Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Νουκλεϊνικά Οξέα (DNA, RNA) Είναι τα πιο ευπαθή στην ιοντίζουσα ακτινοβολία βιομόρια.

Transcript

1 Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Νουκλεϊνικά Οξέα (DNA, RNA) Είναι τα πιο ευπαθή στην ιοντίζουσα ακτινοβολία βιομόρια.

2 Χημικές μεταβολές Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Νουκλεϊνικά Οξέα (DNA, RNA) Οι σημαντικότερες μεταβολές που μπορεί να τους προκαλέσει η ακτινοβολία είναι: 1) Απλή θραύση (σπάσιμο του ενός κλώνου συνήθως στο φωσφοροδιεστερικό δεσμό) με δυνατότητα «διόρθωσης» 2) Διπλή θραύση (σπάσιμο και των δύο κλώνων οπότε αν η απόσταση ανάμεσα στις δύο θραύσεις είναι μικρή επέρχεται ρήξη της διπλής έλικας και παρατηρείται σπασμένο χρωμόσωμα κατά τη μίτωση Φυσικές μεταβολές Μεταβολή ιξώδους (το ιξώδες άθικτων μορίων DNA, μεγαλύτερο εκείνου των σπασμένων) Οι βάσεις πυριμιδίνης (ουρακίλη, θυμίνη, κυτοσίνη) είναι 100 φορές πιο ευαίσθητες από τις πουρίνες (αδενίνη, γουανίνη)

3 Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Νουκλεϊνικά Οξέα Τόσο η άμεση όσο και η έμμεση επίδραση μπορούν να προκαλέσουν τις ίδιες βλάβες. Οι κυριώτερες από τις χημικές βλάβες αναφέρονται στον πίνακα: Έμμεση επίδραση Τύπος βλάβης Θραύση ενός κλώνου (Single strand break, SSB) Θραύση δύο κλώνων (Double strand break, DSB) Αριθμός/Gray Καταστροφή βάσης Καταστροφή σακχάρου Εγκάρσια διασύνδεση DNA-DNA Εγκάρσια διασύνδεση DNA-πρωτεΐνης Άμεση επίδραση Οι βλάβες αυξάνονται αυξανομένης της ΓΜΕ της ακτινοβολίας!

4 Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Νουκλεϊνικά Οξέα Φαίνεται ότι αν οι βλάβες δεν είναι και στους δύο κλώνους DNA ταυτόχρονα λειτουργούν «διορθωτικοί μηχανισμοί», όπου με βοήθεια κατάλληλων ενζύμων επιδιορθώνουν τις βλάβες: Θραύση ενός κλώνου Θραύση δυο κλώνων Θραύση κύριας αλυσίδας Εγκάρσια διασύνδεση Καταστροφή βάσεων Σημειακή αλλοίωση Π.χ. Με το ένζυμο DNA-λιγάση επιδιορθώνεται η θραύση σακχάρου-φωσφορικής ομάδας Με το ένζυμο DNAπολυμεράση αναπληρώνεται η απώλεια βάσης χρησιμοποιώντας σαν πρότυπο τον άλλο κλώνο Ενώ αν συμβεί αλλοίωση βάσης, η περιοχή αναγνωρίζεται από ενδονουκλεάση, με εξωνουκλεάση απομακρύνεται η αλλοιωμένη βάση, συντίθεται νέο τμήμα κλώνου με DNAπολυμεράση και συνδέεται με DNA-λιγάση με τον παλιό

5 Δομή διπλής έλικας του DNA

6 Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Νουκλεϊνικά Οξέα Πιθανές θέσεις προσβολής DNA από φωτόνια, όπου με βοήθεια κατάλληλων ενζύμων λειτουργούν «διορθωτικοί μηχανισμοί» και επιδιορθώνουν τις βλάβες

7 Επίδραση Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών σε Χρωμοσώματα Το DNA είναι το σημαντικότερο συστατικό που μπορεί να πληγεί αφού μεταφέρει το γενετικό κώδικα Εκτός από τα λεμφοκύτταρα, τα ωοκύτταρα και τα ορώδη κύτταρα της παρωτίδας τα οποία καταστρέφονται κατά τη μεσόφαση, όλα τα άλλα είδη των κυττάρων των θηλαστικών υφίστανται αυτό που ονομάζεται «μιτωτικός θάνατος». Τα κύτταρα δεν πεθαίνουν αμέσως αλλά μόλις επιχειρήσουν την επόμενη ή τις λίγες επόμενες μιτώσεις. Κατά σύμβαση δε το κριτήριο ακεραιότητας κυττάρου είναι να δώσει 50 νέα κύτταρα, δηλ. να ολοκληρώσει 5-6 μιτώσεις (2 5 =32, 2 6 =64). Διότι αν και η σύνθεση του RNA επηρεάζεται από βλάβες DNA, υπάρχει RNA που συνεχίζει για λίγο κυτταρικές λειτουργίες.

8 Μεταλλάξεις - Χρωμοσωμικές Βλάβες Τα χρωμοσώματα λόγω της προσβολής του DNA από την ακτινοβολία υπάρχει πιθανότητα να υποστούν τις εξής μεταβολές: 1. Γονιδιακές ή σημειακές (εστιακές) μεταλλάξεις, (point mutations), του γενετικού κώδικα, που επιφέρουν κυτταρικό θάνατο ή μεταβιβάζονται στους απογόνους 2. Ποσοτικές μεταβολές του DNA των κυττάρων και δημιουργία πολυπλοειδικών γιγαντοκυττάρων 3. Χρωμοσωμικές μορφολογικές μεταβολές, ορατές κατά τη μίτωση του κυττάρου και όπου προκαλούνται θραύσεις σε διάφορα τμήματα των χρωμοσωμάτων και τα άκρα των κομματιών προσκολλώνται σε άλλα κομμάτια και όχι σε ακέραια. Μετά μπορεί να συμβούν τα εξής: α) Δεν γίνεται επανένωση και εξαλείφεται τμήμα χρωμοσώματος και φυσικά του γενετικού κώδικα, β) Τα τμήματα που αποκόπηκαν ξαναενώνονται αποκαθιστώντας τη βλάβη και, γ) Τα τμήματα των χρωμοσωμάτων ενώνονται «περίεργα» και προκύπτουν «χρωμοσώματα» με παράδοξη μορφολογία!

9 Μεταλλάξεις - Χρωμοσωμικές Βλάβες Μια σημειακή μετάλλαξη μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα την απαλοιφή (μετάλλαξη εξαλείψεως) μιας βάσης η οποία δημιουργεί στη συνέχεια ένα «ανώμαλο» γονίδιο. Έτσι μια γενετική μετάλλαξη περνά σε ένα από τα θυγατρικά κύτταρα Μορφολογικές μεταβολές Α. Κανονικό χρωμόσωμα Β. Εξάλειψη τελικού τμήματος C. Δικεντρικό χρωμόσωμα D. Σχηματισμός Δακτυλίου

10 Χρωμοσωμικές Βλάβες Οι χρωμοσωμικές αυτές αλλοιώσεις είναι βλάβες επιφέρουσες συνήθως άμεσα κυτταρικό θάνατο, (ασταθείς), ενώ ελάσσονες μη αναγνωρίσιμες τέτοιες αλλοιώσεις, (σταθερές), μεταβιβάζονται! Βαθμονόμηση βλαβών και σχεδιασμός καμπυλών αριθμού άτυπων δικεντρικών χρωμοσωμάτων ανά κύτταρο για διάφορα είδη ακτινοβολίας και ρυθμού δόσης, σε συνάρτηση με τη δόση για χρήση βιολογικής δοσιμέτρησης σε πυρηνικά ατυχήματα

11 Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ ΣΤΟΧΟΥ (Target Theory) Είναι φανερό ότι κατά την ακτινοβόληση ακόμη και με μικρής ποσότητας ενέργεια και αραιούς ιοντισμούς παράγονται σοβαρά βιολογικά αποτελέσματα, μέχρι και θάνατος των οργανισμών Για την εξήγηση αυτού του «ραδιοβιολογικού παράδοξου» επινοήθηκε η θεωρία του στόχου που βασίζεται σε δύο υποθέσεις: α) Η ακτινοβολία δρα με «ασυνεχή» εναπόθεση ενέργειας στο μέσον (σαν σφαίρες πολυβόλου με διακριτά πλήγματα-ιοντισμούς), β) Το κύτταρο διαθέτει κάποια δομικά στοιχεία (θέσεις στόχοι) με πολύ μεγαλύτερη ευαισθησία στα «πλήγματα» της ακτινοβολίας Θεωρείται ότι υπάρχουν ν ευαίσθητες θέσεις-στόχοι μέσα στο κύτταρο που πρέπει όλες να καταστραφούν για να θανατωθεί το κύτταρο, ενώ αν καταστραφούν ν-1 θέσεις το κύτταρο επιβιώνει και επιδιορθώνει τις βλάβες Οι ιοντισμοί από ακτίνες-χ και -γ κατανέμονται τυχαία << από θέσεις-στόχους. Έτσι πιθανότητα να πληγεί ένας στόχος (μόριο) είναι ανεξάρτητη από προηγούμενα «πλήγματα» και αυξανομένης δόσης καταστρέφεται σταθερό ποσοστό στόχων (εκθετικού τύπου συνάρτηση). Περιγραφή φαινομένου από κατανομή Poisson.

12 Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ ΣΤΟΧΟΥ (Target Theory) Μόριο στόχος Καμιά επίδραση Σύμφωνα με τη θεωρία του στόχου κυτταρικός θάνατος συμβαίνει μόνο αν το μόριο-στόχος απενεργοποιηθεί. Το μόριο-στόχος του κυττάρου είναι το DNA που βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου Κυτταρόπλασμα Πυρήνας Μικρή ΓΜΕ Άμεση δράση Κυτταρικός θάνατος Παρουσία Ο 2 ενισχύεται η έμμεση δράση της ακτινοβολίας και η περιοχή δράσης αυτής μεγαλώνει όταν η ακτινοβολία έχει μικρή ΓΜΕ. Ενώ για ακτινοβολίες μεγάλης ΓΜΕ η περιοχή δράσης δεν αλλάζει επειδή και κατά την άμεση δράση έχει ήδη γίνει μεγάλη ζημιά Παρουσία Ο 2 Παρουσία Ο 2 Μόριο στόχος Μικρή ΓΜΕ Έμμεση δράση Μεγάλη ΓΜΕ Άμεση δράση Μεγάλη ΓΜΕ Έμμεση δράση

13 Καμπύλες Επιβίωσης Η δράση των ακτινοβολιών πάνω σε δεδομένη βιολογική λειτουργία μελετάται από τον καθορισμό του ποσοστού των επιζώντων (π.ε.) της λειτουργίας σαν συνάρτηση της λαμβανόμενης δόσης. Έτσι, σχεδιάστηκε σύστημα αξόνων, (1956, Puck & Marcus), χ δόση, ψ log(π.ε.) Έστω ότι μετά από ακτινοβόληση Ν ο στόχων με δόση D «επιβιώνουν» Ν στόχοι Με περαιτέρω ακτινοβόληση με δόση dd αδρανοποιείται ποσοστό dn/n, οπότε ισχύει: dν Ν 1 Ν Ν dν 1 D D dd ή dd ή Dο Ν Ν ο Ν D D 0 o lnν lnν ο D D o ή ln Ν Ν D ή D/Do ο D o Ν Ν ο e ή log Ν D Νο 2,303D o ή logν logν ο 1 2,303 D D o

14 Καμπύλες Επιβίωσης Αν τα προς μελέτη δείγματα εκτεθούν σε δόση D = D o τότε από την εξίσωση D/D o παίρνουμε: Ν Ν ο e Ν 1 Ν ή Ν 0,37 Ν ο e ο Δηλαδή η σταθερά D o εκφράζει τη δόση που απαιτείται για να ελαττωθεί ο πληθυσμός στο 37% της αρχικής του τιμής και λέγεται «μέση θανατηφόρα δόση», συμβολίζεται δε ως: D 37 ( δόση 37%) Μπορούμε έτσι να εκφράσουμε την ραδιοευαισθησία ενός πληθυσμού με τη δόση D 37, δηλ. τη δόση όπου η επιβίωση αυτού είναι 37% Για την περιγραφή της σχέσης δόση-βιολογικό αποτέλεσμα χαράσσουμε τις καμπύλες των επιζώντων ή καμπύλες επιβίωσης (SF[Surviving Fraction] = Ν/Ν ο δόσης ή log Ν/Νο δόσης)

15 SF ή Ν/Ν ο Καμπύλες Επιβίωσης Δ. Καμπύλη μοντέλου ενεργοποίησης (Stimulation Model). Αύξηση βιωσιμότητας μετά χαμηλές δόσεις. Α. Καμπύλη μοντέλου απλού στόχου-απλού πλήγματος (Single Target, Single-Hit Model). Παρατηρείται όταν υπάρχει μόνο μια περιοχή που προσβαλλόμενη προκαλεί αδρανοποίηση B. Καμπύλη μοντέλου πολλαπλών στόχων-απλού πλήγματος (Multitarget, Single-Hit Model). Παρουσιάζει «ώμο» και παρατηρείται όταν υπάρχουν δύο (ή περισσότερες) προσβαλλόμενες περιοχές για αδρανοποίηση Γ. Καμπύλη μοντέλου δύο συνιστωσών (Two component Model). Παρατηρείται όταν υπάρχουν διαφορές ραδιοευαισθησίας σε πληθυσμό κυττάρων ή οργανισμών

16 Αριθμός επιζώντων κυττάρων Καμπύλες Επιβίωσης % ποσοστό επιβίωσης Γραφική παράσταση που παριστάνει λεπτομερώς την καμπύλη του μοντέλου απλού στόχου-απλού πλήγματος. Διακρίνεται η μέση θανατηφόρα δόση D 37. ν D 37 Δόση Γραφική παράσταση της καμπύλη του μοντέλου πολλαπλών στόχων-απλού πλήγματος. Διακρίνονται:1) η μέση θανατηφόρα δόση D 37, 2)η δόση κατωφλίου, D Q, που «αναλώνεται» για να επιδιορθωθούν μη θανατηφόρες βλάβες και 3)ο αριθμός προεκβολής ή προέκτασης, ν, που αντιστοιχεί στον αριθμό των ευαίσθητων θέσεωνστόχων του κυττάρου (σε θηλαστικά: ν=1 έως10, ενώ D Q 50 έως 400 cgy) Κλάσμα επιβίωσης (Ν/Ν ο ) D Q D o Δόση

17 Ο Νόμος των Bergonie-Tribondeau Το 1906 οι δύο αυτοί γάλλοι ερευνητές μετά από πειράματα ακτινοβόλησης όρχεων κουνελιών κατέληξαν στον ομώνυμο νόμο: «Τα κύτταρα είναι ακτινοευαίσθητα όταν είναι μιτωτικά ενεργά και μορφολογικά και λειτουργικά αδιαφοροποίητα» Δηλαδή περισσότερο ευαίσθητα στην ακτινοβολία είναι τα κύτταρα: 1) Με υψηλή ταχύτητα μίτωσης 2) Με κυτταρική διαίρεση που διαρκεί πολύ σε σχέση με τον κυτταρικό κύκλο 3) Όταν υπάρχει έλλειψη κυτταρικής εξειδίκευσης Σχηματική παράσταση του κυτταρικού κύκλου

18 Ποσοστό επιβίωσης Ο Νόμος των Bergonie-Tribondeau Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται καθαρά η ακτινοευαισθησία των διαφόρων φάσεων του κυτταρικού κύκλου σε ανθρώπινα κύτταρα ινοβλάστη: Διακρίνεται η διαφορά ευαισθησίας Μ > G 2 > G 1 > S. Δηλαδή φαίνεται στο σχήμα ότι η ελάχιστη επιβίωση υπάρχει κατά τη διάρκεια της μίτωσης (Μ), ενώ η μέγιστη επιβίωση κατά τη διάρκεια της ύστερης φάσης S Τέτοια κύτταρα λοιπόν παρουσιάζουν μέγιστο ραδιοευαισθησίας κατά τη διάρκεια της μίτωσης και μέγιστο ραδιοανθεκτικότητας κατά τη διάρκεια της ύστερης φάσης S

19 Άλλοι παράγοντες κυτταρικών βλαβών Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την έκταση των κυτταρικών βλαβών είναι κυρίως: Η ΓΜΕ (ή LET) ακτινοβολίας(γραμμική Μεταφορά Ενέργειας - Linear Transfer Energy) Η RBE (Relative Biological Effectiveness - σχετική βιολογική δραστικότητα ή αποτελεσματικότητα) Ο ΟΕR (Oxygen Enhancement Ratio - λόγος επαυξήσεως οξυγόνου) Καμπύλες επιβίωσης για διάφορα είδη ακτινοβολίας. Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνεται η τιμή της ΓΜΕ, αυξάνεται και ο αριθμός των καταστρεφόμενων κυττάρων, ενώ οι καμπύλες επιβίωσης χάνουν προοδευτικά τον «ώμο» και αποκτούν μεγαλύτερη κλίση

20 Άλλοι παράγοντες κυτταρικών βλαβών (RBE) Το σχετικό αποτέλεσμα της ΓΜΕ προσδιορίζεται ποσοτικά από την RBE η οποία ορίζεται: RBE Δόση (rad) ακτίνων- X (250keV) που παράγει δεδομένο αποτέλεσμα Δόση (rad) πειραματικ ής ακτινοβολίας που παράγει το ίδιο αποτέλεσμα Α. Σε επίπεδο κυτταρικής επιβίωσης 60% είναι RBE = 3, ενώ σε κυτταρική επιβίωση 1% RBE = 1,5, λόγω του «ώμου». Β. Ο κερματισμός της δόσης αυξάνει την RBE διότι ο «ώμος» αναπαράγεται μεταξύ των κλασμάτων των ακτίνων-χ ενώ στα νετρόνια δεν υπάρχει «ώμος»

21 Σχετική βιολογική δραστικότητα ή αποτελεσματικότητα (RBE) Παράδειγμα: Απαιτήθηκε δόση 300 rad για να θανατωθούν ποντίκια που ακτινοβολήθηκαν με ακτίνες-χ ενέργειας 250 kev. Αν τα ποντίκια ακτινοβοληθούν με βαρείς πυρήνες απαιτούνται μόνο 100 rad. Να υπολογισθεί η RBE για τους βαρείς πυρήνες. 300 rad Λύση: Σύμφωνα με τον ορισμό: RBE ή RBE rad

22 Άλλοι παράγοντες κυτταρικών βλαβών (ΟΕR) Σαν λόγος επαυξήσεως οξυγόνου (ΟΕR) ορίζεται ο λόγος της δόσης που απαιτείται για κάποιο βιολογικό αποτέλεσμα, υπό ανοξικές ή υποξικές συνθήκες προς τη δόση που απαιτείται για το ίδιο αποτέλεσμα υπό συνθήκες επαρκούς οξυγονώσεως: Δόση (rad) που παράγει δεδομένο αποτέλεσμα υπό ανοξικές συνθήκες OER Δόση (rad) που παράγει το ίδιο αποτέλεσμα υπό αερόβιες συνθήκες Ν/Ν ο Χαμηλή ΓΜΕ Χωρίς Ο 2 Καμπύλες επιβίωσης ανθρώπινων κυττάρων που ακτινοβολήθηκαν σε ευοξικές και υποξικές συνθήκες με ακτίνες χαμηλής και υψηλής ΓΜΕ Υψηλή ΓΜΕ Με Ο 2 Δόση

23 Λόγος επαυξήσεως οξυγόνου (ΟΕR ) Παράδειγμα: Ακτινοβολήθηκαν καρκινικοί όγκοι ποντικιών υπό ανοξικές συνθήκες και η δόση «ελέγχου» του όγκου βρέθηκε ότι είναι rad. Αν οι όγκοι ακτινοβοληθούν υπό αερόβιες συνθήκες απαιτείται δόση ελέγχου ίση με rad. Να υπολογίσετε τον ΟΕR γι αυτό το σύστημα 5000 rad Λύση: Σύμφωνα με τον ορισμό: OER ή OER rad

24 Τι συμβαίνει στα ακτινοβοληθέντα κύτταρα Στη βιβλιογραφία της ραδιοβιολογίας η επιβίωση κυττάρου μετά από ακτινοβόληση είναι συνώνυμη με τη διατήρηση της αναπαραγωγικής ικανότητας αυτού. Έτσι σε σύνολο κυττάρων που ακτινοβολήθηκαν μπορούν να συμβούν επιδράσεις και αλλοιώσεις όπως καταγράφονται στον πίνακα: Καμία βλάβη Είδος βλάβης Μη θανατηφόρα βλάβη Επίδραση-Αλλοίωση Διατήρηση φυσιολογικής αναπαραγωγικής ικανότητας Διατήρηση αναπαραγωγικής ικανότητας μετά από κάποιο διάστημα ανάνηψης Δυνητικά θανατηφόρα βλάβη Διατήρηση αναπαραγωγικής ικανότητας μετά από ανάνηψη σε κατάσταση ηρεμίας Καθυστέρηση στη μίτωση Υπο-θανατηφόρα βλάβη Θανατηφόρα βλάβη Ανεξάρτητα από θανατηφόρο ή μη επίδραση, καθυστέρηση στις φάσεις G 2 και S Διατήρηση αναπαραγωγικής ικανότητας, αργός ρυθμός ανάπτυξης Απώλεια αναπαραγωγικής ικανότητας

25 Ακτινοευαισθησία Τι συμβαίνει στα ακτινοβοληθέντα κύτταρα Σύμφωνα με όσα ήδη αναφέρθηκαν κατανοούμε βεβαίως την παρακάτω κατάταξη των κυττάρων με σειρά μειούμενης ακτινοευαισθησίας: 1. Λεμφοκύτταρα 2. Κύτταρα του μυελού των οστών 3. Κύτταρα του σπέρματος και των ωαρίων 4. Σμηγματογόνα κύτταρα 5. Κύτταρα του ματιού 6. Κύτταρα του συκωτιού 7. Νευρικά κύτταρα 8. Μυϊκά κύτταρα

26 Τι συμβαίνει στα ακτινοβοληθέντα κύτταρα Η ακτινοβόληση κυττάρων αν δεν τα θανατώσει μπορεί να τα μετατρέψει σε καρκινικά, σε συχνότητες που ποικίλλουν για τις διάφορες νεοπλασίες και τα διάφορα είδη κυττάρων. Η πιθανότητα και ο χρόνος εμφάνισης νεοπλάσματος εξαρτώνται από πολλές παραμέτρους του μικροπεριβάλλοντος του κυττάρου Δημιουργία καρκινικών κυττάρων μετά από έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία

27 Στοχαστικές και μη στοχαστικές επιπτώσεις ακτινοβολίας Γενικά οι επιπτώσεις της ακτινοβολίας σε βιολογικά συστήματα μπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες: Πιθανότητα εμφανίσεως στοχαστικών επιπτώσεων Εμφάνιση και σοβαρότητα μη-στοχαστικών επιπτώσεων Στοχαστικές ή πιθανολογικές που συμβαίνουν τυχαία, ακολουθούν τους νόμους των πιθανοτήτων ενώ η πιθανότητα εμφάνισής τους αυξάνεται με τη δόση χωρίς όμως να υπάρχει κάποιο κατώφλι δόσης. Τέτοιες είναι η καρκινογένεση, οι μεταλλάξεις και οι χρωμοσωμικές ανωμαλίες Μη Στοχαστικές ή μη πιθανολογικές που συμβαίνουν μάλλον τυχαία, δεν μπορούν να συσχετισθούν μ ένα συγκεκριμένο προκλητικό παράγοντα ενώ εμφανίζονται πάντα πάνω από μια δόση κατωφλίου (μεγάλες δόσεις σε μικρή περίοδο χρόνου σε όλο το σώμα-δερματολογικές αιματολογικές αλλοιώσεις, γαστρο-εντερικά προβλήματα) Αβέβαιες επιπτώσεις Δόση (rem) Γνωστές επιπτώσεις Κατώφλι δόσης Δόση (rem)

28 Τι συμβαίνει στους ακτινοβοληθέντες ιστούς Οι βλάβες που υφίστανται οι σωματικοί ιστοί από την ακτινοβολία είναι συνάρτηση των βλαβών των κυττάρων από τα οποία αποτελούνται. Γενικά, λοιπόν, ο αριθμός και η ποικιλία των βλαβών σε συγκεκριμένο ιστό εξαρτώνται από: 1. Το είδος της ακτινοβολίας (ΓΜΕ, RBE) 2. Τη συγκέντρωση του οξυγόνου (OER) 3. Την ολική δόση της ακτινοβολίας που δέχεται (όσο μεγαλύτερη τόσο χειρότερα) 4. Τον ρυθμό παροχής της δόσης (οι βλάβες των σωματικών ιστών επανορθώνονται με αντιστρεπτή φυσιολογική διεργασία, μακροχρόνια) 5. Την κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο ιστός τη στιγμή της ακτινοβόλησης (ενυδάτωση, μεταβολική και αναπαραγωγική κατάσταση κ.λπ.) 6. Έκταση ιστού που ακτινοβολείται (όσο μικρότερη η ακτινοβολούμενη περιοχή τόσο μεγαλύτερη η ανθεκτικότητά του) 7. Είδος και δομή ιστού (διαφορετικοί ιστοί παρουσιάζουν άλλη ευαισθησία στην ακτινοβολία)

29 Τι συμβαίνει στους ακτινοβοληθέντες ιστούς Οι διάφοροι ιστοί μπορούν να καταταγούν και αυτοί σύμφωνα με την ακτινοευαισθησία τους ως ακολούθως: Είδος ιστού λεμφοβλάστες Αιμοποιητικός ερυθροβλάστες μυελοβλάστες Ακτινοευαισθησία Πολύ μεγάλη Επιθηλιακός Ενδοθηλιακός Συνδετικός Χονδρικός Οστίτης Νευρικός Μυϊκός όρχεις εντερικός βλεννογόνος ωοθήκες δέρμα επιδερμίδα ιδρωτοποιοί αδένες σμηγματογόνοι αδένες βασική στιβάδα Μεγάλη Σχετική

30 Αυθαίρετα ορίζεται η ελάχιστη αποδεκτή δόση (Tolerance Dose) TD 5/5 και TD 50/5 ως η δόση που σε 5 χρόνια έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση της συγκεκριμένης αντίδρασης στο 5% και 50% του πληθυσμού που ακτινοβολήθηκε. Δόσεις ανοχής φυσιολογικών ιστών Κύτταρα- ιστός στόχος Αντίδραση-Βιολογικό αποτέλεσμα Λεμφοκύτταρα Σπερματοκύτταρα Ωοκύτταρα Φακός Στελεχιαία κύτταρα (stem) μυελού οστών cgy cgy Νεφρός Πνεύμονας Αγγειακό στρώμα διαμέσου ιστού cgy Ήπαρ Μυελός οστών cgy Λεμφοπενία Στειρότητα Στειρότητα Καταρράκτης Οξεία απλασία Αρτηριονεφροσκλήρυνση Πνευμονίτιδα, ίνωση Ηπατοπάθεια Υποπλασία TD 5/5 TD 5/50 (Gy) Καρδιά cgy Περικαρδίτις, πανκαρδίτις Γαστρεντερικό Νωτιαίος μυελός cgy Απόφραξη-νέκρωση Μυελοπάθεια Εγκέφαλος Ορθό Ουρ. κύστη cgy Εγκεφαλοπάθεια Έλκος Έλκος

31 Η ακτινοβόληση του αιμοποιητικού ιστού (μυελός οστών) με τη μέση θανατηφόρο δόση (LD50),προκαλεί ελάττωση του αριθμού των ερυθροβλαστών, ακολουθούμενη από νέκρωση των κυττάρων, που θα οδηγήσει στο θάνατο το 50% των πειραματοζώων και θα προκαλέσει ελάττωση λευκοκυττάρων και αιμοπεταλίων στα υπόλοιπα Στην καρδιά παρουσιάστηκαν ηλεκτροκαρδιογραφικές αλλοιώσεις σε σκύλους μετά από χαμηλές δόσεις ακτινοβολίες, οφειλόμενες μάλλον σε μεταβολές συγκέντρωσης καλίου στον ορό του αίματος. Ο φακός του ματιού είναι αρκετά ευαίσθητος στη δημιουργία καταρράκτη ακόμα και με δόσεις rad ακτίνων-χ και 1 rad νετρονίων μεγάλης ταχύτητας. Καθαροί φακοί Φακοί με καταρράκτη Σε κανονικό μάτι το φως εστιάζεται ακριβώς πάνω στον αμφιβληστροειδή χιτώνα Σε μάτι με καταρράκτη το φως διαχέεται σε όλο το μάτι και δεν εστιάζεται ακριβώς πάνω στον αμφιβληστροειδή χιτώνα

32 Τι συμβαίνει στους ολόσωμα ακτινοβοληθέντες οργανισμούς Στην ολόσωμη έκθεση σε ακτινοβολία ενός οργανισμού απαιτείται μικρότερη δόση για να έχουμε εμφανές αποτέλεσμα, σε σχέση με τη δόση ακτινοβόλησης μέρους του σώματος τοπικά. Ο αριθμός και η ποικιλία των βλαβών από την ολόσωμη έκθεση οργανισμών στην ακτινοβολία εξαρτώνται επίσης, εκτός από τους παράγοντες που προαναφέρθηκαν για τους ιστούς, και από: 8. Την ηλικία (αυξανομένης της ηλικίας ο οργανισμός γίνεται περισσότερο ραδιοανθεκτικός) 9. Το φύλο του προσβαλλόμενου οργανισμού (τα αρσενικά μέλη κάθε είδους είναι συνήθως πιο ευαίσθητα ) Η δόση της ακτινοβολίας που παράγει δεδομένο βιολογικό φαινόμενο σε οργανισμούς κατά την ολόσωμη ακτινοβόληση, είναι αντιστρόφως ανάλογη της σχετικής ραδιοευαισθησίας Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει μέσες τιμές ραδιευαισθησίας (κατά Pasinetti) μερικών ειδών για ολόσωμη έκθεση στην ακτινοβολία. Η δόση LD 50/30, (Lethal Dose), είναι εκείνη που θανατώνει το 50% των εκτεθέντων οργανισμών σε διάστημα 30 ημερών μετά την ακτινοβόληση.

33 Ραδιοευαισθησία διαφόρων ζώων (κατά Pasinetti) Είδος οργανισμού LD 50/30 (rem) Ραδιοανθεκτικότητα Ινδικά χοιρίδια Χοίρος Σκύλος Άνθρωπος Πίθηκος Ποντικός Αρουραίος Κουνέλι Πτηνά Χελώνα Τρίτωνας Σαλιγκάρι Μαλάκια-Οστρακόδερμα Αρθρόποδα Κοιλεντερωτά Μύκητες Αμοιβάδες Paramecium (Βλεφαριδοφόρο) Ραδιοευαίσθητα Σχετικά Ραδιοευαίσθητα Σχετικά Ραδιοανθεκτικά Ραδιοανθεκτικά Ισχυρά Ραδιοανθεκτικά

34 Τι συμβαίνει Τι συμβαίνει στους στους ολόσωμα ακτινοβοληθέντες οργανισμούς οργανισμούς Η έκθεση οργανισμών σε ακτινοβολία χαμηλής έντασης ή και υψηλής που όμως δίνεται κατανεμημένη σε βάθος χρόνου (μέρες, βδομάδες και χρόνια) προκαλούν διαταραχές που αποτελούν τη λεγόμενη χρονία ακτινοπάθεια. Γενικά συμπτώματα: ανορεξία, ναυτία, έμετοι διάρροια, πονοκέφαλοι, ίλιγγοι αϋπνίες, αδυναμία, υπόταση, καρδιακή αρρυθμία κ. άλ. Τοπικά φαινόμενα: καρκίνος δέρματος, λευχαιμία, καταρράκτης, στείρωση κ.λπ. Η ολόσωμη έκθεση οργανισμών σε ακτινοβολίες υψηλής έντασης που δίνονται σε σύντομο χρόνο (μέσα σε 24 hr) προκαλούν διαταραχές (μηστοχαστικές επιπτώσεις) που αποτελούν τη λεγόμενη οξεία ακτινοπάθεια Τα συμπτώματα μετά την «οξεία» ακτινοβόληση ακολουθούν γενικά τρεις φάσεις σχετιζόμενες κυρίως με τον χρόνο μετά την έκθεση: 1. «Πρόδρομη φάση» (μέσα σε λίγα λεπτά έως και 48 ώρες μετά την έκθεση) 2. «Λανθάνουσα περίοδο» (καθορίζουσα τον απαιτούμενο χρόνο για αποβολή ουσιωδών κατεστραμμένων κυττάρων) και 3. «Κυρία φάση» (εξαρτώμενη από τον αριθμό των επιζησάντων μη ώριμων κυττάρων)

35 Τι συμβαίνει στους ακτινοβοληθέντες οργανισμούς Τρία σύνδρομα περιγράφονται μετά την έκθεση σε ολόσωμη «οξεία δόση» ενός οργανισμού, που εμφανίζονται μετά την πρόδρομη φάση, ανάλογα με την δόση και μετά από διαφορετικούς λανθάνοντες χρόνους: Σε δόσεις από 50 - λίγες χιλιάδες Gy εμφανίζεται το σύνδρομο του ΚΝΣ (Κεντρικού Νευρικού Συστήματος), όπου λόγω αγγειίτιδας και οιδήματος προκαλούνται: διαταραχές κινητικότητας, ατονία, απάθεια, λήθαργος και τέλος θάνατος (LD 50/2 ) Σε δόσεις από 5-20 Gy στην κοιλιά εμφανίζεται το γαστρεντερικό σύνδρομο, όπου λόγω απογύμνωσης του εντερικού βλεννογόνου προκαλούνται: διάρροια, δυσαπορρόφηση, ειλεός, αιμορραγία, απώλεια βάρους, αφυδάτωση και λοιμώξεις (LD 50/5-8 ) Σε δόσεις από <5 Gy εμφανίζεται το αιμοποιητικό σύνδρομο, όπου λόγω πτώσης αριθμού κοκκιοκυττάρων, λεμφοκυττάρων και αιμοπεταλίων προκαλούνται: αιμορραγία, αναιμία, θρομβώσεις, ανορεξία, ρίγη, τριχόπτωση και λοιμώξεις (LD 50/30 ) Γενικά για τον άνθρωπο η μέση LD 50 = 3-4 Gy ολόσωμης ακτινοβόλησης. Δηλαδή από τους ανθρώπους που πήραν συνολική ολόσωμη δόση 3-4 Gy το 50% θα πεθάνουν, ενώ οι υπόλοιποι θα ανανήψουν.

36 4. Τη Διεθνή Ένωση Ακτινοπροστασίας (International Radiation Protection Association, IRPA) παρέχουν συστάσεις σε ρυθμιστικά όργανα και υποστηρίζουν την επαφή μεταξύ μελών της διεθνούς κοινότητας για την ακτινοπροστασία ΑΚΤΙΝΟΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Διάφορες διεθνείς επιτροπές και οργανισμοί, που έχουν ιδρυθεί κατά καιρούς (ήδη από το 1920) έχουν καθορίσει διάφορους κανονισμούς ακτινοπροστασίας με στόχο: Πρόληψη μη-στοχαστικών επιπτώσεων από την ακτινοβολία Περιορισμό των στοχαστικών επιπτώσεων σε ένα αποδεκτό επίπεδο Οι κυριότερες τέτοιες επιτροπές είναι: 1. Διεθνής Επιτροπή Ακτινοπροστασίας (International Commission on Radiological Protection ICRP) 2. Εθνικό Συμβούλιο Ακτινοπροστασίας και Μετρήσεων (National Council on Radiation Protection and Measurements, NCRP) στις ΗΠΑ Αυτοί οι δύο οργανισμοί μαζί με: 3. Το Διεθνή Οργανισμό Ατομικής Ενέργειας (International Atomic Energy Agency, IAEA) και

37 ΑΚΤΙΝΟΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Τα νομικά πλαίσια για την έκθεση σε ακτινοβολία είναι θέμα ρυθμιστικών οργανισμών όπως: Ρυθμιστική Επιτροπή για Πυρηνικά των ΗΠΑ (United States Nuclear Regulatory Commision, NRC) και Οργανισμός Προστασίας Περιβάλλοντος (Environmental Protection Agency, EPA) Υπάρχουν τρεις ομάδες ανθρώπων για τις οποίες έχουν θεσπισθεί πρότυπα ακτινοπροστασίας: α) Το ευρύ κοινό, όπου συνιστάται προσωπικό όριο τα 5 msv (500 mrem) το χρόνο β) Οι επαγγελματικά εκτιθέμενοι, όπου το προσωπικό όριο καθορίζεται στα 50 msv (5 rem) το χρόνο και η προσθετική δόση σε rem δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 5(Ν-18) rem το χρόνο, όπου Ν η ηλικία σε χρόνια, και γ) Οι ιατρικά εκτιθέμενοι, για τους οποίους δεν θεσπίσθηκαν συγκεκριμένα όρια, αλλά ισχύει γενικά η αρχή η γνωστή ως ALARA (As Low As Reasonably Achievable, δηλ. δόση τόσο χαμηλή όσο είναι λογικά εφικτό)

38