neutronów. W zwi¡zku z tym neutrony dzieli si¦ pod wzgl¦dem energetycznym na [54, 55, 56]: a) neutrony powolne o energii 0 eV < E < 1 keV, bior¡ce udziaª w wychwycie radiacyjnym oraz rozszczepieniu j¡der;
- neutrony zimne o energiach rz¦du 1 meV, - neutrony termiczne o energiach okoªo 25 meV, - neutrony rezonansowe o energiach od 1 eV do 1 keV,
b) neutrony po±rednie o energii 1 keV < E < 0,5 MeV, bior¡ce udziaª w wychwycie radiacyjnym; c) neutrony pr¦dkie o energii 0,5 MeV < E < 50 MeV, bior¡ce udziaª w rozpraszaniu na j¡drach oraz rozszczepieniu j¡der;
d) neutrony wysokich energii E > 50 MeV, bior¡ce udziaª w rozpraszaniu na j¡drach.
4.3 Wpªyw promieniowania jonizuj¡cego na »ywe
organizmy
Promieniowanie jonizuj¡ce poprzez jonizacj¦ lub wzbudzenia atomów i cz¡steczek mo»e istotnie narusza¢ struktur¦ molekularn¡ cz¡steczki, prowadz¡c do zaburzenia funkcjonowania organizmu. Mo»e zaburzy¢ czynno±ci enzymatyczne, syntez¦ biaªek i przemiany w¦glowodorowe oraz doprowadzi¢ do zmian skªadu chemicznego i przemian metabolicznych w tkankach. Do szkodliwych efektów biologicznych wpªywu oddziaªywania promieniowania jonizuj¡cego na organizmy »ywe zalicza si¦ [51, 54]:
- skutki somatyczne - uszkodzenia komórek utrzymuj¡cych procesy »yciowe,
- skutki genetyczne - uszkodzenia materiaªu odpowiedzialnego za przekazywanie cech dziedzicznych.
Gªównym efektem wpªywu promieniowania jonizuj¡cego jest produkcja ROS, m. in. singletowego tlenu i wolnych rodników, które s¡ niezwykle reaktywne.
Wskutek promieniowania jonizuj¡cego pewna cz¦±¢ wody ulega radiolizie [4, 53]:
H2O −→ H2O++ e− (4.22)
Nast¦pnie jon H2O+ w reakcji z wod¡ tworzy H3O+ - jon hydroniowy i OH• - rodnik hydroksylowy:
H2O++ H2O −→ H3O++ OH• (4.23)
lub ª¡czy si¦ z uwolnionym elektronem, w reakcji z którym powstaje wzbudzona cz¡steczka wody: H2O∗
H2O++ e− −→ H2O∗ (4.24)
która ostatecznie rozpada si¦ na atom wodoru H• i kolejny rodnik i OH•:
H2O∗ −→ H•+ OH• (4.25)
W obecno±ci tlenu, który podobnie jak woda wyst¦puje w ka»dym materiale organicznym, z elektronów uwolnionych podczas radiolizy wody dochodzi do powstania rodnika ponadtlenkowego O−•
2 :
lub do powstania niestabilnego rodnika wodoronadtlenkowego HO•
2 powstaªego w reakcji tlenu z atomem wodoru:
H•+ O2 −→ HO•2 (4.27)
który reaguj¡c z drugim podobnym sobie rodnikiem lub z atomem wodoru, tworzy silnie utleniaj¡c¡ cz¡steczk¦ nadtlenku wodoru H2O2:
HO•2+ HO2• −→ H2O2+ O2 (4.28)
HO•2+ H• −→ H2O2 (4.29)
Nast¦pnie w reakcji Fentona (Równanie 4.30) dochodzi do rozpadu nadtlenku wodoru katalizowanego przez jony »elaza (II) i ponownie generowane s¡ rodniki hydroksylowe:
H2O2+ F e2+ −→ F e3++ HO−+ HO• (4.30) Szereg pochodnych cz¡steczki wody powstaªych w wyniku radiolizy pod wpªywem promieniowania jonizuj¡cego cechuje si¦ siln¡ reaktywno±ci¡ i zdolno±ci¡ inicjowania ró»nych ªa«cuchów reakcji wtórnych. W konsekwencji dochodzi do zmian struktury i wªa±ciwo±ci biologicznych wa»nych skªadników komórki, zaburzenia procesów metabolicznych pot¦guj¡cych zmiany biochemiczne, czy te» przesuni¦cia równowagi elektrostatycznej wewn¡trz komórki, zmiany budowy i czynno±ci jej organelli wewn¦trznych, zaburzenia przepuszczalno±ci bªony itp. [52].
Podobne skutki wywoªywane s¡ w erytrocytach. Ze wzgl¦du na ich funkcj¦ transportuj¡c¡ s¡ one eksponowane na dziaªanie wysokich st¦»e« tlenu, co sprawia, »e podczas utleniania hemoglobiny uwalniane s¡ du»e ilo±ci anionorodnika ponadtlenkowego:
Hb(F e2+)O2 −→ M etHb(F e3+) + O−•2 (4.31) Rodnik ten inicjuje powstawanie innych reaktywnych i toksycznych form tlenu. Te szkodliwe formy, a nast¦pnie produkty ich reakcji powoduj¡ funkcjonalne zaburzenia w »ywych komórkach [57, 58]. W erytrocytach wpªywaj¡ one na dwa gªówne skªadniki bªony: tj. biaªka i lipidy, których peroksydacja mo»e doprowadzi¢ do hemolizy komórek [59]. Najprawdopodobniej peroksydacja lipidów powstaje jako pierwsza, gdy» jak zaobserwowaª Petkau efekt wywoªywany jest nawet przez promieniowanie tªa [60]. Oprócz peroksydacji lipidów utleniacze wpªywaj¡ równie» na grupy SH, co pot¦guje skutki stresu oksydacyjnego [57, 61, 62]. Powszechnie wiadomo, »e obni»ony poziom glutationu powoduje utlenianie bªonowych grup tiolowych, co przyczynia si¦ do utraty integralno±ci bªony. Zarówno utlenianie w bªonie biaªkowych grup tiolowych jak i peroksydacja lipidów mog¡ wpªywa¢ na wiele strukturalnych i funkcjonalnych parametrów odpowiedzialnych za prawidªow¡ pªynno±¢ bªony lipidowej, konformacj¦ biaªek czy wewn¡trzkomórkow¡ mikrolepko±¢. Ka»dy rodzaj promieniowania jonizuj¡cego inaczej oddziaªywuje z materi¡. W przypadku promieniowania α znaczna cz¦±¢ energii cz¡stek deponowana jest na okre±lonej gª¦boko±ci (patrz Rysunek 4.5), natomiast w przypadku promieniowania X, γ, elektronowego czy neutronowego najwi¦ksza cz¦±¢ energii deponowana jest na powierzchni materiaªu, z którym one oddziaªuj¡, a mimo to s¡ du»o bardziej przenikliwe ni» cz¡stki α. Cz¡stki α mog¡ spowodowa¢ powstanie znacznie silniejszych uszkodze« na poziomie molekularnym ni» inne rodzaje promieniowania, których reaktywno±¢ na »yw¡ materi¦ ro±nie w obecno±ci tlenu [61, 63]. W rzeczywisto±ci, w zale»no±ci od danej komórki docelowej wytwarzane s¡ ró»ne ROS i inne wolne rodniki. W przypadku wysokich dawek promieniowania conajmniej 100 razy wy»szych ni» szacowane promieniowanie tªa (w 2009 roku ±rednia dawka dla Polski wynosiªa 3,19 mSv/rok [64]), nasilenie uszkodze« wywoªanych
4.3. Wpªyw promieniowania jonizuj¡cego na »ywe organizmy 55 promieniowaniem, pojawiaj¡cych si¦ niedªugo po na±wietlaniu, jest proporcjonalne do dawki [60]. Z drugiej strony, nie ma dowodu szkodliwego wpªywu niskich dawek promieniowania (tj. poni»ej 200 mGy) na ciaªo genetycznie normalnych ssaków. W rzeczywisto±ci, obserwowane byªo wyst¦powanie pozytywnych efektów w organizmach na±wietlanych tego typu niskimi dawkami promieniowania m.in. zwi¦kszona odporno±¢ (m. in. zwi¦kszona oporno±¢ osmotyczna erytrocytów [65]), szybsze gojenie si¦ ran, zwi¦kszona odporno±¢ na du»e dawki promieniowania jonizuj¡cego, wzmacnianie DNA i systemów naprawczych komórek, polepszona reprodukcja, zmniejszona zachorowalno±¢ oraz ±miertelno±¢, podwy»szona ±rednia dªugo±¢ »ycia [63, 66, 67]. Organizmy »ywe wytworzyªy szereg substancji przeciwdziaªaj¡cych negatywnemu oddziaªywniu ROS. S¡ nimi antyoksydanty (antyutleniacze), które wstrzymuj¡ lub spowalniaj¡ procesy utleniania. Do przeciwutleniaczy endogennych nale»¡ enzymy tj.: nadtlenek dysmutazy, katalaza, peroksydaza glutationowa, reduktaza glutationowa. Innymi zwi¡zkami antyutleniaj¡cymi s¡: glutation, awonoidy, bilirubina, kwas moczowy. Ponadto ochron¦ antyoksydacyjn¡ organizmów »ywych stymuluj¡ tak»e antyoksydanty egzogenne. W przypadku organizmu ludzkiego s¡ to: zwi¡zki z rodziny witaminy E (osiem naturalnie wyst¦puj¡cych tokoferoli), karetonoidy, witamina C (kwas askorbinowy), witamina A (retinol). Napromieniane komórki uruchamiaj¡ pewne procesy adaptacyjne poprzez stymulacj¦ mechanizmów naprawczych [60, 67, 68], przy udziale wielu antyutleniaczy.
Biologiczna skuteczno±¢ promieniowania jonizuj¡cego zale»y od: a) dawki,
b) rodzaju i energii promieniowania,
c) typu tkanki lub organu, który ulegª napromienianiu.
Wielko±ci¡ okre±laj¡c¡ energi¦ E promieniowania jonizuj¡cego pochªoni¦t¡ przez jednostk¦ masy m materii (tkanki), przez któr¡ to promieniowanie przeszªo jest ±rednia dawka pochªoni¦ta DT mierzona w grejach (1Gy = 1J/kg):
DT = E
m (4.32)
Ze wzgl¦du na ró»ne oddziaªywanie poszczególnych rodzajów promieniowania jonizuj¡cego na materi¦, wprowadza si¦ dawk¦ równowa»n¡ HT mierzon¡ w siwertach (Sv), która jest wielko±ci¡ zde niowan¡ dla danego narz¡du lub tkanki T jako:
HT =X
P
WP · DT ,P (4.33)
gdzie: DT,P - ±rednia dawka pochªoni¦ta w narz¡dzie lub tkance T dla danego promieniowania P; WP - wspóªczynnik opisuj¡cy skuteczno±¢ danego rodzaju promieniowania.
Warto±ci wspóªczynników WP dla ró»nych rodzajów promieniowania zawarte s¡ w Tabeli 4.1. Ilo±¢ energii ∆E promieniowania przekazana przez dan¡ cz¡steczk¦ promieniowania na jednostkowej drodze ∆x w danym materiale biologicznym okre±la liniowy transfer energii, LET (Linear Energy Transfer):
LET = ∆E
Tabela 4.1: Warto±ci wspóªczynników WP dla ró»nych rodzajów promieniowania [64].
Poniewa» nie zawsze caªa energia cz¡steczki promieniowania zostaje zdeponowana w danym materiale w wyniku jonizacji, to do uwzgl¦dnienia zaj±cia procesów wzbudzenia atomów wprowadza si¦ wielko±¢ zwan¡ KERMA (Kinetic Energy Released per Unit Mass). Okre±la ona sum¦ pocz¡tkowych energii kinetycznych wszystkich wtórnych cz¡stek naªadowanych wyzwalanych w jednostkowej masie o±rodka przez promieniowanie po±rednio jonizuj¡ce.
Wspóªczynnik zwany wzgl¦dn¡ skuteczno±ci¡ biologiczn¡, RBE (Relative Biological Eectiveness) wyznacza si¦ w celu okre±lenia zasadniczego biologicznego oddziaªywania danego promieniowania na dany materiaª. RBE jest to stosunek dwóch dawek pochªoni¦tych lub energii promieniowania ró»nego rodzaju wywoªuj¡cych ten sam skutek biologiczny [53].
RBE = DP OD
DIN P (4.35)
gdzie: DP OD - dawka promieniowania odniesienia wywoªuj¡cego efekt F (promieniowaniem odniesienia jest najcz¦±ciej promieniowanie X o energii 250 keV); DIN P - dawka innego promieniowania wywoªuj¡cego efekt F.
Rysunek 4.13: Zale»no±¢ RBE i OER w funkcji LET [69].
Uwzgl¦dniaj¡c fakt, »e procesy oddziaªywania promieniowania jonizuj¡cego na materiaª biologiczny zachodz¡ w warunkach obecno±ci lub niedoboru tlenu, co prowadzi¢ mo»e
4.3. Wpªyw promieniowania jonizuj¡cego na »ywe organizmy 57 do powstania ROS, wa»nym parameterem okre±laj¡cym skuteczno±¢ dziaªania danego promieniowania jest wspóªczynnik wzmocnienia tlenowego, OER (Oxygen Enhancement Ratio). Jest to stosunek dawek wymaganych do uzyskania takiego samego efektu biologicznego oddziaªywania promieniowania w warunkach hipoksji i obecno±ci tlenu.
Z zale»no±ci pokazanej na Rysunku 4.13 wida¢, »e wspólczynnik RBE waha si¦ pomi¦dzy warto±ciami 1 a 10 przyjmuj¡c najwy»sze warto±ci w przypadku neutronów pr¦dkich i cz¡stek α, co ±wiadczy o szczególnej szkodliwo±ci oddziaªywania tego typu promieniowa«. Warto±ci RBE zwi¡zane s¡ z rodzajem tkanek eksponowanych na promieniowanie. Wedªug malej¡cej wra»liwo±ci na promieniowanie jonizuj¡ce, tkanki mo»na ustawi¢ w nast¦puj¡cej kolejno±ci: tkanka limfatyczna, tkanka krwiotwórcza, tkanka mi¦±niowa, tkanka chrz¦stna i kostna oraz tkanka nerwowa [54].
Rysunek 4.14: Modele przedstawiaj¡ce zale»no±¢ skutków biologicznych od dawki promieniowania jonizuj¡cego oddzialywuj¡cego na organizm »ywy.
Istniej¡ cztery modele (Rysunek 4.14) opisuj¡ce jak skutki biologiczne zale»¡ od dawki pochªoni¦tej promieniowania jonizuj¡cego:
1. Liniowy model bezprogowy LNT (Linear Non-Threshold Model) zakªadaj¡cy, »e ka»da dawka, nawet najmniejsza wywoªuje szkodliwe skutki w organizmie »ywym [70]; 2. Liniowy model progowy zakªada istnienie dawki progowej, do warto±ci której promieniowanie nie wywoªuje »adnych skutków, jednak po jej przekroczeniu skutki promieniowania zwi¦kszaj¡ si¦ proporcjonalnie wzgl¦dem warto±ci dawki pochªoni¦tej [70]; 3. Model hormezy radiacyjnej zakªada stymuluj¡cy wpªyw maªych dawek promieniowania jonizuj¡cego (wi¦kszych od promieniowania tªa), a negatywny powy»ej pewnej dawki progowej [70];
4. Model hormezy radiacyjnej z uwzgl¦dnieniem efektu Petkau który zakªada negatywny wpªyw bardzo niskich dawek promieniowania jonizuj¡cego [71].
Niestety »aden z modeli nie jest dokªadnie udowodniony. Caªy czas istnieje spór pomi¦dzy zwolennikami ka»dego z modeli, gdy» skutki biologiczne niskich dawek promieniowania s¡ cz¦sto nieodró»nialne od tych, które zostaªy wywoªane czynnikami ±rodowiskowymi i/lub genetycznymi.