Βιολογικές επιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Παράγοντες εκθέσεως σε ακτινοβολία ασθενών & προσωπικού

Transcript

1 Βιολογικές επιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Παράγοντες εκθέσεως σε ακτινοβολία ασθενών & προσωπικού Π. Πλατώνη Φυσικός Ιατρικής Ακτινοφυσικός Μονάδα Ακτινοφυσικής, Β Εργαστήριο Ακτινολογίας ΠΓΝ «ΑΤΤΙΚΟΝ»

2 Τι είναι Ακτινοβολία? Η ακτινοβολία είναι ενέργεια σε μορφή κυμάτων ή κινούμενων υποατομικών σωματιδίων. Διακρίνεται σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με την ενέργεια και την επίδρασή της στην ύλη: τη μη ιοντίζουσα και ιοντίζουσα.

3 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης Αλληλεπίδραση φορτισμένων σωματίων (ηλεκτρόνια) με την ύλη Οι συγκρούσεις μεταξύ των φορτισμένων σωματίων και των ατόμων ή μορίων του υλικού μέσου είναι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δυνάμεων έλξης απώθησης Όταν ένα φορτισμένο σωμάτιο περνά κοντά από ένα άτομο, εξασκεί ηλεκτρικές δυνάμεις επί των τροχιακών ηλεκτρονίων του. Αν η απόσταση είναι μικρή μεγάλης έντασης δύναμη ιοντισμός ατόμου (ιονισμός = υπεύθυνος για τις ραδιοβιολογικές επιδράσεις) Αν η απόσταση είναι μεγάλη μικρής έντασης δύναμη μεταπήδηση ενός τροχιακού ηλεκτρονίου σε διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση Αν το φορτισμένο σωμάτιο διαπερνά το νέφος των τροχιακών ηλεκτρονίων, αλληλεπιδρά με τον πυρήνα του ατόμου σωμάτιο επιβραδύνεται και χάνει ενέργεια υπό την μορφή εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ακτινοβολία πέδησης ή bremsstralung ) το

4 Ιοντίζουσες Ακτινοβολίες Μεταφέρουν ενέργεια ικανή να εισχωρήσει στην ύλη, να προκαλέσει ιοντισμό των ατόμων της, να διασπάσει βίαια χημικούς δεσμούς και να προκαλέσει βιολογικές βλάβες στον ανθρώπινο οργανισμό. Ιοντισμός ενός ουδέτερου ατόμου είναι η βίαιη απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από τις στοιβάδες του, λόγω εξωτερικού αιτίου, με αποτέλεσμα την παραγωγή δυο αντίθετα φορτισμένων ιόντων, του θετικού ατόμου και του αρνητικού ηλεκτρονίου.

5 Ιοντίζουσες Ακτινοβολίες Ακτίνες Χ Ακτίνες γ Φωτόνια Ακτινοβολία β Ηλεκτρόνια Πρωτόνια Σωματίδια-α Νετρόνια Πυρηνικά σωματίδια

6 Από πού ακτινοβολούμαστε? Όλοι δεχόμαστε ακτινοβολία από ένα μεγάλο σύνολο φυσικών και τεχνητών πηγών που βρίσκονται παντού γύρω μας. Η ακτινοβολία επιδρά στον οργανισμό κατά τρόπο πολύπλοκο, άλλοτε ευεργετικά και άλλοτε βλαβερά, ανάλογα με το είδος, την έντασή της και την ενέργεια που μεταφέρει.

7 Συστήματα και πηγές ακτινοβολιών (2015) Περίπου 6-7 στα 10 άτομα των ανεπτυγμένων χωρών εκτίθενται ετησίως σε ιοντίζουσες ακτινοβολίες για ιατρικούς (ή οδοντιατρικούς) σκοπούς 8373 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

8 Μέσες ετήσιες δόσεις ακτινοβολίας από διάφορες πηγές του περιβάλλοντος (Φυσικές και Τεχνητές) Κοσμική ακτινοβολία 0,3 msv Επίγειος ακτινοβολία 0,4 msv Ιατρική διαγνωστική ακτινοβολία 0,3 msv Πυρηνικοί σταθμοί ηλεκτρικής ενέργειας και ραδιενεργά απόβλητα Από τις πυρηνικές δομικές Ποικίλες άλλες πηγές 0,002 msv 0,005 msv 0,01 msv Lakey J.R.A. (1990): Radiation-not in my backyard.

9 Πηγή: EEAE, Έκθεση Πεπραγμένων 2015

10 The United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR) 2000 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΑΣΘΕΝΕΙΣ

11 Γνωρίζω για τις βιολογικές επιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολία από τα comics!!!!!

12 Γνωρίζω για τις βιολογικές επιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τα media λόγω ατυχημάτων ή πολεμικών επιθέσεων!!!!!!!

13 Γνωρίζω για τις βιολογικές επιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τη χρήση τους στην ΙΑΤΡΙΚΗ για Διαγνωστικούς σκοπούς ή θεραπευτικούς σκοπούς (1) Πηγή: Ανακάλυψη ακτινών Χ από τον Wilhelm Conrad RΟΕΝTGΕΝ ( ) το 1896 Η Madame Curie πέθανε στις 4 Ιουλίου του 1934 από λευχαιμία. Η μακρόχρονη έκθεση της στη ραδιενέργεια της κόστισε την ζωή. Πάντοτε κουβαλούσε στην τσέπη της ιατρικής της ρόμπας φιαλίδια με ράδιο

14 Γνωρίζω για τις βιολογικές επιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τη χρήση τους στην ΙΑΤΡΙΚΗ για Διαγνωστικούς σκοπούς ή θεραπευτικούς σκοπούς (2)

15 Γνωρίζω για τις βιολογικές επιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τη χρήση τους στην ΙΑΤΡΙΚΗ για Διαγνωστικούς σκοπούς ή θεραπευτικούς σκοπούς (3)

16 Στάδια δράσης της ακτινοβολίας στο υλικό Φυσικό στάδιο Οι ιοντίζουσα ακτινοβολία προκαλεί διέγερση ή ιονισμό ατόμων του υλικού Κατά τη διέγερση, e- μεταπηδούν σε τροχιές υψηλότερης ενέργειας Κατά τον ιονισμό, e- εκτινάσσονται από το άτομο: δευτερεύοντα e- Χρονική διάρκεια: δευτερόλεπτα Φυσικο - χημικό στάδιο Τα δευτερεύοντα e- προκαλούν ιονισμούς κατά την πορεία τους, με αποτέλεσμα την παραγωγή διεγερμένων μορίων και ελεύθερων ριζών Βιολογικό στάδιο Οι ελεύθερες ρίζες προκαλούν βλάβη σε κυτταρικούς στόχους, όπως DNA, RNA Ένζυμα Μεμβράνη

17 Βιολογικά Αποτελέσματα Ακτινοβολιών 1. Εναπόθεση της ενέργειας της ακτινοβολίας στο υλικό του κυττάρου 2. Τα παραγόμενα ιόντα αντιδρούν με άλλα μόρια και παράγουν χημικά προϊόντα όπως το ΟΗ- 3. Αλλοιώσεις των κυτταρικών πρωτεϊνών, μεμβρανών και τουdna 4. Άμεσες ή καθυστερημένες σωματικές επιπτώσεις. 5. Γενετικές επιπτώσεις

18 Βιολογικά Αποτελέσματα Ακτινοβολιών Η απορρόφηση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τα βιολογικά υλικά δημιουργεί ιοντισμούς και διεγέρσεις με αποτέλεσμα τη δημιουργία ορισμένων σχηματισμών που ονομάζονται ελεύθερες ρίζες. Οι ελεύθερες ρίζες είναι άτομα ή μόρια των οποίων ένα ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στιβάδας δεν σχηματίζει ζεύγος (ασύζευκτο ηλεκτρόνιο), με αποτέλεσμα οι ελεύθερες ρίζες να είναι εξαιρετικά χημικώς δραστικές. Το μόριο που κυριαρχεί ποσοτικά στα βιολογικά υλικά είναι αυτό του ύδατος, συνεπώς είναι αυτό που κυρίως δέχεται την επίδραση της ακτινοβολίας

19 Μηχανισμοί πρόκλησης βλαβών Έμμεσος: Ραδιόλυση του νερού Η ακτινοβολία επιδρά με το κυτταρικό νερό Παραγωγή ελευθέρων ριζών που διαχέονται στο κύτταρο και φτάνουν στο DNA Ενίσχυση των αποτελεσμάτων σε παρουσία οξυγόνου (υπεροξυδομένες ρίζες) (το μοριακό οξυγόνο στο περιβάλλον των ακτινοβολημένων κυττάρων, δημιουργεί πολλές ελεύθερες ρίζες ενώ το τοξικό μόριο Η2Ο2, ενώνεται με μόρια-δότες Η και "μονιμοποιεί" τις βλάβες στα οργανικά μόρια) Άμεσος: Η ακτινοβολία αλληλεπιδρά απευθείας με το DNA με πρόκληση βλαβών

20 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-βιολογικών υλικών (1) Η πρώτη αντίδραση γίνεται σε χρόνο sec: H 2 O H 2 O +ο + e- (l) (ιοντισμός νερού) ο κυκλίσκος συμβολίζει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο Το μόριο Η 2 Ο + είναι και θετικό ιόν και ελεύθερη ρίζα και αντιδρά με ένα «νέο» μόριο νερού και παράγει ρίζα υδροξυλίου ή διασπάται : Η 2 Ο + + Η 2 Ο Η 3 Ο + + ΟΗ Η 2 Ο +0 Η + + ΟΗ (ΙΙα) (ΙΙβ) Γύρω στα δευτερόλεπτα αργότερα το ηλεκτρόνιο συνδέεται με μόρια νερού ["ενυδατωμένο ηλεκτρόνιο", e(aq)] ή μπορεί να παραχθεί μια ρίζα ελεύθερου υδρογόνου: e(aq) + H + H o αλλά και: ΟΗ + ΟΗ Η 2 Ο 2 (ΙΙΙ) (ΙV) Το μόριο ΟΗ είναι ελεύθερη ρίζα μεγάλης δραστικότητας (λόγω ασύζευκτου ηλεκτρονίου) που μπορεί να διαχέεται στο «περιβάλλον». Έχει χρόνο ζωής 10-9 δευτερόλεπτα Η παραγωγή (και άλλων) ελεύθερων ριζών συνεχίζεται. Οι ελεύθερες ρίζες προκαλούν οξείδωση ή αναγωγή και βιολογικούς στόχους, π.χ. το DNA Το παραγόμενο υπεροξείδιο του υδρογόνου τότε, δημιουργεί βλάβες στα κύτταρα σπάζοντας μεγάλα μόρια και DNA. «κτυπούν» όπως πρωτεΐνες

21 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-βιολογικών υλικών (2) Συνοπτικά, η ραδιόλυση του ύδατος περιγράφεται από την εξίσωση: Η 2 Ο -> e(aq) + OH ο + Η ο + Η 2 + Η 2 Ο 2 (5) Οι ελεύθερες ρίζες ΟΗ, είναι ασταθείς και εξαιρετικά δραστικές, γι' αυτό και η εμβέλεια τους είναι μικρότερη από 100 Angstrom. Εάν ένα οργανικό μόριο, RH (π.χ. DNA), βρεθεί μέσα στην τροχιά των ελευθέρων ριζών, θα συμβούν αντιδράσεις της μορφής: RH + ΟΗ R ο + Η 2 O Θα παραχθούν δηλαδή οργανικές ρίζες R, που ως ασταθείς και με υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο, θα μετασχηματιστούν γρήγορα προκαλώντας μεταβολή-βλάβη στη δομή του οργανικού μορίου. Το 65% της βλάβης του DNA οφείλεται στις ρίζες υδροξυλίου

22 Βλάβες στο DNA Είδος προκαλούμενης βλάβης από την ακτινοβολία: Βλάβη σε μία βάση του : 80 % Μονό σπάσιμο (SSB) : 20 % Διπλό σπάσιμο (DSB) : 1 % LMDS (locally multiplied damaged site ):0,3% Απλά σπασίματα της έλικας του DNA είναι εφικτό να διορθωθούν από τους διορθωτικούς μηχανισμούς που διαθέτει το κύτταρο. Αν τα σπασίματα δε διορθωθούν, τότε το κύτταρο επιζεί, αλλά είναι μεταλλαγμένο και δεν μπορεί να υλοποιήσει κάποιες από τις λειτουργίες του. Πολλαπλά σπασίματα είναι πολύ δύσκολο να διορθωθούν και οδηγούν σε μετάλλαξη ή θάνατο του κυττάρου.

23 Βιολογικά Αποτελέσματα Ακτινοβολιών Επιδιόρθωση Βλάβης Επιζών κύτταρο Θάνατος κυττάρου Άμεσα αποτελέσματα Το κύτταρο επιζεί μεταλλαγμένο Απώτερα αποτελέσματα ΕΕΑΕ, Σ. Οικονομίδης

24 Βιολογικά Αποτελέσματα Ακτινοβολιών Σωματικά αποτελέσματα: Η βλάβη εμφανίζεται στο άτομο που ακτινοβολείται και μπορεί να είναι Βραχυπρόθεσμα (εγκαύματα, αλλοιώσεις του αίματος κ.λ.π., έως θάνατος) Μακροπρόθεσμα (καρκινογέννεση) Κληρονομικά αποτελέσματα: Εμφάνιση στους απογόνους (αλλοιώσεις της διάπλασης, λειτουργικές διαταραχές κ.λ.π.) εξαιτίας βλάβης (μετάλλαξης) στα γονίδια των αναπαραγωγικών κυττάρων (γονάδες) Στοχαστικά αποτελέσματα είναι εκείνα για τα οποία η πιθανότητα εμφάνισης τους και όχι η σοβαρότητα τους είναι συνάρτηση της δόσης χωρίς ύπαρξη κατωφλίου. Το πιο σημαντικό στοχαστικό αποτέλεσμα είναι ο καρκίνος. Μη στοχαστικά (άμεσα ή καθορισμένα) αποτελέσματα είναι εκείνα για τα οποία η σοβαρότητά τους είναι συνάρτηση της δόσης και υπάρχει κάποιο κατώφλι. Πχ. Καταρράκτης ματιών, βλάβες στα αιμοσφαίρια, βλάβες στη γονιμοποίηση. Ανιχνεύονται μόνα αν η δόση υπερβεί το κατώφλι.

25 Συνοπτική Περιγραφή Βιολογικών Αποτελέσματων Ακτινοβολίας deterministic stochastic deterministic

26 Από πού εξαρτάται η βιολογική βλάβη? Γραμμικά εναποτιθέμενη ενέργεια (Linear Energy Transfer, L.E.T.) Ένα φορτισμένο σωματίδιο κατά την πορεία του μέσα σε κάποιο υλικό, αποθέτει την ενέργεια του στα μόρια του υλικού αυτού, κατά μήκος της τροχιάς του. Η μέση εναποτιθέμενη ενέργεια ανά μονάδα μήκους της τροχιάς του σωματιδίου, ονομάζεται γραμμικά εναποτιθέμενη ενέργεια (Linear Energy Transfer, L.E.T.) και μετριέται σε kev/μm. Επομένως, υψηλή LET, σημαίνει πυκνούς ιοντισμούς και κατά συνέπεια μεγαλύτερη βιολογική βλάβη. Σχέση μεταξύ της σχετικής βιολογικής αποτελεσματικότητας της ακτινοβολίας με την LET

27 Από πού εξαρτάται η Κυτταρική Επιβίωση? Μεταβολή της επιβίωσης του κυττάρου με τον κυτταρικό κύκλο, την παρουσία οξυγόνου και το είδος της ακτινοβολίας Ευαισθησία σε συνάρτηση του κυτταρικού κύκλου Επίδραση του οξυγόνου στην επιβίωση των κυττάρων Διαταραχή της κυτταρικής ευαισθησίας με το είδος της ακτινοβολίας Γ. Τσιπολίτης 27

28 Πως εκτιμάται η βιολογική επίδραση? Απορροφούμενη δόση. Η ενέργεια που εναποτίθεται ανά μονάδα μάζας Μονάδα : Gray (Gy) = 1 Joule / kg Ισοδύναμη δόση. Η απορροφούμενη δόση σταθμισμένη για το είδος της ακτινοβολίας Μονάδα : Sievert (Sv) = 1 Joule / kg Ενεργός δόση. Η ισοδύναμη δόση σταθμισμένη για την βιολογική επίπτωση της ακτινοβολίας στους διάφορους ιστούς του σώματος Μονάδα : 1 Sievert (Sv)

29 Βιολογικά Αποτελέσματα : Στοχαστικά Η πιθανότητα εμφάνισής τους αυξάνεται ανάλογα με το μέγεθος της δόσης Γα την εμφάνισή τους δεν υπάρχει κάποιο κατώφλιόριο δόσης (δεν υπάρχει ασφαλής δόση) Η σοβαρότητα του αποτελέσματος είναι ανεξάρτητη της δόσης Καρκίνος, γενετικά αποτελέσματα

30 Βιολογικά Αποτελέσματα : Στοχαστικά Κίνδυνοι σε σχέση με την ηλικία

31 Βιολογικά Αποτελέσματα : Μη στοχαστικά (άμεσα ή καθορισμένα) Άμεση εμφάνιση αποτελεσμάτων (ημέρες εβδομάδες, εξαίρεση καταρράκτης) Ύπαρξη κατώτατου ορίου δόσης κατώφλι (συγκεκριμένο για κάθε αποτέλεσμα) Κάτω από το κατώφλι δόσης δεν υπάρχει αποτέλεσμα Πάνω από το κατώτατο όριο η σοβαρότητα αυξάνει με τη δόση Ερύθημα, καταρράκτης, νέκρωση δέρματος Θάνατος ενός κυττάρου δεν ισοδυναμεί με αποτέλεσμα στην υγεία του ατόμου Η μαζική καταστροφή των κυττάρων οδηγεί σε βιολογικό αποτέλεσμα Μαζική καταστροφή κυττάρων μπορεί να συμβεί μόνο σε υψηλές δόσεις ακτινοβολίας

32 Βιολογικά Αποτελέσματα : Μη στοχαστικά (άμεσα ή καθορισμένα) Chronic radiodermatitis in 17 year old female patient after x2 radiofrequency ablation procedures Radiation injury in a 60-year-old woman from neurointerventional procedure for the treatment of acute stroke. Fluoroscopy time > 70 min. Balter et al. Fluoroscopically Guided Interventional Procedures: A Review of Radiation Effects on Patients Skin and Hair. Radiology Feb;254(2)326-41

33 Βιολογικά Αποτελέσματα : Μη στοχαστικά (άμεσα ή καθορισμένα) (a) (b) NCI skin toxicity grade 4. (a) Central area of deep necrosis surrounded by indurated and depigmented skin within an area of prolonged erythema at 30 weeks after coronary angioplasty (b) Same patient 38 weeks after the procedure. Balter et al. Fluoroscopically Guided Interventional Procedures: A Review of Radiation Effects on Patients Skin and Hair. Radiology Feb;254(2)326-41

34 Βιολογικά Αποτελέσματα : Μη στοχαστικά (άμεσα ή καθορισμένα) Radio-induced crystalline lens opacity in an interventional radiologist submitted to high levels of radiation using an X-ray tube above the table. Region 1, indicates posterior subcapsular opacity; Region 2, perinuclear punctate opacities. Vano et al. Lens Injuries induced by occupational exposure in non-optimized interventional radiology laboratories. BJR 1998 Jul 71(847):728-33

35 Κατώφλι μη στοχαστικών αποτελεσμάτων Effect Threshold dose (Gy) Minutes fluoro at 0.2 Gy/min Transient erythema 2 10 Permanent epilation 7 35 Dry desquamation Dermal necrosis Telangiectasia Cataract >0.5 >2.5 to eye Skin cancer Not known Not known

36 Ποιοι ακτινοβολούνται Όσοι παίρνουν ακτινοβολία για ιατρικούς λόγους Όσοι εκτίθενται στην ακτινοβολία λόγω επαγγέλματος Τα άτομα του γενικού πληθυσμού.. στην Επεμβατική Ακτινολογία? Εμπλεκόμενο Προσωπικό Ασθενείς

37 Ακτινοπροστασία Προσωπικού Εμπλοκή προσωπικού διαφόρων ειδικοτήτων Χρήση συστημάτων ακτίνων Χ, υψηλής τεχνολογίας Σύνθετες και χρονοβόρες διαδικασίες Έκθεση στη ακτινοβολία Κατάλληλη εκπαίδευση, ικανότητες? Ποιοτικός έλεγχος ορθής λειτουργίας? Εφαρμόζεται το σωστό πρωτόκολλο? Διατίθεται εξοπλισμός ακτινοπροστασίας? ΑΠΑΙΤΕΙΤΑΙ: - Σωστός σχεδιασμός πριν την κατασκευή του εργαστηρίου, - Ύπαρξη κατάλληλου εξοπλισμού, - Εφαρμογή σωστών πρακτικών από το προσωπικό και - Τακτικός έλεγχος από τους υπεύθυνους σε θέματα ακτινοπροστασίας -Δοσιμέτρηση προσωπικού

38 Ακτινοπροστασία ασθενών Οι πρακτικές που χρησιμοποιούνται κατά τις επεμβατικές διαδικασίες πρέπει να επιλέγονται με γνώμονα τόσο το κλινικό αποτέλεσμα όσο και την ακτινοπροστασία (ασθενούς και προσωπικού). Πρακτικές που οδηγούν σε αύξηση της ακτινικής επιβάρυνσης χωρίς αντίστοιχο κλινικό όφελος πρέπει να αποφεύγονται: Μη αιτιολογημένη χρήση high dose rate mode ακτινοσκόπησης Σταθερή είσοδος δέσμης (χωρίς να απαιτείται από το εφαρμοζόμενο πρωτόκολλο) Χρήση μεγάλου πεδίου ακτινοβολίας Μη αιτιολογημένη ακτινοβόληση μελών του σώματος Μη αιτιολογημένη χρήση μεγάλων χρόνων ακτινοβόλησης Δύο (2) αγγειοπλαστικές στεφανιαίας αρτηρίας την ίδια μέρα (λόγω επιπλοκών): D 20Gy

39 Τιμές ενεργού δόσης ασθενών από εξετάσεις Τεχνική Ενεργός Δόση (msv) Χρόνος έκθεσης σε ακτινοβολία περιβάλλοντος Αριθμός ακτινογραφιών θώρακος Ακτιν. Θώρακος 0,02 3 days 1 TIPS years Επεμβατική Καρδιολογία Επεμβατική Ακτινολογία years , years CT κοιλιάς 10 4 years 500 EFSTATHOPOULOS

40 Πως αυξάνεται η πιθανότητα θανάτου κατά μια στο εκατομμύριο ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΙΤΙΑ α/α Θώρακος ακτινοβολία 2 μήνες διαμονή στο Denver ακτινοβολία 300 χλμ. οδήγηση αυτοκινήτου ατύχημα 2000 χλμ. Πτήση με αεροπλάνο ατύχημα καπνίζοντας 1.5 τσιγάρο την ημέρα καρκίνος ζώντας 2 έτη με καπνιστή καρκίνος τρώγοντας 100 γεύματα κρέας ψητό στα κάρβουνα καρκίνος πίνοντας 30 αναψυκτικά σόδας διαίτης καρκίνος πίνοντας 500 ml κρασί κίρρωση

41 Ευχαριστώ για την προσοχή σας!