RADIOBIOLOGIE

RADIOBIOLOGIE

Radiobiologia studiaza modul în care radiatiile ionizante interactioneaza cu sistemele biologice, precum si efectele acestei interactii.

Radiatiile ionizante au suficienta energie pentru scoate electroni din atomi sau molecule, producând astfel ionizari în mediul iradiat. Energia radiatiei care produce o ionizare trebuie sa fie mai mare sau egala cu energia de legatura în atomul sau molecula respectiva a electronului eliberat.

Energia minima a radiatiilor ionizante este de 10 eV. Radiatiile electromagnetice ionizante au l 120 nm; acestea pot fi numai radiatii g, X sau unele radiatii UV (radiatii UV dure).

Radiatiile ionizante sunt de doua tipuri:

a) radiatii electromagnetice: X, g, UV dure (având l < 120 nm)

b) radiatii corpusculare (compuse din particule materiale):

- radiatii de particule încarcate electric:

radiatia b

radiatii de ioni grei

- radiatii de particule fara sarcina electrica:

neutroni

Radioactivitatea este proprietatea unor nuclee instabile de a emite radiatii în mod spontan. În mod generic, spunem ca un nucleu radioactiv se dezintegreaza si emite radiatie (sau ca se produce o dezintegrare radioactiva).

Radioactivitatea poate fi artificiala sau naturala.

Radioactivitatea naturala se datoreaza prezentei elementelor radioactive naturale. Atomii acestor elemente au nuclee instabile, care dupa un timp emit radiatie, trecând astfel într-o stare stabila.

Radioactivitatea artificiala este indusa prin bombardarea unor nuclee stabile cu fotoni, neutroni sau particule încarcate. In acest fel nucleele bombardate devin radioactive.

Radiatia poate fi:

- naturala, cuprinzând:

radiatii cosmice

radiatii terestre (produse de elemente radioactive naturale din roci, sol, radonul din structura cladirilor etc.)

- artificiala, cuprinzând radiatii produse în diferite proceduri medicale (radioterapie, radiodiagnoza), în laboratoare (de cercetare sau în sistemul de educatie), radiatii produse de diferite dispozitive electrocasnice (televizoare, ceasuri luminoase, detectoare de fum etc.), sau radiatii datorate unor accidente nucleare, poluarii etc.

Fondul natural de radiatii reprezinta totalitatea radiatiilor ionizante naturale prezente în atmosfera.

Activitatea unei surse radioactive L) reprezinta rata medie de dezintegrare a nucleelor radioactive din sursa, adica numarul mediu de dezintegrari radioactive care se produc în sursa în unitatea de timp.

Unitatea de masura este 1 Bq (Becquerel) = 1 dezintegrare/sec.

O unitate tolerata este 1 Ci (Curie) 10¹⁰ Bq, care este activitatea unui gram de radiu (²²⁶Ra).

Chiar daca toate nucleele radioactive dintr-o sursa sunt de acelasi tip, ele nu se vor dezintegra toate dupa acelasi timp. Exista o anumita probabilitate ca un nucleu radioactiv sa se dezintegreze într-o secunda. Toate nucleele de acelasi tip au însa aceeasi probabilitate de dezintegrare. Aceasta probabilitate depinde de tipul de nucleu si de nivelul energetic al nucleului de pe care se face tranzitia. Daca sursa contine un numar suficient de mare de nuclee radioactive, ea va emite radiatii practic în mod continuu (la orice moment de timp), astfel încât numarul de nuclee active din sursa scade continuu. Daca numarul nucleelor este relativ mic, sursa va emite discontinuu (la anumite momente de timp).

Fie o sursa radioactiva care la momentul initial (t = 0) are un numar foarte mare (N₀) de nuclee radioactive de acelasi tip. Probabilitatea de dezintegrare în unitatea de timp, notata cu l, este constanta (nu depinde de timp). Ea reprezinta a câta parte din nucleele radioactive aflate în sursa la un anumit moment se dezintegreaza într-un timp infinitezimal dt, deci este egala cu raportul dintre rata de dezintegrare si numarul N de nuclee radioactive la un anumit moment:

unde dn este numarul de nuclee care s-au dezintegrat în timpul dt.

Deoarece în timpul dt numarul de nuclee radioactive scade cu dN = -dn, rezulta ca

N(t) = N₀ e^-lt

Aceasta este legea dezintegrarii radioactive.

Legea dezintegrarii radioactive este o lege statistica: ea este valabila pentru un numar foarte mare de nuclee radioactive.

Rezulta ca activitatea sursei (L lN) scade exponential în timp, deci o sursa radioactiva emite în timp din ce în ce mai putine radiatii, devenind din ce în ce mai slaba.

Se defineste timpul de înjumatatire (T_1/2) al unei surse radioactive ca fiind timpul dupa care numarul de nuclee radioactive din sursa scade la jumatate:

N = N₀/2

Pentru a putea estima efectele unei surse radioactive, trebuie 323d38d sa cunoastem activitatea sursei, timpul sau de înjumatatire, precum si tipul si energia radiatiei emise de sursa.

Efectele biologice (moarte celulara, mutatii, inducerea cancerului etc.) ale radiatiilor ionizante depind de sistemul biologic, de tipul radiatiei, de doza de radiatie si de debitul dozei.

În general, se determina efectul biologic în functie de doza absorbita.

Doza absorbita este cantitatea de energie absorbita de unitatea de masa din materialul iradiat.

D = E_abs/m

E_abs = energia absorbita de material;

m = masa materialului.

Unitatea de masura este 1 Gy (Gray) = 1 J/kg.

Spunem ca doza absorbita este de 1 Gy atunci când 1 kg de material absoarbe energie de 1 J.

O unitate tolerata este rad-ul: 1 rad = 0,01 Gy.

În general, daca nu este specificat tipul dozei, prin doza se întelege doza absorbita.

Debitul dozei (d) reprezinta rata cu care 1 kg din materialul iradiat absoarbe energie:

d = D/t

D = doza absorbita în timpul t.

Debitul dozei se masoara în Gy/s sau rad/s.

În cazul radiatiilor X sau g se defineste doza incidenta (sau expunerea):

D_i = Q/rV

Q = sarcina totala a ionilor pozitivi produsi în volumul V de aer

r = densitatea aerului.

Unitatea de masura a dozei incidente este 1 C/kg, reprezentând cantitatea de radiatie X sau g care produce în volumul ocupat de 1 kg de aer un numar de ioni pozitivi având sarcina totala de 1C.

O unitate tolerata este 1 R (Roentgen) = (1/3876) C/kg.

Debitul dozei incidente reprezinta rata expunerii (tot pentru radiatii X sau g

d_i = D_i/t

t = timpul de iradiere în care se obtine doza incidenta D_i.

Debitul dozei incidente se masoara în C/kg s sau R/s.

Dozimetria radiatiilor ionizante se ocupa cu calculul dozelor de radiatii. Cunoasterea dozei si a debitului dozei este extrem de importanta în radioterapie si radiodiagnoza.

În radioterapie, administrarea unei doze cu o eroare care depaseste 5% reprezinta un tratament neadecvat. Daca doza este prea mica, celulele tumorale care supravietuiesc iradierii vor continua proliferarea, putând deveni mult mai rezistente la radiatii. Daca doza este prea mare, tesutul sanatos adiacent va fi grav afectat, determinând aparitia unor complicatii severe. Pentru fiecare caz în parte trebuie analizate avantajele/dezavantajele iradierii cu diferite tipuri de radiatie si apoi calculata doza optima.

În cazul tratamentelor cu iradiere externa, este foarte importanta de asemenea si calibrarea fasciculului de radiatii înainte de tratament, pentru a asigura administrarea dozei corecte în întregul volum tumoral. Calibrarea incorecta a fasciculului sau functionarea deficitara a aparatului în timpul tratamentului pot avea consecinte extrem de grave.

Daca acelasi sistem biologic este iradiat în aceleasi conditii cu aceeasi doza dar se modifica tipul radiatiei, efectul biologic va fi diferit.

Eficacitatea biologica relativa h) arata de câte ori radiatia respectiva este mai eficace fata de o radiatie de referinta în producerea unui anumit efect biologic.

h = D_X/D

D_X = doza de radiatie X care produce un anumit efect;

D = doza de radiatie utilizata care produce acelasi efect.

În general, se considera ca radiatie de referinta radiatia X cu energia de 250 keV.

Pentru neutroni, h depinde de energia particulelor si de natura efectului biologic. Cu o buna aproximatie, radiatiile X, g si b au h = 1, adica au acelasi efect la aceeasi doza de radiatii, în timp ce pentru neutroni h variaza între 5 si 20, pentru protoni h variaza între 1 si 5, iar pentru particule a h

Valorile lui h, care depind atât de tipul si energia radiatiei cât si de natura efectului biologic, sunt recomandate de Comisia Internationala pentru Protectia contra Radiatiilor (ICRP) pe baza unor analize detaliate ale tuturor informatiilor fizice si biologice disponibile cu privire la efectele radiatiilor asupra organismului uman.

Doza biologica (B) a unui anumit tip de radiatie reprezinta doza absorbita de radiatie X care produce acelasi efect biologic ca si radiatia respectiva:

B hD

Doza biologica reprezinta o masura a efectului iradierii la o anumita doza absorbita. Daca se iradiaza un sistem biologic cu diferite tipuri de radiatii astfel încât doza biologica sa fie aceeasi, efectul va fi acelasi.

Unitatea de masura pentru doza biologica este 1 Sv (Sievert) si reprezinta doza de radiatie X care face ca 1 kg de tesut sa absoarba energie de 1/h Jouli.

O unitate tolerata de masura este 1 rem = 0,01 Sv.

Exemple:

1 Gy de radiatie X corespunde dozei biologice de 1 Sv.

1 Gy de radiatie a h = 20) corespunde dozei biologice de 20 Sv.

Iradierea cu 1 Sv de radiatie X si iradierea cu 1 Sv de radiatie a produc acelasi efect!

Debitul dozei biologice este

b = B/t

t = timpul de iradiere în care se obtine doza biologica B.

b se masoara în Sv/s sau rem/s.

Pentru a putea îndeplini standardele protectiei contra radiatiei stabilite de ICRP, dozele absorbite ale diferitelor tipuri de radiatii sunt convertite pe o scala comuna, pe care doze egale înseamna probabilitati egale de a produce leziuni. Aceasta conversie se realizeaza prin intermediul dozei biologice. Daca un tesut sau organ este iradiat cu mai multe tipuri de radiatii se calculeaza doza echivalenta (H_T) pentru tesutul (organul) respectiv ca suma dozelor biologice specifice fiecarui tip de radiatii:

INTERACŢIA RADIAŢIILOR IONIZANTE CU MATERIA

Interactia radiatiilor X si g cu materia

1. EFECTUL FOTOELECTRIC

Un foton interactioneaza cu un atom. Fotonul cedeaza întreaga sa energie atomului; este rupta legatura unui electron în atom. Ca urmare, fotonul dispare, iar un electron de pe o patura electronica interioara a atomului este expulzat din atom, primind energie cinetica.

În urma interactiei, rezulta un atom ionizat cu un loc vacant într-o patura electronica (atomul ionizat se afla într-o stare excitata, deci instabila).

Producerea unui ion prin efect fotoelectric poate fi urmata de unul din urmatoarele procese:

captura unui electron liber din mediu; atomul revine în starea fundamentala. Acest proces nu este nociv.

un electron de pe o patura exterioara ocupa locul vacant. Ceilalti electroni se rearanjeaza, atomul trece într-o stare de energie mai mica, emitând radiatie X caracteristica. Acest proces este nociv.

emisie de electroni Auger: energia initiala de excitare a atomului ionizat este transferata unui electron de pe o patura exterioara. Energia primita de electron este suficient de mare pentru a rupe legatura electronului în atom. Acest proces este nociv: electronul Auger emis are energie cinetica mare, putând produce la rândul sau alte ionizari în material.    

2. EFECTUL COMPTON

Un foton interactioneaza cu un electron (liber sau legat într-un atom). O parte din energia fotonului este transferata electronului ca energie cinetica, iar o parte este împrastiata (fotonul îsi modifica energia si directia; spunem ca fotonul este împrastiat).

Electronul de recul poate produce apoi ionizari în materie.

3. GENERAREA DE PERECHI ELECTRON - POZITRON

Daca un foton cu energie hν > 1,02 MeV trece prin apropierea unui nucleu atomic sau interactioneaza cu electronii unui atom, exista o anumita probabilitate ca fotonul sa dispara, iar în locul fotonului sa apara un electron si un pozitron.

Pozitronul (e⁺) este antiparticula electronului. Ambele particule au aceeasi masa de repaus (m₀) dar au sarcini electrice de semn contrar.

Pentru ca procesul sa aiba loc, energia fotonului trebuie sa depaseasca o valoare de prag egala cu suma energiilor de repaus ale celor doua particule:

l , ceea ce explica de ce cerul este albastru (lumina albastra este împrastiata mai mult) .

5. REACŢII FOTONUCLEARE

Acestea sunt interactii foton-nucleu, în urma carora fotonul dispare, iar din nucleu sunt scosi unul sau mai multi nucleoni. Acestia sunt emisi cu energie cinetica si pot produce ionizari în materie.

Exemple: (g, n), (g, p), (g, pn), (g, 2n), (g a

Conditia de producere a unei reactii nucleare este ca energia fotonului sa fie mai mare decât energia de legatura a nucleonului în nucleu (aceasta variaza între 1 si 20 MeV).

Exemple de reactii fotonucleare în tesut:

g, n) ¹¹C C (g, p) ¹¹B

g, n) ¹⁵O;    ¹⁶O (g, p) ¹⁵N

Interactia radiatiei b cu materia

În timpul traversarii materiei, electronii si pozitronii îsi pierd treptat energia cinetica prin ionizari si excitari ale atomilor si prin emisie de radiatie electromagnetica.

Ionizari: cu cât densitatea atomilor în material si numarul de electroni ai atomilor sunt mai mari, cu atât electronii si pozitronii pierd mai multa energie prin ionizari ale atomilor. Spunem ca materialele cu densitate mai mare si care contin atomi cu numar atomic Z mai mare au putere de oprire mai mare a radiatiei b

Într-o singura ciocnire un electron (sau pozitron) poate sa piarda o mare parte din energie (deoarece se ciocneste cu un electron al atomului, deci masele particulelor în ciocnire sunt egale) si sa fie împrastiat sub un unghi mare fata de directia sa initiala. De asemenea, ciocnirile cu nucleele atomice modifica foarte mult directia de deplasare a electronului (sau pozitronului). Când energia particulei devine relativ mica, traiectoria prezinta foarte multe deflexii.

Emisia radiativa: daca o particula de masa m si sarcina ze trece prin apropierea unui nucleu de masa M si sarcina Ze, particula va fi accelerata în câmpul electric al nucleului si va emite radiatie electromagnetica. Acceleratia a ~ zZ/M iar rata de emisie radiativa este ~a²~(zZ/M)². Ca urmare, electronii si pozitronii radiaza energie de cca. 1 milion de ori mai mult decât protonii, care au masa de aproximativ 1000 de ori mai mare decât cea a electronului.

Majoritatea electronilor expulzati din atomi prin ionizare de catre radiatia b incidenta au suficienta energie pentru a produce în continuare alte ionizari în materie. Acestia se numesc electroni secundari si reprezinta asa-numita radiatie d

Se defineste parcursul electronilor (pozitronilor) ca fiind distanta maxima la care acestia ajung în material.

Electronii secundari au energie mai mica decât particula incidenta si ei ajung în material la o adâncime mai mica sau egala cu parcursul particulelor incidente.

În apa si în tesuturile moi parcursul radiatiei b este de ordinul centimetrilor.

Interactia ionilor grei cu materia

Atunci când un ion de masa M si sarcina electrica +ze trece prin apropierea unui electron liber, acesta este atras în câmpul coulombian al ionului, capatând energie cinetica.

Cu cât ionul are sarcina si masa mai mare, energia mai mica si trece mai aproape de electron, cu atât electronul va prelua o energie mai mare de la ion.

Daca electronul este legat într-un atom si energia preluata de electron este suficient de mare, atomul este ionizat, iar electronul este scos din atom si devine electron d (electron secundar). Daca energia preluata de electronul din atom este mai mica decât energia de ionizare, atomul este excitat.

Deoarece masa ionului este mare, emisia radiativa a ionilor grei este neglijabila.

În timpul traversarii substantei, ionul cedeaza energie electronilor. Energia ionului scade pe masura ce acesta înainteaza în material. Deoarece ionii au masa mare, practic ei nu sunt deviati si au traiectorii drepte în materialul iradiat. De aceea, de-a lungul traiectoriei ionului energia preluata de electronii mediului va fi din ce în ce mare, astfel încât doza absorbita creste cu adâncimea. La o anumita adâncime, doza absorbita este maxima, dupa care începe sa scada, deoarece la energii mici ale ionului apar schimburi de sarcini electrice cu mediul. Ionul pozitiv capteaza electroni liberi si îsi reduce sarcina electrica, devenind în final un atom neutru. Ca urmare, la finalul traiectoriei ionului puterea de ionizare scade pe masura ce ionul înainteaza în material. Toate aceste procese determina forma specifica a curbei D(x) pentru ioni grei, numita curba Bragg.

Curba Bragg nu se obtine decât în cazul radiatiilor de ioni grei, pentru fascicule monoenergetice (toti ionii din fascicul au aceeasi energie). In cazul radiatiei b nu se obtine o astfel de curba deoarece electronii nu au traiectorii drepte.

Aceasta proprietate specifica radiatiilor de ioni grei este avantajul major al hadroterapiei (radioterapia cu ioni grei), deoarece doza este administrata cu o precizie mult mai mare în volumul tumorii, iar tesutul sanatos este afectat mult mai putin decât în cazul iradierii cu radiatie X sau g. Hadroterapia cu protoni este aplicata în cazul tumorilor superficiale (melanom intraocular, cancer la sân, prostata, tumori ale creierului, pielii), datorita parcursului mic al protonilor în tesut (de câtiva centimetri). Pentru tumori mai profunde se folosesc ionii de carbon.

Tratamentul optim este obtinut cu ioni de carbon, ioni de litiu sau protoni.

În prezent, în Europa sunt tratati în fiecare an peste 30000 de pacienti cu ioni de carbon.

În radioterapia conventionala cu fascicule de radiatii X având energia maxima de 8 MeV, doza absorbita în tesut are un maxim la 2-3 cm adâncime, dupa care scade exponential cu adâncimea. Pentru iradierea selectiva a tumorilor aflate în profunzime, se folosesc fascicule multiple, care sunt focalizate pe centrul tumorii. Totusi, în numeroase cazuri în care tumorile se afla în apropierea unor organe vitale nu se poate aplica radioterapia cu radiatii electromagnetice. De asemenea, anumite tumori (ale pancreasului, ficatului si glandei parotide) sunt rezistente la radioterapia conventionala cu fotoni. In toate aceste cazuri este recomandata hadroterapia.

Pentru fasciculele monoenergetice de ioni grei (în care toti ionii au aceeasi energie), adâncimea de penetrare în tesut depinde de energia ionilor. În acest fel, prin reglarea precisa a parametrilor fasciculului (diametrul si intensitatea fasciculului, energia si tipul ionilor) doza letala va fi aplicata exact în volumul tumorii. În plus, doza absorbita de tesutul sanatos traversat de ioni este foarte mica datorita modului de absorbtie a energiei (curba Bragg), iar radiatia nu este împrastiata în tesutul sanatos ca în cazul radiatiilor X.

Daca se urmareste administrarea unei doze uniforme în volumul tumorii, se folosesc fascicule modulate de ioni. Acestea contin ioni având energii diferite, calculate astfel încât maximul Bragg corespunzator fiecarei energii sa se produca în interiorul tumorii. Doza absorbita va fi maxima pe o distanta de câtiva cm, în functie de marimea tumorii.

Rezolutia spatiala a tratamentului prin hadroterapie este de pâna la 1 mm. Deoarece poate fi iradiata cu mare precizie orice parte a tumorii, tratamentul cu ioni grei este un tratament conformal de mare acuratete (fasciculele de ioni sunt configurate astfel încât volumul iradiat sa urmareasca cu fidelitate forma tumorii).

Dozele administrate sunt fractionate: 4-5 sedinte de hadroterapie în 8-10 zile, totalizând o doza cuprinsa între cca. 45 si 85 Gy, în functie de caz. O singura iradiere dureaza în jur de 1 min.

În apa si tesut, radiatia a are o putere de ionizare foarte mare (de 1000 de ori mai mare decât radiatia b), ceea ce determina un parcurs foarte mic (de 100 de ori mai mic decât al radiatiei b si de 10000 de ori mai mic decât al radiatiei g). Parcursul radiatiei a este de aproximativ 2-8 cm în aer si de 0,05 mm în aluminiu. În cazul iradierii externe a organismului, particulele a nu depasesc stratul bazal al epidermei. În plus, îmbracamintea ofera protectie totala fata de radiatia a. Radiatiile a sunt periculoase numai daca iradierea este interna.

Interactia neutronilor cu materia

Neavând sarcina electrica, neutronii nu interactioneaza cu electronii. De aceea, neutronii nu produc ionizari în mod direct, ci producând alte radiatii în urma unor reactii nucleare (prin interactii ale neutronilor cu nucleele atomice).

Neutronii cu energie mica, în jur de kT 0,025 keV, se numesc neutroni termici. Acestia pot induce reactii nucleare prin care neutronul este absorbit de nucleu, care devine radioactiv, si anume:

g) ²H

În urma capturii se emite radiatie g cu energia de 2,2 MeV.

În radioprotectia fata de iradierea cu neutroni se folosesc trei ecrane:

1) un ecran pentru moderarea neutronilor, constituit dintr-un material pe baza de hidrogen (apa, apa grea, grafit, parafina);

2) un ecran de cadmiu pentru captura neutronilor termici prin reactia de captura radiativa:

Cd + n ¹¹⁴Cd + g

Într-un material pe baza de cadmiu, distanta medie parcursa de un neutron termic înainte de a fi capturat este mica.

3) un ecran de plumb sau fier pentru absorbtia radiatiei g emise de Cd.

În sistemele biologice, cele mai importante reactii nucleare induse de iradierea cu neutroni sunt cele cu nucleele de hidrogen, carbon si oxigen, în urma carora sunt emise particule a. De asemenea, o pondere mare o au si ciocnirile elastice si inelastice cu nucleele H, C si O.

EFECTE CHIMICE ALE RADIAŢIILOR

O molecula poate sa fie afectata de radiatie sau poate sa reactioneze cu alte molecule afectate de radiatie.

Sub actiunea radiatiei, o molecula poate fi ionizata sau excitata.

Prin reactiile chimice induse de radiatii, se produc si radicali liberi, care sunt atomi, molecule sau fragmente de molecule care au un electron cu spin necompensat. Radicalii liberi sunt extrem de nocivi deoarece sunt foarte reactivi, având un timp mediu de viata foarte scurt, de ordinul 10^-6 s. Aceasta caracteristica a radicalilor liberi se datoreaza faptului ca starea moleculara în care un electron are spinul necompensat este extrem de instabila, molecula reactionând usor cu alte molecule pentru a compensa spinul electronului.

În interiorul celulelor majoritatea interactiilor radiatiei sunt cu moleculele de apa.

Radioliza apei

Daca radiatia cedeaza energie unei molecule de apa, molecula de apa este ionizata sau excitata:

H O H O + e^-    (ionizare)

H O H O*    (excitare)

Ionizarile si excitarile se produc de-a lungul traiectoriei particulei ionizante incidente. Dupa ce sunt generate, moleculele excitate sau ionizate au tendinta de a difuza în mediu. Procesul de difuzie este însa relativ lent în comparatie cu alte reactii care se pot produce la timpi extrem de scurti de la trecerea particulei ionizante.

Astfel de reactii sunt:

H O H + OH

H O + H O H O + OH

H₃O⁺ este ionul de hidrogen hidratat;

OH este radicalul hidroxil.

H este radicalul hidrogen.

De asemenea, electronul extras prin ionizare se hidrateaza cu 4 molecule de apa, devenind electron hidratat (sau electron solvatat).

H + H H

H + OH H O

OH + OH H O

e _solvatat + OH OH

e _solvatat + e _solvatat H + 2 OH

O + H HO

Hidroperoxizii produsi pot participa la reactii de combinare între radicali:

HO + HO H O + O

HO + H H O

HO₂ si H₂O₂ sunt cei mai nocivi produsi ai radiatiilor, având un timp de viata lung, dar ei sunt produsi în cantitati mici.

În interiorul celulelor iradiate, radicalii liberi produsi care difuzeaza în celula pot produce leziuni în proteine, lipide, ADN. De exemplu, radicalii liberi afecteaza gruparile proteice SH, care sunt gruparile active a numeroase enzime.

Produsii radiolizei apei pot reactiona cu molecule organice (RH), ducând la formarea de radicali liberi organici (R

RH + OH R + H O

În prezenta oxigenului acestia pot produce radicalii liberi peroxizi (RO₂

R + O RO

Peroxizii pot reactiona cu alte molecule organice, producând radicali liberi organici:

RO + R' H RO H R'

Peroxizii persista mult timp dupa iradiere. Ei induc numeroase efecte întârziate ale iradierii (mutatii, instabilitate genomica, oncogeneza etc.), care se manifesta dupa mult timp de la iradiere (luni-ani).

Radicalii liberi organici pot fi produsi si prin scindarea unor molecule organice excitate de radiatie.

R-R' R R'

De asemenea moleculele organice excitate pot suferi o ruptura sau pot transfera energia de excitare unei alte molecule:

M * + M M + M

Vorbim despre efectele directe ale radiatiilor ionizante atunci când ne referim la excitarile si ionizarile produse de radiatia primara sau radiatiile secundare (fotoni, particule încarcate sau neutroni emisi în urma interactiilor radiatiei primare cu atomii si moleculele din substanta).

Efectele indirecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarile si ionizarile produse de radicalii liberi care se formeaza prin reactii radiochimice.

EFECTE BIOLOGICE ALE RADIAŢIILOR

Prin excitarile si ionizarile produse în urma iradierii sunt afectate macromolecule importante: ADN, ARN, proteine, lipide, hormoni etc.

O molecula excitata poate emite radiatie electromagnetica, poate produce radicali liberi sau poate suferi ruptura unei legaturi chimice

Un atom ionizat poate emite radiatie X caracteristica sau electroni Auger, poate induce ruperea unei legaturi moleculare sau poate capta un electron liber din mediu (acest ultim proces nu este nociv).

Ca urmare, în molecula de ADN se pot produce alterari la nivelul bazelor azotate, dimerizarea timinei, rupturi simple/multiple ale catenei cu peroxidarea capetelor, formare de legaturi cu molecule proteice (cross-links).

Toate aceste modificari pot induce mutatii, erori de transcriere a codului genetic, erori de replicare a ADN-ului, erori de diviziune celulara, producere de fragmente de cromozomi.

Structura si secventa moleculei ADN sunt conservate într-un mod strict pe parcursul ciclului de diviziune celulara (ciclul celular). Modificarile moleculei de ADN afecteaza atât capacitatea de proliferare cât si supravietuirea celulara.

Erorile spontane de replicare si leziunile ADN produse de radiatii sau alti agenti fizico-chimici activeaza mecanisme enzimatice de reparare.

În cazul în care procesul de reparare este dificil, apar erori de reparare, secventa ADN-ului este modificata, producându-se astfel mutatii genetice.

stergeri - se pierd una sau mai multe perechi de baze consecutive

stergerile sunt mutatiile cu rolul cel mai important în raspunsul celular la iradiere. Printr-o stergere este compromisa functia a cel putin unei proteine.

Producerea de mutatii ale anumitor gene implicate în controlul ciclului celular poate induce oncogeneza.

Legea Bergonié - Tribondeau

Un tesut este cu atât mai radiosensibil cu cât este mai putin diferentiat si cu cât în el au loc mai multe mitoze.

Radiosensibilitatea tesutului creste cu temperatura, gradul de hidratare si oxigenare, precum si cu pH-ul (la pH alcalin: pH > 7).

ADN-ul si ARN-ul sunt foarte sensibile la radiatii în special în metafaza. De asemenea, mecanismele de reparare a leziunilor ADN-ului sunt mai putin active în mitoza.

Cele mai radiorezistente tesuturi sunt tesutul nervos si tesutul muscular.

În schimb, tesuturile caracterizate de o frecventa crescuta a mitozelor sunt cele mai radiosensibile: tesutul epitelial, maduva hematogena si gonadele.

Daca celulele sunt mai întâi expuse la o doza foarte mica de radiatii (~ 1 rad), ele devin mai putin sensibile la o doza mare ulterioara. Acest proces se numeste raspuns radioadaptiv sau hormeza. Mecanismele moleculare ale hormezei înca nu au fost elucidate pâna în prezent.

În urma iradierii cu o doza mare, celulele radioadaptate au o viteza mai mare de reparare a leziunilor ADN-ului, prezinta mai putine aberatii cromozomiale si mutatii, iar susceptibilitatea la stergeri si rearanjari cromozomiale este mai mica decât la celulele netratate cu doza foarte mica de radiatii.

Studii detaliate pe populatii expuse la un fond natural de radiatii ridicat au demonstrat ca hormeza reduce mortalitatea indusa prin îmbatrânire si cancer. Este recomandata o doza minima anuala de 1 rad.

Administrarea unor doze mari ( 1 Gy) în timp scurt (cel mult câteva ore) determina alterarea imediata a procesului de diviziune celulara la celulele mitotice (cele mai importante efecte sunt la limfocite, maduva osoasa, celulele intestinale).

Toate efectele asupra organismului (inclusiv moartea) au o doza caracteristica de prag: exista o doza minima de siguranta sub care efectul nu apare. Doza de prag depinde si de debitul dozei. Spunem ca aceste efecte sunt deterministe: pentru producerea efectului trebuie ca un numar minim de celule sa fie lezate.

La doze mici (≤ 0,2 Gy) apar efecte stocastice, care nu au un prag al dozei si nu depind de debitul dozei, ci de doza totala acumulata. Cele mai importante sunt inducerea cancerului (care apare cu întârziere) si diverse efecte genetice, care afecteaza descendentii.

Tipuri de iradiere a organismelor

Iradierea poate fi externa, atunci când sursa de radiatii se afla în exteriorul organismului, sau interna, atunci când sursa de radiatii este în interiorul organismului.

Surse interne de radiatii sunt diverse radioelemente introduse în organism prin contaminare, pe cale digestiva, respiratorie sau cutanata, sau radioelemente utilizate în scop diagnostic sau terapeutic.

Exista de asemenea iradiere interna naturala, determinata de prezenta în organism a unor nuclee radioactive naturale, cum ar fi ⁴⁰K.

Efectele iradierii interne depind de:

- timpul de înjumatatire prin dezintegrare, T_1/2 = ln 2/l

- timpul de înjumatatire prin eliminare din organism, T_b = ln 2/l_b

unde l = constanta ratei de dezintegrare a nucleelor radioactive;

l_b = constanta ratei de eliminare biologica a nucleelor radioactive.

Perioada de înjumatatire efectiva (T_ef) în organism este data de relatia:

Iradierea totala a organismului este data de contributia sumata a iradierii interne si externe a organismului.

În cazul în care este iradiat întregul organism, iradierea este globala.

Doza maxima admisibila (DMA) reprezinta doza efectiva de radiatii pe care o poate primi un om într-un an fara a suferi o leziune observabila (fara a se tine cont de efectele genetice ale iradierii).

DMA este stabilita anual de CIPR (Comisia Internationala pentru Protectia împotriva Radiatiilor).

DMA este determinata de sensibilitatea maxima a tesuturilor.

DMA este de cca. 5 mSv/an, fiind determinata de radiosensibilitatea gonadelor si a maduvei hematogene.

Ţesutul tiroidian si tesutul osos admit o doza biologica maxima de 30 mSv/an fara a suferi o leziune observabila.

Doza efectiva corespunzatoare fondului natural de radiatii este de cca. 1,5 mSv/an, iar cea corespunzatoare fondului artificial de radiatii este de cca. 0,3 mSv/an.

Într-o radiografie abdominala doza efectiva administrata este de 6,2 mSv, iar într-o radiografie pulmonara de 0,3 mSv.

O doza efectiva de 6 Sv induce moartea într-o luna de la iradiere.

Protectia fizica fata de efectele iradierii externe se realizeaza prin cresterea distantei fata de sursa, prin reducerea timpului de expunere si prin ecranare.

Pentru ecranarea radiatiilor electromagnetice X, g, UV dure se folosesc materiale cu Z mare (ecrane de plumb sau fier).

Pentru radiatia (electroni) se folosesc materiale cu Z mic (materiale plastice: polistiren, sau metale usoare: aluminiu). Trebuie evitate materialele cu Z mare (în care electronii produc radiatii electromagnetice ionizante prin emisie radiativa). Pentru surse puternice se utilizeaza ecrane în dublu strat: primul din material cu Z mic (suficient de gros), iar al doilea de plumb sau fier pentru absorbtia radiatiei electromagnetice emise de electroni.

Pentru radiatia (pozitroni) se folosesc materiale cu Z mare, care absorb si radiatia de anihilare (radiatie g

Pentru radiatiile de particule încarcate se folosesc materiale cu densitate mare, care au putere mare de oprire datorita densitatii mari de ionizari produse.

Pentru radiatiile de neutroni se folosesc ecrane în triplu strat: apa/apa grea/parafina/grafit (1); cadmiu (2); Pb/Fe (3).

Radiatiile a sunt absorbite în ecrane foarte usoare si subtiri, datorita puterii foarte mari de ionizare a particulelor a. Îmbracamintea ofera o protectie foarte buna contra radiatiilor a

Protectia chimica fata de efectele iradierii externe sau interne se realizeaza prin administrarea, înainte de iradiere, a unor substante chimice radioprotectoare, care maresc radiorezistenta organismului:

micsoreaza continutul în apa, mai ales în organele radiosensibile;

micsoreaza temperatura organismului diminueaza metabolismul;

diminueaza cantitatea de oxigen intra- si extracelular

inhiba/fixeaza radicalii liberi;

împiedica alte organe sa amplifice efectele.

Substantele radioprotectoare sunt fie hidrosolubile fie liposolubile.

Cele hidrosolubile sunt compusi cu sulf (M-SH), de exemplu cisteamina HS-CH₂-CH₂-NH₂, care neutralizeaza radicalii liberi prin reactiile:

M-SH + R RH + MS

MS + MS MS-SM

Cele liposolubile sunt derivati ai pirogalolului si naftolului care diminueaza concentratia oxigenului intra- si extracelular, împiedicând formarea peroxizilor lipidici.

Vitaminele, hormonii, histamina si serotonina sunt substante radioprotectoare.

Intrebari

Raspundeti cu:

A - AA

B - AF

C - FA

D - FF

1. D

a) Radiatiile ionizante pot fi numai radiatii electromagnetice sau radiatii de particule încarcate electric.

b) Dintre radiatiile electromagnetice, numai radiatiile X si g sunt radiatii ionizante.

2. B

a) Radiatia b este compusa din electroni.

b) Radiatia b este compusa din protoni.

3. C

a) Radioactivitatea artificiala este indusa prin bombardarea unor nuclee instabile cu neutroni, fotoni sau particule încarcate electric.

b) Nucleele radioactive se afla într-o stare instabila si emit radiatii în mod spontan.

4. B

a) 1 Ci este activitatea unei surse radioactive care contine unui gram de radiu.

b) Nucleele radioactive de acelasi tip nu au aceeasi probabilitate de dezintegrare.

5. D

a) Debitul dozei incidente se masoara în C/kg sau R (Roentgen).

b) Daca celulele tumorale supravietuiesc unui tratament de radioterapie, ele devin mai sensibile la radiatii.

6. A

a) Radiatiile b au o eficacitate biologica relativa h

b) La aceeasi doza absorbita, particulele a produc un efect mai puternic decât protonii.

7. D

a) In hadroterapie se folosesc fascicule de radiatii X.

b) Pozitronul este antiparticula protonului.

8. D

a) In procesul de anihilare electronul si pozitronul dispar ca particule materiale si sunt emisi doi fotoni.

b) Tomografia cu emisie de pozitroni este o metoda de imagistica medicala bazata pe detectia perechilor electron-pozitron produse în procesul de anihilare.

9. C

a) Curba Bragg se obtine în cazul iradierii cu ioni grei sau cu radiatie X.

b) Hadroterapia cu ioni de carbon este recomandata în cazul unor tumori aflate în profunzime.

10. B

a) In tesutul moale, neutronii termici sunt capturati de nucleele de hidrogen, care apoi emit radiatie g

b) Prin procesul de moderare, neutronii termici devin neutroni rapizi.

11. A

a) Electronul solvatat este un electron hidratat cu 4 molecule de apa.

b) Peroxizii se produc numai în prezenta oxigenului.

12. C

a) Intr-o mutatie punctuala este adaugata o pereche de baze la secventa ADN.

b) Hormeza reduce mortalitatea indusa prin îmbatrânire si cancer.

13. B

a) Radiosensibilitatea tesutului scade cu temperatura.

b) Doza maxima admisibila este determinata de radiosensibilitatea tesutului tiroidian.

14. A

a) In radioprotectie, pentru atenuarea radiatiei se folosesc ecrane de plumb sau fier.

b) Substantele radioprotectoare liposolubile împiedica formarea peroxizilor lipidici.