Biologiczne skutki działania promieniowania jonizującegopromieniowania jonizującego

9.1. Wprowadzenie

Stosowanie promieniowania jonizującego w przemyśle, medycynie czy nauce wiąże się z ryzykiem wystąpienia niezamierzonego lub niespodziewanego zdarzenia radiacyjnego, którego skutkiem może być poważne narażenie zdrowia człowieka oraz znaczne stra-ty materialne. Pewna i dokładna ocena dawki pochłoniętej w ciele osoby przypadkowo narażonej na działanie promieniowania jest bardzo ważna ze względu na ewentualną konieczność dalszego leczenia choroby popromiennej oraz ocenę zwiększenia ryzyka wystąpienia w przyszłości stochastycznych skutków promieniowania – głównie nowo-tworów. Ma także pomóc w ustaleniu, kto został napromieniowany, a kto nie.

Do oceny narażenia ludzi na promieniowanie jonizujące wykorzystywane są głównie metody dozymetrii fizycznej. Powszechnie stosowaną metodą jest dozymetria termolumi-nescencyjna (TLD), która pozwala na oszacowanie dawki zaabsorbowanej w całym orga-nizmie człowieka, a także na ocenę dawek szczególnie narażonych części ciała. Zdarza się jednak, że podczas wypadku radiacyjnego pracownik nie posiadał osobistego dozymetru TLD lub też uległ on zniszczeniu albo skażeniu, a na miejscu zdarzenia nie były pro-wadzone kontrolne pomiary środowiskowe. Ofiarami wypadków radiacyjnych mogą być także osoby niewyposażone w dozymetry indywidualne. W takich sytuacjach pewną i do-kładną ocenę dawki musi zagwarantować dozymetria biologiczna. Jest to metoda, która do obliczenia dawki zaabsorbowanej w żywym organizmie wykorzystuje markery biologiczne powstające na skutek oddziaływania promieniowania jonizującego z organizmem.

9.2. Oddziaływanie promieniowania jonizującego z organizmem żywym

Promieniowanie jonizujące przechodząc przez żywy organizm, uszkadza go na poziomie molekularnym. Z radiobiologicznego punktu widzenia najniebezpieczniejsze są

uszko-178

dzenia jądra komórkowego, ponieważ odpowiada ono za najważniejsze funkcje komórki, tj. powielanie, kontrolę, a co najważniejsze – zawiera większość informacji genetycznej komórki. Jego uszkodzenie może prowadzić do mutacji bądź nawet śmierci komórki. Jądra komórkowe są szczególnie narażone ze względu na otoczenie, które stanowi cy-toplazma składająca się w dużej części z wody. Promieniowanie jonizujące może dzia-łać na materiał genetyczny bezpośrednio, a także oddziaływać z nim pośrednio poprzez jonizację wody. Produkowane są wówczas silnie reaktywne cząstki, wolne rodniki, które mogą wywoływać uszkodzenia nici DNA. Proporcje między bezpośrednim i pośrednim oddziaływaniem promieniowania na DNA zależą od rodzaju promieniowania jonizują-cego. W przypadku promieniowania o małej gęstości jonizacji, np. X, promieniowanie gamma czy elektrony, uszkodzenia DNA w 70–90% powstają na skutek działania po-średniego. Ze względu na dużą gęstość jonizacji neutrony, protony i cząstki alfa uszka-dzają DNA w ponad 90% w sposób bezpośredni.

Jonizacja wywołana na poziomie molekularnym prowadzi do zmian składu che-micznego, przerwań nici DNA, zaburzenia syntezy białek, a także przemian metabo-licznych tkanek, a w ogólności, makroskopowo, do niesprawnego działania całego or-ganizmu.

Komórki mają zdolność regeneracji, którą zapewniają enzymy i systemy naprawcze chroniące genom przed utratą zawartej w nim informacji. Naprawa DNA nie zawsze przebiega bezbłędnie, a powstające błędy skutkują nieodwracalnymi zmianami mate-riału genetycznego. Prowadzi to do powstania aberracji (uszkodzeń), a nawet do śmierci komórki. W sytuacji występowania dużych uszkodzeń w komórce może dojść do apop-tozy, czyli automatycznego procesu śmierci komórki. Niekiedy jednak uszkodzone albo błędnie naprawione komórki zdołają przetrwać w organizmie i ulec podziałowi. Powsta-łe komórki stają się kopiami komórki błędnej, które po kolejnych podziałach nabywają nowe cechy, takie jak zdolność do samoistnych, niekontrolowanych podziałów czy zanik zjawiska apoptozy. Mechanizm taki prowadzi do zmian w funkcjonowaniu narządów lub co gorsze – do narastania tkanki nowotworowej. Schemat możliwych losów komórki narażonej na działanie promieniowania jonizującego przedstawiono na rys. 1.

179

Biologiczne skutki działania promieniowania jonizującego

Rysunek 1. Schemat możliwych losów napromienionej komórki Źródło: opracowanie własne

9.3. Dozymetria biologiczna

Metoda dozymetrii biologicznej wykorzystuje zmiany powstające w żywym organi-zmie pod wpływem działania promieniowania jonizującego, które są wykorzystywa-ne do oceny dawki pochłoniętej. Najdokładniej można odtworzyć dawkę, analizu-jąc aberracje w materiale genetycznym limfocytów krwi obwodowej, poprzez pomiar częstości ich występowania. Wówczas metoda zawęża się do tak zwanej dozymetrii cytogenetycznej1.

Chromosomy stanowią skondensowaną formę upakowania materiału genetycznego w komórkach. Przyjmują charakterystyczny kształt, który może się nieco różnić między poszczególnymi chromosomami występującymi w organizmie człowieka (23 pary). Ce-chą wspólną jest występowanie dwóch chromatyd, które są połączone w miejscu zwanym centromerem (rys. 2). Prawidłowy chromosom ma jeden centromer.

1 Cytogenetyka jest działem genetyki, który zajmuje się badaniem chromosomów – zarówno ich kształtem, jak i liczbą.

Uszkodzenie

Naprawa Brak naprawy

Śmierć Śmierć Nowotwory Mutacje Z błędami Bez błędów Brak zmian

180

Rysunek 2. Schemat przedstawiający chromosom Źródło: opracowanie własne

Metoda cytogenetycznej rekonstrukcji dawki stosowana jest głównie, gdy występują przypuszczenia, że mogło dojść do niekontrolowanego napromienienia człowieka (za-biegi medyczne, narażenie zawodowe). Do metod cytogenetycznych należą:

– chromosomy dicentryczne, – mikrojądra,

– translokacje,

– przedwczesna kondensacja chromosomów (PCC).

Ocena dawki pochłoniętej jest możliwa poprzez porównanie skutków występu-jących po rzeczywistym narażeniu z wyznaczonymi wcześniej drogą in vitro (poza organizmem) krzywymi dawka – skutek. Jest to możliwe dzięki podobieństwu pozio-mu zmian struktur chromosomów po napromienieniu w organizmie – in vivo i poza nim – in vitro. Krzywe opisują zależność częstości aberracji od dawki dla danego źró-dła promieniowania. Ze względu na różnice względnej skuteczności biologicznej róż-nych rodzajów cząstek i fotonów, promieniowanie wykorzystane do opracowania takiej krzywej powinno być jak najbardziej zbliżone do promieniowania, które jest przed-miotem rzeczywistej oceny dawki na skutek napromienienia [1, 3]. Ze względu na liczne zalety do badań najczęściej wykorzystywane są limfocyty – komórki występu-jące we krwi. Są one łatwo dostępne, można je bez problemu pobrać, przechowywać, przetransportować, a do badania wystarcza niewielka ilość – już nawet 5 ml. Limfo-cyty są łatwe w hodowli, która jest nieodłącznym elementem weryfikacji narażenia na promieniowanie w metodzie cytogenetycznej i nie powoduje dodatkowych zniszczeń badanego materiału. Limfocyty krążą po całym ciele, więc jeśli nawet napromienieniu ulegnie tylko jego niewielka część, nadal istnieje możliwość wykonania dozymetrii biologicznej [1, 3, 5].

Krzywe dawka – skutek otrzymuje się poprzez napromienienie limfocytów pobra-nych od osób kontrolpobra-nych różnymi dawkami, a następnie badając efekty tego napromie-nienia, czyli analizując powstałe uszkodzenia cytogenetyczne. Osobami kontrolnymi są zarówno kobiety, jak i mężczyźni, w różnym wieku, co umożliwia uwzględnienie czyn-ników indywidualnych – takich jak: płeć, wiek oraz osobnicza promieniowrażliwość lim-focytów – do standaryzacji wyników.

181

Biologiczne skutki działania promieniowania jonizującego

9.3.1. Chromosomy dicentryczne

Najczęściej wykorzystywaną metodą dozymetrii biologicznej jest analiza częstości chro-mosomów dicentrycznych (dicentryków). Dicentryki to chromosomy mające dwa cen-tromery, które są skutkiem nieprawidłowej naprawy uszkodzonej przez promieniowanie komórki. Do powstania chromosomu z dwoma centromerami konieczne jest jednocze-sne pojawienie się dwóch podwójnoniciowych pęknięć nici DNA w dwóch sąsiadują-cych ze sobą chromosomach [1, 2]. Chromosomy dicentryczne powstają przez wymianę i połączenie się ze sobą fragmentów dwóch pękniętych chromosomów zawierających centromery. Pozostałości bez centromerów tworzą fragment acentryczny (rys. 3). Zdjęcie rzeczywistego limfocytu ze znalezionym dicentrykiem uzyskane podczas analizy mikro-skopowej przedstawia rys. 4.

Rysunek 3. Schemat powstawania dicentryków i fragmentów acentrycznych Źródło: opracowanie własne

178