při průměrném 1 zásahu citlivého terče) PROČ ? Radiačně-indukované poškození molekuly DNA - četnost Zlomy jednořetězcové 500-1000 per 1 Gy Zlomy dvouřetězcové 40-50 per 1 Gy Poškození bází: 1000-2000 per 1 Gy Molekulárně biologická teorie účinků ionizujícího záření (Chadwick a Leenhouts 1981) • předpokládaným terčem v buňce je dvojvlákno DNA • primární efekt záření – dvojvláknový zlom v DNA (DSB) • zlom může vzniknout při průchodu jediné částice či v důsledku průchodu dvou prostorově blízkých ionizujících částic • počet dvojitých zlomů: N = aD+D2 (D – dávka, a,  – koeficienty závisející na buněčném prostředí) K poškození buňky dochází při kombinaci dvou primárních dějů odehrávajících se na dvojvláknech nukleové kyseliny DNA, tvořící jádro buňky, přičemž poškození je pravděpodobnostně závislé na počtu vzniklých zlomů a na působení reparačních procesů. Částice "řídce" ionizujícího záření, tj. beta a gama, vytvářejí při svém průchodu kritickým místem pouze po jednom primárním narušení (zlomu), takže k definitivnímu vzniku poškození je třeba průchodu dvou jednotlivých částic daným místem rychle po sobě - počet těchto poškození pak závisí převážně na druhé mocnině dávky, pro menší dávky je poškození výrazně nižší. Částice "hustě" ionizujícího záření (alfa, neutrony, protony) jsou schopny při jediném průchodu kritickým místem vyvolat dvě a více primárních poruch, což stačí ke vzniku reálného poškození, takže počet poškození, tj. radiační účinek, je zde přímo úměrný dávce záření; poškození zde vzniká snadněji, tyto druhy záření mají vyšší biologickou účinnost. Účinek ionizujícího záření na buňku Hlavní typy radiačního poškození buněk • intermitotická smrt buňky (vysoké dávky záření, destrukce jaderné hmoty, porucha mitochondrií, oxidativní fosforylace, narušení iontové rovnováhy)- nekróza, apoptóza • mitotická smrt (zástava mitózy, fragmentace chromozomů, chromozomové aberace) • zástava či zpomalení syntézy DNA, transkripce DNA • zástava či zpomalení mitotického dělení • poškození genetického materiálu Reverzibilní vs. ireverzibilní změny Reparace DNA Vnímavost buňky vůči účinkům ionizujícího záření se mění v průběhu jejího buněčného cyklu – největší je v ranných stádiích mitózy. Počet mitoticky aktivních buněk ve tkáni ovlivňuje citlivost orgánů !!! Nejcitlivější: lymfoidní buňky hematopoetické buňky zárodečný epitel sliznice Účinek ionizujícího záření na buňky Radiosenzitivita buněk v průběhu buněčného cyklu NORMAL IRRADIATED Mitotická smrt Ionizující záření a poškození chromozomů • ionizující záření – silný klastogen !!!! • poškození chromozomů lze využít jako biologický dozimetr !!! • využívají se lymfocyty periferní krve (G0 fáze) • krátkodobá kultivace (24h) • nevýhoda – nelze použít u dávek nad 5 Gy Účinek ionizujícího záření na chromozomy Ionizující záření indukuje zejména chromozomové typy aberací !!! Chromozomové aberace mohou rozlišit působení řídce a hustě ionizujícího záření • hustě ionizující záření – působí vznik DNA lézí podél stopy v těsné blízkosti – důsledek intrachromozomové typy aberací (inverze, kruhové chromozomy) • řídce ionizující záření – DNA léze vznikají náhodně – důsledek interchromozomové typy aberací (translokace, dicentrické chromozomy) • F hodnota – podíl interchromozomových/intrachromozomových přestaveb Di- a tricentrický chromozom, difragment Dicentrický chromozom – marker radičního poškození Chromozomové aberace jako indikátor radiačního poškození – nestabilní typy Citlivost od 0,02 Gy !!! Možno použít jen v krátkou dobu po ozáření ! Nestabilní Biologická dozimetrie !!! Relationship between radiation dose and the frequency of cells bearing chromosome aberrations. Japanese house data is based on dose estimates for survivors who reported being inside their houses at the time of the bombing. Reciproké translokace – stabilní balancované aberace mohou přetrvávat v genomu desítky let po ozaření Mikrojaderný test jako indikátor radiačního poškození chromozomů Citlivost od 0,1 - 0,2 Gy !!! Bergonieho-Tribondeův zákon Radiosenzitivita lidských tkání "Každé ozáření zdravé živé tkáně ionizujícím zářením, a to i velmi malou dávkou, může být pro organismus potenciálně nebezpečné svými pozdními stochastickými účinky. Proto je nutno všemi dosažitelnými prostředky snížit dávky záření na minimum." Deterministické a stochastické účinky záření na člověka Práhové dávky u člověka Akutní nemoc z ozáření Dřeňová forma (3-5 Gy) • nad 300 rad – těžké postižení kostní dřeně • útlum krvetvorby – postižení kmenových buněk krvetvorby v kostní dřeni • nevolnost, skleslost, bolesti hlavy • po období latence přicházejí projevy mikrobiálního rozsevu a krvácení Střevní forma (kolem 8 Gy a vyšší) • kritickým orgánem je sliznice tenkého střeva • příznaky výraznější, závažné obtíže se objevují už 4.- 6. den po ozáření • krvavé průjmy, příznaky proděravění střevní výstelky Nervová forma (desítky Gy) • psychická dezorientace, zmatenost, křeče, bezvědomí, smrt Hematopoeze - počty lymfocytů 24 hod po ozáření - přežívání Počet lymfocytů je vyšší než 1,5 x109/l Pacient nebyl ozářen významnou dávkou Počet lymfocytů je mezi 1-1,5 x109/l Je pravděpodobné, že u ozářeného dojde za 3 týdny ke střednímu poklesu granulocytů a trombocytů Počet lymfocytů je mezi 0,5-1 x 109/l Ozáření budou potřebovat léčbu, pro rozvoj těžké formy dřeňového syndromu akutní nemoci z ozáření. Je nutná jejich hospitalizace především pro hemoragické a infekční komplikace 2-3 týdny po ozáření Počet lymfocytů je pod 0,5 x 109/l Obdržená dávka záření může být letální. Je nutná hospitalizace Lymfocyty jsou nedetekovatelné Obdržená dávka záření je supraletální a přežití je nepravděpodobné Nádory indukované ionizujícím zářením stochastické účinky • rakovina kůže (prof. expon, jedinci – RTG pracovnící) • leukémie – lékaři, děti ozářené v těhotenství, Japonsko – max. 2 roky po ozáření (ale i 5 až 20 let po expozici) • rakovina štítné žlázy – u lidí léčených v dětském věku zářením na zvětšení štítné žlázy • osteosarkomy – ukládání radionuklidů do kostní tkáně • bronchogenní karcinom – terčem jsou buňky epitelu dýchacích cest Celotělová dávka záření 0,1 Gy vyvolá u skupiny 200 lidí vznik v průměru jednoho zhoubného nádoru !!! Působení ionizujícího záření na gamety a na plod Gametické mutace: • klidové oocyty – malá vnímavost k indukci mutací ionizujícím zářením • spermie – vnímavější, mutace se akumulují ve zrajících spermatogoniích 250 rad – přechodná sterilita, 500 – 600 rad – trvalá sterilita Poškození plodu: - nejcitlivější v raných stádiích, kdy se tvoří základy orgánů a) ozáření mezi oplodněním a implantací (11 dní) – aborty b) ozařování v období zakládání orgánů (38 dní) – morfologické abnormality (mikrocefalie, vrozené srdeční vady aj.) c) po 40. dnu embryo radiorezistentnější – nevyšetřovat těhotné použitím ionizujícího záření !!!! Radioprotekce – ochranná opatření snižující účinky ionizujícího záření nebo zvyšující přežívání ozářených jedinců Chemická radioprotekce • založená na použití radioprotektivních látek • A) látky s krátkodobým účinkem • radiprotektivní látky obsahující síru – SH skupina váže kyslíkové radikály, např. cystamin, AET, gamafos – DRF až 2,3 • indolylalkylaminy – způsobují hypoxémii cestou vazokonstrikce (snížení množství kyslíku ve tkáních) • B) látky s dlouhodobým účinkem • imunomodulátory - zvýšená produkce cytokinů – lipopolysacharidy, glukan, IL-1, IL -2 • inhibitory syntézy prostaglandinů – zvyšování hematopoetické aktivity kostní dřeně • dextrazoxan - vychytává kyslíkové radikály Využití ionizujícího záření v mutačním šlechtění Cíl: rozšíření genetické variability • použítí paprsků X, gama (gamapole), neutrony aj. • působení na semena, tělo rostliny, pyl • nejčastěji se volí dávka LD50 • generace X0, X1, X2 recesivní mutace • krátkodobé ozařování x dlouhodobé ozařování • Př. Ječmen jarní – nepoléhavá odrůda „Diamant“ vznikla vyšlechtěním (ozářením) odrůdy Valtický