1
BIOLOGICZNE SKUTKI PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO
Materiał dydaktyczny dla Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej w ramach bloku wykładów pt.: „Podstawy Bezpieczeństwa Jądrowego i Ochrony Radiologicznej”
Zadanie nr 33 „Modyfikacja kształcenia na Wydziale Fizyki w zakresie wykorzystywania technik i technologii jądrowych w gospodarce narodowej”
Projekt „Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej” współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego (Program Operacyjny Kapitał Ludzki)
Opracował
Dr Paweł Krajewski
Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej
Warszawa grudzieo 2009
2
Spis treści
1 Wybrane podstawowe informacje o organizacji materii żywej ... 4
1.1 Wstęp ... 4
1.2 Organizm, tkanki, komórki ... 4
1.3 Komórki zróżnicowane i niezróżnicowane ... 5
1.4 Podstawowe informacje o strukturach wewnątrzkomórkowych ... 6
1.5 Budowa DNA, podwójna helisa, chromosomy, chromatyna... 7
1.6 Budowa DNA ... 10
1.7 Podwójna helisa ... 11
1.8 Chromatyna, chromosomy ... 11
1.9 Powstawanie mutacji ... 14
2 Oddziaływanie promieniowania na różnym poziomie organizacji materii żywej ... 16
2.1 Radioliza wody ... 16
2.2 Działanie bezpośrednie i działanie pośrednie ... 16
2.3 Oddziaływanie promieniowania na białka ... 17
2.4 Oddziaływanie promieniowania na lipidy ... 17
2.5 Oddziaływanie promieniowania na DNA ... 18
2.6 Uszkodzenia zasad ... 19
2.7 Pęknięcia nici DNA ... 19
2.8 DNA struktura najbardziej promieniowrażliwa ... 19
2.9 Oddziaływanie promieniowania na komórki, wrażliwośd na promieniowanie komórek proliferujących i nieproliferujących ... 20
2.10 Oddziaływanie promieniowania na tkanki, wrażliwośd tkanek na promieniowanie ... 22
2.11 Oddziaływanie promieniowania na organizm, promieniowrażliwośd osobnicza, LD50... 23
3 Skutki działania promieniowania jonizującego ... 26
3.1 Wstęp ... 26
3.2 Skutki działania promieniowania na poziomie komórkowym (krzywa przeżywalności) ... 26
3.3 Skutki stochastyczne i deterministyczne... 30
3.4 Szczegółowa charakterystyka skutków stochastycznych i deterministycznych ... 30
3.5 Zróżnicowana skutecznośd biologiczna różnych rodzajów promieniowania ... 33
3
4 Działania w celu ograniczenia lub zwiększenia skutków napromienienia ... 34
4.1 Blokada tarczycy ... 34
4.2 Chelatory... 35
4.3 Właściwa opieka medyczna i przeszczepy szpiku... 35
4.4 Radioprotektory ... 36
4.5 Radiouczulacze i związki radioochronne ... 37
5 Naprawa uszkodzeo popromiennych ** ... 38
5.1 Wstęp ... 38
5.2 Uszkodzenia potencjalnie letalne i subletalne ... 38
5.3 Naprawa przez wycinanie zasad ... 38
5.4 Naprawa dwuniciowych pęknięd DNA ... 39
5.4.1 Niehomologiczne łączenie kooców ... 39
5.4.2 Naprawa homologiczna ... 39
5.5 Naprawa uszkodzeo popromiennych na poziomie komórek ... 40
5.6 Naprawa uszkodzeo popromiennych na poziomie tkanek... 40
6 Dozymetria biologiczna ... 40
6.1 Metody biologiczne umożliwiające określenie dawki pochłoniętej ... 40
6.2 Metody dozymetrii biologicznej ... 41
6.2.1 Metody natychmiastowe ... 41
6.3 Metody retrospektywne ... 43
Bibliografia... 48
4
1 Wybrane podstawowe informacje o organizacji materii żywej 1.1 Wstęp
Wszystkie organizmy żywe składają się z wody i innych związków nieorganicznych orazzwiązków organicznych. Woda jest podstawowym składnikiem komórek i stanowi około 2/3 masy organizmu. Jest środowiskiem większości reakcji chemicznych zachodzących w komórce. Najwięcej wody znajduje się w limfie (95%), osoczu krwi (90%) i tkance nerwowej (88%), najmniej w szkliwie zębów (0,2%). Polarna budowa cząsteczki wody (nierównomierne rozłożenie ładunku elektrycznego), określa jej właściwości fizykochemiczne i powoduje, że jest ona doskonałym rozpuszczalnikiem innych substancji polarnych, soli i substancji zdolnych do tworzenia wiązao wodorowych. Takie substancje nazywa się
hydrofilowymi
(dosłownie lubiącymi wodę), w przeciwieostwie do substancji
hydrofobowych
(nielubiących wody), które nie tworzą wiązao wodorowych i nie rozpuszczają się w wodzie. Substancje takie zbierają się na powierzchni wody lub tworzą skupiska, tak żeby powierzchnia ich kontaktu z wodą była jak najmniejsza (np. węglowodory). Substancje posiadająceregion hydrofobowy i hydrofilowy nazywamyamfifilowymi
(np. fosfolipidy) i w wodzie tworzą one micelle – sfery skierowane stroną hydrofilową na zewnątrz, a stroną hydrofobową do środka.
Opisane mechanizmy mają duże znaczenie dla zachowania się makrocząsteczek biologicznych, takich jak kompleksy lipidowe błon komórkowych i białka, których struktura wyższego rzędu wynika m.in. z oddziaływania z wodą.
Związki nieorganiczne występują najczęściej w postaci rozpuszczonych w wodzie kationów
(np. K+, Na+, Cu+, Ca2+, Cu2+ , Fe2+, Mg2+, Fe3+), anionów Cl‐, NO2‐, NO3‐, SO42‐, CO32‐, PO43‐) i rodników lub anio‐ i kationorodników (•OH, •NO, O2‐•, H2O•+).
Związki organiczne występują w postaci substancji drobnocząsteczkowych lub wielkocząsteczkowych (makrocząsteczki). Makrocząsteczki to zwykle biopolimery złożone z setek lubtysięcy mniejszych cząsteczek (monomerów). Najważniejsze z nich to węglowodany, lipidy, białka, ikwasy nukleinowe.
1.2 Organizm, tkanki, komórki
Organizmem nazywamy istotę żywą cechującą się procesami życiowymi (np. przemianą materii) i stanowiącą odrębną, samodzielną strukturę, zdolną do namnażania
. Organizm może składad się z jednej komórki (jednokomórkowce, np. bakterie, niektóre glony i pierwotniaki) lub wielu komórek (organizmy wielokomórkowe, np. rośliny, zwierzęta, niektóre grzyby, glony i pierwotniaki).Budowy komórkowej nie mają wirusy i w związku z tym nie wykazują oznak życia poza komórkami żywicieli.
Zgodnie z obecnymi poglądami systematycznymi nie są więc klasyfikowane, jako organizmy żywe.
Komórka jest najmniejszą budulcową i funkcjonalną jednostką organizmu zdolną do przeprowadzania wszystkich podstawowych procesów życiowych.
Komórki organizmów wielokomórkowych mogą tworzyd tkanki (organizmy tkankowe), a te z kolei tworzą narządy często połączone w układy.Tkanką nazywamy zespół komórek o podobnej budowie, funkcjach, przemianie materii i o wspólnym pochodzeniu, a także ich wytworów (substancja międzykomórkowa, np. kolagen).
Przykładami tkanek są tkanka nabłonkowa, łączna, mięśniowa, nerwowa. Tkanki są elementami składowymi narządów i ich układów. Narządem nazywamy wyodrębnioną częśd organizmu wielokomórkowego, o określonym planie budowy, położeniu i funkcji fizjologicznej, złożoną z jednej lub
5
kilku tkanek (np. wątroba lub serce). Współdziałające i powiązane czynnościowo narządy tworzą układy (np. układ krwionośny, pokarmowy).
Komórki, tkanki i narządy różnią się
promieniowrażliwością
, co wpływa na promieniowrażliwośd całego organizmu.1.3 Komórki zróżnicowane i niezróżnicowane
Różnicowaniem nazywamy proces przekształcania się komórek zarodkowych w tkanki. Komórki zarodkowe (macierzyste) powstające w czasie pierwszych podziałów po zapłodnieniu mają zdolnośd do potencjalnie nieograniczonej liczby podziałów i do różnicowania się do innych typów komórek.
Proces różnicowania jest sterowany genetycznie.
Pod względem możliwości różnicowania wyróżniamy cztery rodzaje komórek niezróżnicowanych *1+.
Komórki totipotencjalne, które mogą rozwinąd się we wszystkie typy komórek i utworzyd całyorganizm.
Komórkom tym odpowiadają komórki embrionu do stadium 4‐8 komórek.
Komórki pluripotencjalne, zdolne do różnicowania się we wszystkie typy komórek, jednak nie są zdolne do utworzenia całego organizmu. Komórki pluripotencjalne występują w embrionach po czterech dniach od zapłodnienia, u płodu i w organizmie człowieka dorosłego.
Komórki multipotencjalne, zdolne do różnicowania się w wiele typów komórek dojrzałych, lecz mniej różnorodnych niż w przypadku komórek pluripotencjalnych (w komórki tego samego listka zarodkowego).
Komórki unipotencjalne, zdolne do różnicowania się tylko do jednego typu komórek, np. komórki skóry (keratynocyty), które dzieląc się odnawiają złuszczającą się warstwę naskórka.
Komórki niezróżnicowane występują w:
embrionach (zarodkach) ‐ są komórkami toti‐ lub pluripotencjalnymi, mogą się przekształcad we wszystkie typy komórek organizmu,
płodach – także we krwi pępowinowej, są one multipotencjalne,
organizmach dojrzałych (somatyczne komórki macierzyste) ‐ znajdują się w narządach dorosłych organizmów i odpowiedzialne są za ich regenerację; są to komórki unipotencjalne i mogą się przekształcad w komórki narządów, z których pochodzą.
Komórki niezróżnicowane stopniowo tracą zdolnośd podziałów i przekształcają się w komórki zróżnicowane (dojrzałe). Po ustaniu podziałów komórkowych wyróżnia się okres dojrzewania komórek, w czasie którego komórka wytwarza wszystkie niezbędne struktury oraz nabywa cech charakterystycznych dla danego typu komórek. Niekiedy komórki dojrzałe mogą się zacząd dzielid (np. limfocyty krwi), lecz liczba takich podziałów jest ograniczona.
Zdolnośd komórek niezróżnicowanych do dzielenia się czyni je szczególnie wrażliwymi na działanie promieniowania jonizującego. Jednocześnie ze względu na plastycznośd komórek niezróżnicowanych i ich zdolnośd do przekształcania się w inne rodzaje komórek, wszelkie zmiany genetyczne (mutacje), jakie mogą byd wywołane przez promieniowanie jonizujące, dotyczą nie pojedynczej „trafionej” komórki, a całego szeregu komórek, w które zróżnicuje się taka zmutowana komórka macierzysta. Jest to szczególne niekorzystne w przypadku napromienienia embrionów i płodów we wczesnych stadiach rozwoju. W odróżnieniu od komórek niezróżnicowanych, komórki dojrzałe są mniej wrażliwe na promieniowanie, a mutacje dotyczą tylko pojedynczych komórek.
Obecnośd somatycznych komórek macierzystych w organach osobników dorosłych umożliwia ich regenerację w przypadku napromienienia niskimi dawkami promieniowania.
6
1.4 Podstawowe informacje o strukturach wewnątrzkomórkowych
Komórka może stanowid samodzielny organizm jednokomórkowy lub może byd elementem składowym organizmu wielokomórkowego. Elementem oddzielającym komórkę od środowiska zewnętrznego jest błona komórkowa. U większości bakterii, sinic, roślin, grzybów błona komórkowa jest otoczona ścianą komórkową, która jest wytwarzana przez komórkę. Ściana komórkowa nie występuje w komórkach zwierzęcych. We wnętrzu większości komórek można wyróżnid jądro i cytoplazmę. Cytoplazma stanowi zasadniczą masę komórki. Płynna częśd cytoplazmy zwana cytozolem składa się z wody, białek, drobnocząsteczkowych związków organicznych i soli mineralnych. W cytozolu zawieszone są struktury wewnątrzkomórkowe (organelle), w których przebiegają różne procesy związane z funkcjami życiowymi komórki. Cytoplazma poprzecinana jest siecią włókien białkowych (cytoszkielet), która nadaje komórce sztywnośd i odpornośd mechaniczną i umożliwia jej ruch (np. ameba lub makrofagi).
Ogólny schemat budowy komórki eukariotycznej jest podobny dla wszystkich organizmów Rysunek 1.4-1.
Rysunek 1.4-1. Schematycznie przedstawiona budowa eukariotycznej komórki zwierzęcej i roślinnej Z radiobiologicznego punktu widzenia najważniejszą częścią komórki jest
jądro komórkowe
znajdujące się zwykle w centralnej części komórki. Ponieważ jądro komórkowe zawiera większośd informacji genetycznej komórki, uszkodzenie tego organellum prowadzi często do śmierci komórki.Woda zawarta w jądrze może pod wpływem promieniowania ulegad radiolizie, a powstające rodniki mogą bezpośrednio atakowad DNA. Stwierdzono także, że w przypadku wysokich dawek promieniowania śmiertelnośd komórek zwiększona jest przez wywołane przez promieniowanie uszkodzenie błon lizosomów. Lizosomy zawierają dużo jonów żelaza i postuluje się, że ich uwolnienie do cytoplazmy zwiększa liczbę uszkodzeo DNA i śmiertelnośd komórek *2+. Innym ważnym organellum jest mitochondrium. W mitochondriach zachodzi proces oddychania komórkowego, w trakcie którego związki organiczne (pirogronian) utleniane są do CO2 i H2O i wytwarzana jest energia, która jest magazynowana w postaci ATP. Intensywne procesy naprawy DNA powodują wyczerpanie zapasów ATP i w konsekwencji mogą doprowadzid do śmierci komórki. Ponadto zachwianie równowagi energetycznej mitochondriów może zapoczątkowad proces apoptotycznej śmierci komórki omówiony w Rozdziale 2.2.2.2.
7
1.5 Budowa DNA, podwójna helisa, chromosomy, chromatyna
Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) jest najważniejszą z punktu widzenia radiobiologii makrocząsteczką występującą w komórce. Struktura cząsteczki DNA opisana została w 1953 roku przez Watsona i Cricka [2].
Cząsteczka DNA jest liniowym polimerem złożonym z dwóch łaocuchów polinukleotydowych. Nukleotydy tworzące DNA składają się z trzech elementów: zasady azotowej, cukru i reszty kwasu fosforowego (Rysunek 1.5-1).
Rysunek 1.5-1. Budowa nukleotydu purynowego. Pokazana numeracja atomów węgla deoksyrybozy W DNA występują cztery rodzaje zasad azotowych, tworzących dwie pary (Rysunek 1.5-2).
Rysunek 1.5-2. Parowanie zasad w DNA
W obrębie łaocucha nukleotydy połączone są wiązaniami fosfoestrowymi, a odpowiadające sobie zasady azotowe obu łaocuchów wiążą się wiązaniami wodorowymi. Oba łaocuchy polinukleotydowe owinięte są wokół siebie tworząc strukturę o charakterystycznym kształcie podwójnej spirali (α‐helisy, Rysunek 1.5-3).
Liniowa sekwencja nukleotydów tworzy tzw. kod genetyczny, za pomocą którego zapisana jest informacja genetyczna. Całośd informacji genetycznej tworzy genom, charakterystyczny dla każdego żywego organizmu i obejmujący całą informację niezbędną dla powstania i prawidłowego funkcjonowania komórki. Genom wszystkich organizmów żywych i niektórych wirusów zbudowany jest z DNA. Przed podziałem komórek DNA w nich zawarty ulega podwojeniu, co umożliwia przekazanie pełnej informacji genetycznej komórkom potomnym.
8 Rysunek 1.5-3. Pierwszorzędowa struktura cząsteczki DNA o sekwencji ATCGCA i jej budowa przestrzenna (α‐helisa)
Genom eukariontów dzieli się na:
genom jądrowy –cząsteczki DNA występujące w jądrze i połączone z białkami jądrowymi;
genom mitochondrialny – mały kolisty DNA zawarty w mitochondriach;
plastydowy DNA – występujący w chloroplastach roślin i niektórych pierwotniaków kolisty fragment DNA.
Orientacyjną wielkośd genomu organizmów żywych i wirusów pokazano na Rysunek 1.5-4. Informacja genetyczna zawarta w genomie ułożona jest w dyskretne jednostki zwane genami. W 1866 r. czeski mnich Grzegorz Mendel opublikował wyniki serii doświadczeo z krzyżowaniem roślin. Stwierdził w nich, że cechy przenoszą się na kolejne pokolenia, jako wartości dyskretne (geny), i że każdy organizm dziedziczy po każdym z rodziców po jednej kopii genu. Jego prace ‐ zapomniane na ponad 50 lat ‐ stanowią dziś podstawę genetyki klasycznej (mendlowskiej). Genom człowieka został określony w ramach projektu HUGO (Human Genome Organization) *4+. Haploidalny genom człowieka zawiera około 3,2 x 109 par zasad DNA. Około 2,95 x 109 par zasad to euchromatyna (DNA kodujący geny). Tylko 1,2% DNA w rzeczywistości
9
koduje białka. Genom człowieka zawiera około 20000 ‐ 30000 genów. Geny występujące tylko w jednej kopii stanowią 75% genomu. Ludzki mitochondrialny DNA jest kolisty i ma wielkośd około 17000 par zasad.
Koduje mniej niż 40 genów.
Rysunek 1.5-4. Orientacyjna wielkość genomu organizmów żywych i wirusów
Jądrowy DNA w komórkach eukariotycznych połączony jest z białkami jądrowymi i gęsto upakowany. Taką nukleinowo‐białkowa strukturę nazywamy chromatyną. W czasie podziału komórki poszczególne odcinki DNA jądrowego ulegają wielokrotnemu zwinięciu tworząc chromosomy. Liczba i wielkośd chromosomów jest cechą charakterystyczną każdego organizmu żywego (Rys. 5). Często zdarza się, że w wyniku działania promieniowania jonizującego DNA kodujący informację genetyczną ulega uszkodzeniu, zaś w czasie jego naprawy ulega zmianie informacja genetyczna. Zmiany takie nazywamy mutacjami; ich powstawanie i skutki omówione zostaną w rozdziale 2.2.2.2. Jeśli uszkodzony DNA nie zostanie naprawiony prowadzi to śmierci komórki .
10 Rysunek 1.5-5. Typowy kariotyp człowieka (22 pary chromosomów somatycznych i dwa chromosomy płci.
Widoczne także trzy jądra interfazowe). Na zdjęcie nałożono sztuczne barwy w celu umożliwienia porównania chromosomów (zdjęcie dzięki uprzejmości dr Sylwestra Sommera, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej)
1.6 Budowa DNA
Kwasy nukleinowe są polimerami złożonymi z nukleotydów. Nukleotydy składają się z zasady azotowej (w DNA występują cztery zasady: cytozyna, tymina, adenina i guanina, a w RNA zamiast tyminy występuje uracyl), monosacharydu (w DNA występuje deoksyryboza, a w RNA ryboza) i reszty kwasu fosforowego.
Zasady zwyczajowo oznacza się wielkimi pierwszymi literami ich nazw chemicznych (odpowiednio C, T, A, G i U). Łaocuch polinukleotydowy tworzy się przez połączenie dwóch nukleotydów resztą kwasu fosforowego tworzącego wiązanie fosfodiestrowe. Każda grupafosforanowa tworzy wiązanie estrowe z grupą OH przy atomie węgla 5’ jednej cząsteczki deoksyrybozy i grupą OH przy atomie węgla 3’ drugiej cząsteczki deoksyrybozy. Kolejnośd nukleotydów określana jest mianem sekwencji nukleotydowej i tworzy informację genetyczną określającą budowę i funkcje komórki. DNA zbudowany jest z dwóch łaocuchów polinukleotydowych biegnących w przeciwnych kierunkach (patrz Rysunek 1.8-1). W DNA, reszty tyminy i cytozyny tworzą pary z położonymi w przeciwległych łaocuchach resztami adeniny i guaniny (T:A i C:G, patrz Rysunek 1.8-2). Pary te powiązane są wiązaniami wodorowymi.
11
1.7 Podwójna helisa
Przestrzenne położenie obu łaocuchów polinukleotydowych tworzących DNA zostało określone przez Watsona i Cricka w 1953 [1]. Model helisy DNA zaproponowany przez Watsona i Cricka nazywamy B-DNA i jest on najczęściej występującą formą DNA. Jednak późniejsze badania wykazały, że cząsteczka DNA może przybierad także inne formy przestrzenne. Oprócz B-DNA w przyrodzie występują prawdopodobnie jeszcze dwie formy DNA: A-DNA i Z-DNA (Rys. 1). Formy DNA różnią się zawartością wody, co może wpływad na ich
promieniowrażliwość
.1.8 Chromatyna, chromosomy
Chromatyna jest najważniejszym składnikiem jądra komórkowego. Składa się ona z DNA i białek. W chromatynie można wyróżnid obszary gęsto upakowane, określane jako heterochromatyna i obszary mniej skondensowane, określane jako euchromatyna. Z uwagi na większe upakowanie i obecnośd większej ilości białek, heterochromatyna jest bardziej odporna na działanie promieniowania jonizującego niż euchromatyna. DNA w komórce człowieka ma długośd około 2 m. Tak duża struktura musi zmieścid się w jądrze o przeciętnej średnicy około 5 µm. Jest to możliwe dzięki upakowaniu chromatyny. Wyróżnia się trzy poziomy organizacji chromatyny:
(1) nukleosomy – podstawową strukturę chromatyny składającą się z DNA i białek, przypominającą koraliki nanizane na nitkę (włókno podstawowe);
(2) selenoid – spiralne zwinięte włókna podstawowe;
(3) pętle selenoidowe – włókna solenoidowe przyczepione do białek macierzy jądrowej (Rys. 2).
W czasie podziału komórki chromatyna ulega dalszej kondensacji i tworzą się chromosomy metafazowe w takiej postaci, jaką możemy zobaczyd w mikroskopie świetlnym w dzielących się
komórkach. Liczba chromosomów jest równa liczbie cząsteczek DNA tworzących genom organizmu (u człowieka jest równa 46).
12 Rysunek 1.8-1. Modele budowy cząsteczek A, B i Z DNA
13
Rysunek 1.8-2. Model organizacji chromatyny w komórkach ssaków
14
1.9 Powstawanie mutacji
Mutacją nazywamy zmianę informacji genetycznej zawartej w DNA. Występujące naturalnie izomery (tautomery) zasad azotowych lub pochodne zasad powstające w wyniku działania czynników zewnętrznych, takie jak promieniowanie, są niekiedy błędnie rozpoznawane w czasie syntezy DNA i wstawiane zamiast właściwych zasad (Rysunek 1.9-1) . Mutacje można podzielid w zależności od:
komórek w jakich powstają
Mutacje somatyczne (powstają w komórkach somatycznych organizmu, mogą prowadzid do powstawania nowotworów).
Mutacje generatywne (powstają w komórkach rozrodczych organizmu, mogą prowadzid do powstawania chorób dziedzicznych i wad wrodzonych).
sposobu powstania
Mutacje spontaniczne (wynikają z występowania form tautomerycznych zasad lub spontanicznych procesów deaminacji zasad).
Mutacje indukowane (wynikają z powstawania uszkodzeo zasad lub zaburzeo struktury DNA w wyniku działania czynników zewnętrznych).
wielkości
Mutacje punktowe (jednonukleotydowe)
Mutacje sekwencji (mutacje obejmujące od 2 do kilku milionów par zasad, np. delecje, insercje, inwersje).
Mutacje chromosomowe (mutacje obejmujące całe chromosomy; np. delecje, duplikacje).
wpływu na kodowaną informację
Cicha: Mutacja nie zmienia znaczenia odczytanej informacji Missense: Mutacja zmieniająca znaczenie odczytanej informacji Odwrotna (Rewersja): Mutacja przywracającą oryginalną informację Nonsense: Mutacja uniemożliwiająca poprawne odczytanie informacji Zmiana Ramki Odczytu (ang. Frame shift): Mutacja zmieniająca informację Insercja/Duplikacja: Dodanie/podwojenie informacji.
Z chemicznego punktu widzenia mutacje są zmianą sekwencji nukleotydów w łaocuchu DNA i można je podzielid następująco:
Substytucja
Tranzycja: Zamiana puryny na purynę lub pirymidyny na pirymidynę. Na przykład: G na A, A na G, C na T, T na C.
Transwersja: Zmiana puryny na pirymidynę lub pirymidyny na purynę. Na przykład: C na A, C na G, T na A, T na G.
Insercja: Wstawienie jednej lub więcej zasad. Na przykład: AAGGCTT na AAGGTTTCTT.
Delecja: Usunięcie jednej lub więcej zasad. Na przykład: CCGGTGCACA na CCGTGCACA.
15
Rysunek 1.9-1. Mutacje spontaniczne i indukowane. (A) Poprawne parowanie zasad G:C. (B) Błędne parowanie zasadG:T w wyniku występowania guaniny w formie enolowej. (C) błędne parowanie G:
Błędne parowanie zasad DNA wynikające z występowania form tautomerycznych zasad występuje z częstością około 10-6, z tego około 10-4nie jest wykrywana przez sprawdzającą błędy polimerazę DNA.
Częstośd mutacji spontanicznych wynosi zatem około 10-10.
Nie wszystkie mutacje muszą być szkodliwe dla organizmu. Większość mutacji nie wpływa
na funkcjonowanie organizmu lub komórki, ponieważ nie zmieniają znaczenia kodowanej
informacji genetycznej lub zachodzą w komórkach zróżnicowanych, które się nie dzielą
. Najniebezpieczniejsze są mutacje w komórkach macierzystych (np. komórkach pnia szeregu krwiotwórczego prowadzące do rozwoju nowotworów krwi) i takie, które prowadzą do zapoczątkowania podziałów (np. mutacje proto-onkogenów prowadzące do rozwoju nowotworów).16
2 Oddziaływanie promieniowania na różnym poziomie organizacji materii żywej 2.1 Radioliza wody
Promieniowanie jonizujące przechodząc przez ośrodek, jakim jest żywa komórka powoduje jonizację tego ośrodka. Ilośd energii zdeponowanej przez promieniowanie o niskich wartościach liniowego przekazywania energii, takiego jak promieniowanie X lub , wynosi około 60 eV na zdarzenie. Jest to dużo więcej niż potrzeba do wywołania jonizacji cząsteczki wody (około 20eV). Pochłonięcie energii promieniowania przez cząsteczkę wody powoduje oderwania elektronu (1) lub wzbudzenie i rozpad cząsteczki wody na rodnik hydroksylowy ( OH) i rodnik wodorowy (H ) (2).
2.2 Działanie bezpośrednie i działanie pośrednie
Chemiczne i biologiczne efekty promieniowania jonizującego wynikają z dwóch typów oddziaływao:
działania bezpośredniego i działania pośredniego.
Działaniem bezpośrednim
nazywamy depozycję energii promieniowania bezpośrednio w makrocząsteczce biologicznej. Działanie pośrednie wynika z absorpcji energii promieniowania przez ośrodek otaczający makrocząsteczkę biologiczną, co prowadzi do powstania produktów pośrednich, które mogą atakowad makrocząsteczkę (Rysunek 2.2-1). W wyniku pojedynczej depozycji energii może powstad wiele produktów pośrednich, jednak są one generowane niejednorodnie, a ich zasięg ograniczony jest przez szybkośd dyfuzji. Ze względu na bardzo dużą reaktywnośd rodnika OH szacuje się, że aby mógł uszkodzid DNA musi on powstad nie dalej niż 3 nm od DNA. Udział efektu bezpośredniego w biologicznym działaniu promieniowania szacuje się na 30-40% [2].Rysunek 2.2-1. Pośrednie i bezpośrednie działanie promieniowania
17
2.3 Oddziaływanie promieniowania na białka
Głównym rodnikiem uszkadzającym białka jest rodnik wodorotlenowy, jednak niektóremodyfikacje cząsteczek białkowych, takie jak utlenianie grup –SH mogą byd wywoływane bezpośrednio także przez anionorodnik ponadtlenkowy (O2). Chociaż działanie rodnika hydroksylowego na białka jest niespecyficzne, wewnątrzcząsteczkowy transfer elektronu preferuje tworzenie się określonych koocowych produktów przemiany białek. Łaocuch białka może zostad przerwany w miejscach występowania proliny. Często obserwuje się tworzenie mostków cysty nowych i tyrozylowych. Inny mechanizm działania wykazuje nadtlenoazotyn (ONOO-). ONOOpowstaje głównie w wyniku rekombinacji •NO i O2. W wyniku działania ONOO- następuje nit racja tyrozyny *3+.
Działanie promieniowania jonizującego na roztwory białek w warunkach tlenowych prowadzi przede wszystkim do fragmentacji cząsteczek białka, a napromienienie w warunkach beztlenowych,do agregacji.
Główną przyczyną tego odmiennego przebiegu degradacji białek jest powstawanie w warunkach tlenowych rodników nadtlenkowych białek, których dalsze przemiany częściej prowadzą do rozrywania szkieletu cząsteczek. Poddanie aminokwasów działaniu rodnika hydroksylowego pokazało, że sześd z nich, kwas glutaminowy, izoleucyna, leucyna, lizyna, prolina i walina znacznie łatwiej niż pozostałe ulegają peroksydacji [4].
Modyfikacje aminokwasów białkowych, zachodzące pod wpływem wolnych rodników prowadzą najczęściej do utraty funkcji białka
.2.4 Oddziaływanie promieniowania na lipidy
Rodnik hydroksylowy i inne silnie utleniające indywidua chemiczne powstające w czasie radiolizy wody, mogą oddziaływad z nienasyconymi kwasami tłuszczowymi występującymi w błonach biologicznych, powodując ich peroksydację *5+. Proces peroksydacji jest inicjowany poprzez oderwanie wodoru od reszty nienasyconego kwasu tłuszczowego. Reakcję tę najczęściej inicjuje rodnik wodorotlenowy oraz rodniki nadtlenkowe (ROO•), alkoksylowe (RO•) i alkilowe (R•). W etapie propagacji powstały rodnik alkilowy reaguje z tlenem tworząc wolny rodnik nadtlenkowy, ROO•. Ten rodnik może reagowad z kolejną resztą nienasyconego kwasu tłuszczowego. W efekcie powstaje nadtlenek kwasu tłuszczowego ROOH oraz kolejny rodnik R•, który może wziąd udział w następnej reakcji peroksydacji (Rysunek 2.4-1).
Rysunek 2.4-1. Peroksydacja lipidów
Oprócz nadtlenków kwasów tłuszczowych powstają także produkty rekombinacji rodników, takie jak dimery fosfolipidów lub fosfolipidy zawierające reszty ketonowe i hydroksylowe. Może to wpływad na funkcje i integralnośd błony białkowo-lipidowej. Rodniki biorące udział w peroksydacji lipidów mogą też atakowad blisko położone cząsteczki białek (np. białka błonowe). Dalsze przemiany produktów peroksydacji, zachodzące m. in. na drodze -eliminacji prowadzą do rozpadu reszt wielonienasyconych kwasów tłuszczowych i powstania kilku- lub kilkunastowęglowych fragmentów, między innymi różnych keto- i hydroksypochodnych. Produkty koocowe procesu peroksydacji lipidów, zwłaszcza aldehydy, są mniej reaktywne niż wolne rodniki i dzięki temu mogą w komórkach dyfundowad na znaczne odległości.
18 Najpowszechniej badanym produktem peroksydacji lipidów jest dialdehyd malonowy (MDA).
Stwierdzono, że u osób zawodowo narażonych na niskie dawki promieniowania obserwuje się podwyższenie poziomu MDA w osoczu krwi *6+. Aldehydy powstające podczas peroksydacji lipidów powodują pęknięcia nici DNA *7+, są cytotoksyczne i działają mutagennie i kancerogennie *8+.
Produkty peroksydacji lipidów modyfikują właściwości fizyczne błon komórkowych.
Wprowadzenie polarnych grup nadtlenkowych, ketonowych, aldehydowych, czy wodorotlenowych do cząsteczek fosfolipidów, które znajdują się wewnątrz dwuwarstwy lipidowej błon, obniża hydrofobowośd lipidowego wnętrza błon komórkowych i zmienia organizację dwuwarstwy. Ostatecznym wynikiem może byd utrata integralności błon komórkowych *9+.
2.5 Oddziaływanie promieniowania na DNA
DNA zbudowany jest ze szkieletu cukrowego: deoksyrybozy i reszt kwasu fosforowego oraz zasad azotowych: puryn i pirymidyn (patrz. Rozdział 2.2.1.1). Oba elementy składowe DNA mogą ulec uszkodzeniu w wyniku bezpośredniego i pośredniego działania promieniowania jonizującego. Najczęściej powstającymi uszkodzeniami DNA są oksydacyjne uszkodzenia zasad, utrata zasady, pęknięcia nici i wiązania krzyżowe. Częstośd występowania poszczególnych rodzajów uszkodzeo DNA po napromienieniu dawką 1 Gy w porównaniu z częstością spontaniczną pokazana jest w Tabela 2.5-1
Tabela 2.5-1. Częstość występowania spontanicznych i popromiennych uszkodzeń DNA [10]
Rodzaj uszkodzenia
Liczba powstających spontanicznie uszkodzeo na komórkę w czasie
jednej godziny
Liczba uszkodzeo wywoła- na w komórce przez 1 Gy
promieniowania X
Uszkodzenia zasad 1,25 x 103 105
Utrata zasady 1,5 x 103 950
Pęknięcie pojedynczoniciowe 5 x 103 1000
Pęknięcie podwójnoniciowe <1 40
19
2.6 Uszkodzenia zasad
Uszkodzenia oksydacyjne zasad są spowodowane atakiem rodników hydroksylowych, powstających w wyniku radiolizy wody. Najczęstszy jest atak rodnika OH na wiązanie pomiędzy atomami węgla C5 i C6 pirymidyn oraz atomami węgla C4 i C6 puryn (Rysunek 2.6-1). W zależności od lokalnych warunków tlenowych powstające produkty pośrednie mogą ulegad dalszemu utlenianiu lub redukcji. W wyniku kolejnych przemian powstają modyfikacje zasad o różnej stabilności i różnym znaczeniu biologicznym.
Znanych jest ponad 200 oksydacyjnych modyfikacji zasad, które mogą byd wywoływane przez promieniowanie jonizujące.
Rysunek 2.6-1. Miejsca ataku rodnika OH na DNA
2.7 Pęknięcia nici DNA
Atak rodnika OH na szkielet cukrowy DNA prowadzi do oderwania atomu wodoru od deoksyrybozy. Atom wodoru może byd oderwany od każdego z atomów węgla deoksyrybozy, co w zależności od dostępności tlenu powoduje powstanie różnych produktów koocowych. W warunkach beztlenowych głównym celem ataku rodnikowego jest atom węgla C4’, natomiast w warunkach tlenowych zaatakowane mogą byd także inne atomy węgla (Rys. 3). W wyniku oderwania atomu wodoru i kolejnych reakcji powstają dwa rodzaje uszkodzeo DNA: pęknięcie wiązania fosfodwuestrowego i powstanie pojedynczoniciowego pęknięcia DNA lub otwarcie pierścienia deoksyrybozy i powstanie tak zwanego miejsca alkalilabilnego [11] (Patrz Rozdział 2.2.2.2).
2.8 DNA struktura najbardziej promieniowrażliwa
Wczesne badania przeprowadzone na jajach płazów, pierwotniakach i glonach jednokomórkowych z użyciem mikrowiązek wykazały, że jądro komórki jest bardziej wrażliwe na działanie promieniowania jonizującego niż cytoplazma. Późniejsze badania na komórkach ssaków potwierdziły te przypuszczenia, jednocześnie uściślając, że najbardziej promieniowrażliwą strukturą jest chromatyna, a przede wszystkim
20 DNA. Dowody potwierdzające ten fakt przedstawiono poniżej:
1. Wrażliwośd na promieniowanie wielu komórek roślinnych jest dobrze skorelowana ze średnią objętością interfazalnego DNA chromosomowego. Im większa objętośd kwasów nukleinowych w jądrze, tym większa jest promieniowrażliwośd komórek.
2. Komórki zabijane są przez radioaktywne analogi nukleotydów, stanowiących prekursory do syntezy DNA. Trytowana lub jodowana tymidyna, która wbudowywana jest podczas syntezy w cząsteczkę DNA, emituje cząstki α o bardzo małym zasięgu, a więc uszkodzenie ograniczone jest tylko do cząsteczki DNA.
3. Halogenki pirymidyn, a przede wszystkim strukturalne analogii tymidyny, które także wbudowywane są podczas syntezy w cząsteczkę DNA, zwiększają promieniowrażliwośd komórek w sposób proporcjonalny do ilości wbudowanego związku. Halogenki urydyny, które nie są wbudowywane w cząsteczkę DNA, nie mają takiego działania.
Czynniki modyfikujące działanie promieniowania, tj. omówione w Rozdziale 2.2.2.3 efekty ‐tlenowy, LET lub mocy dawki ‐ wpływają w podobny sposób na śmiertelnośd komórek i na uszkodzenia chromosomów.
Wskazuje to, że uszkodzenia chromosomów są związane przyczynowo ze śmiercią komórki.
2.9 Oddziaływanie promieniowania na komórki, wrażliwość na promieniowanie komórek proliferujących i nieproliferujących
Biorąc pod uwagę procesy chemiczne, jakie zachodzą podczas napromieniowania i sposóbdziałania promieniowania na krytyczne struktury subkomórkowe, ilośd uszkodzeo wywołanych w komórkach przez określony typ promieniowania jest podobna w przeliczeniu na jednostkę dawki i jednostkę ilości DNA.
Oznacza to, że z chemicznego punktu widzenia wrażliwośd komórek na promieniowanie jonizujące jest jednakowa. O koocowym skutku działania promieniowania decydują procesy, które zachodzą po napromieniowaniu, takie jak naprawa uszkodzeo DNA i aktywnośd proliferacyjna komórki. Procesy naprawy uszkodzeo DNA przedstawiono w Rozdziale 2.2.2.4, zaś w tym rozdziale omówiony zostanie wpływ aktywności proliferacyjnej na promieniowrażliwośd komórek.
Większośd komórek zróżnicowanych w naszym organizmie znajduje się w tak zwanej fazie spoczynkowej (G0), w której ich aktywnośd proliferacyjna jest zahamowana. Większośd komórek pozostanie w fazie G0 aż do śmierci. Nieliczne, na przykład limfocyty, zdolne są pod wpływem określonych bodźców do rozpoczęcia podziałów. Komórki dzielące się przechodzą złożony proces, zwany cyklem komórkowym, w trakcie którego następuje podwojenie materiału genetycznego zawartego w jądrze komórkowym i przygotowanie całej komórki do podziału.
Cykl komórkowy składa się z czterech faz: G1 – w trakcie której następuje przygotowanie dosyntezy DNA; S – fazy syntezy DNA; G2 – w trakcie której następuje przygotowanie do mitozy; M (mitoza) – właściwej fazy podziału komórki (Rys. 2). Przejście przez poszczególne fazy cyklu komórkowego regulowane jest genetycznie, a jego zaburzenie zwiększa promieniowrażliwośd komórek.
Faza cyklu komórkowego w jakiej znajduje się komórka napromieniona ma duże znaczenie dla jej wrażliwości na promieniowanie. Najbardziej wrażliwe są komórki w późnej fazie G2 i mitozie, najmniej ‐ w późnej fazie S. Wrażliwośd komórek w fazie G1 zmienia się: na początku komórki są stosunkowo oporne, a potem następuje ich uwrażliwienie (Rys 3). Przyczyny różnej wrażliwości komórek w poszczególnych fazach cyklu komórkowego nie są do kooca poznane *6+. Wiąże się je ze zmianami organizacji chromatyny oraz ze zmianami zawartości tioli w komórce.
21
Rysunek 2.9-1. Schemat cyklu komórkowego. G0 - faza spoczynkowa; G1 - faza poprzedzająca syntezę DNA;
S - faza syntezy DNA; G2 – faza poprzedzająca mitozę; M – mitoza. Ilość DNA w komórce schematycznie pokazano jako chromosom.
Rysunek 2.9-2. Wrażliwość komórek na promieniowanie w poszczególnych fazach cyklu komórkowego (na podstawie [7], zmienione)
22
2.10 Oddziaływanie promieniowania na tkanki, wrażliwość tkanek na promieniowanie Wrażliwość tkanek na promieniowanie jonizujące jest uzależniona od wrażliwości tworzących je komórek i ich zdolności re-populacyjnej
. Krzywa odpowiedzi na promieniowanie normalnych zdrowych tkanek ma kształt sigmoidalny podobny do odpowiedzi całego organizmu (Rysunek 2.11-1). Po napromienieniu większośd komórek tkanki umiera śmiercią interfazalną lub mitotyczną. W niektórych tkankach komórki umierają także śmiercią apoptotyczną (patrz Rozdział 2.2.2.2). Odpowiedź tkanki na promieniowanie zależy od:1. promieniowrażliwości właściwej komórek, 2. kinetyki odnawiania tkanki,
3. budowy tkanki.
Promieniowrażliwośd indywidualnych komórek w obrębie tkanki różni się nieznacznie, co może byd spowodowane przez różne czynniki modyfikujące działanie promieniowania, np. efekt tlenowy omówiony w Rozdziale 2.2.2.3. Jeżeli w obrębie tkanki znajdzie się wystarczająco dużo komórek, które przetrwały napromienienie, mogą one zregenerowad całą tkankę. Skrajnym przypadkiem są tkanki nowotworowe, w których nawet jedna komórka, która przeżyła napromienienie może dad początek wznowie nowotworu.
Ponieważ śmierd komórek następuje przede wszystkim w momencie podziału (patrz poniżej), tkanki o szybkiej kinetyce odnawiania (dużej zawartości komórek szybko dzielących się), np. śluzówka jelita, są bardziej wrażliwe od tkanek, w których komórki dzielą się rzadziej, np. mięśnie gładkie. Także tkanki zawierające dużo komórek niezróżnicowanych (patrz Rozdział 2.1.1.1), o dużym potencjale proliferacyjnym, są bardziej wrażliwe na promieniowanie niż tkanki zróżnicowane. Obserwacje te pozwoliły na sformułowanie tzw. reguły Bergonié’go i Tribondeau, którzy zauważyli, że
„Tkanki wydają się bardzie wrażliwe na promieniowanie, jeżeli ich komórki są mniej zróżnicowane, mają większy potencjał proliferacyjny i szybciej się dzielą
”. Dodatkowym czynnikiem warunkującym wrażliwośd tkanek na promieniowanie jest budowa tkanki. Obserwacje kliniczne dowiodły, że tolerancja tkanek na promieniowanie zależy w dużej mierze od objętości tkanki, jaka została napromieniona.Przyjmuje się, że tolerancja tkanki na promieniowanie zależy od obecności wystarczającej liczby dojrzałych komórek zdolnych do podtrzymania funkcji fizjologicznych tkanki (organu). W niektórych organach (nerki, płuca) do podtrzymania funkcji fizjologicznych wystarczy, że nienapromienione pozostanie tylko 30%
tkanki. Wynika to z modułowej budowy tych organów i obecności dużej liczby jednakowych jednostek funkcjonalnych (nefrony, pęcherzyki płucne), które mogą pracowad niezależnie od siebie. W tkankach, w których działanie całego organu zależy od współdziałania poszczególnych jednostek funkcjonalnych (np.
neuronów w rdzeniu kręgowym) napromienienie niewielkiej części tkanki powoduje zaburzenie jej funkcji.
Próbę klasyfikacji tkanek pod względem promieniowrażliwości z uwzględnieniem ich budowy podjęli Wheldon i Michałowski *4+ (Tabela 2.10-1). Zaproponowany przez nich podział tkanek/narządów na tkanki o strukturze hierarchicznej (Typu H) lub elastycznej (Typu F) zakłada, że intensywnośd proliferacji komórek w tkance prawidłowej pozostaje pod kontrolą organizmu. W warunkach fizjologicznych utrata komórek jest równoważona odnową. Działanie promieniowania jonizującego powoduje zwiększoną utratę komórek macierzystych tkanki. W odpowiedzi dochodzi do przyspieszenia Re-populacji pozostałych komórek macierzystych i zrekompensowania straty. Narządy o budowie hierarchicznej składają się z komórek dojrzałych, dojrzewających (różnicujących się) i komórek macierzystych. Śmierd komórek macierzystych uniemożliwia odnowę komórek dojrzałych i dojrzewających. W tkance typu elastycznego, w której wszystkie komórki są równorzędne, wszystkie komórki mogą brad udział w odnowie tkanki.
Tabela 2.10-1. Klasyfikacja tkanek wg Wheldona i Michałowskiego [4]
Typ tkanki Budowa Odpowiedź na promieniowanie
23
Hierarchiczna Tkanka typu H (Błona śluzowa, naskórek, szpik kostny)
komórki dojrzałe komórki dojrzewające (różnicujące się) komórki macierzyste
Intensywnośd odczynu zależy od dawki i jest tym większa, im więcej zginęło komórek macierzystych.
Czas ujawnienia się wczesnego odczynu
popromiennego nie zależy od dawki i jest zależny od szybkości degradacji komórek dojrzałych.
Elastyczna Tkanka typu F (Ośrodkowy układ nerwowy)
Brak podziałów funkcjonalnych.
Wszystkie komórki równorzędne
Intensywnośd odczynu i czas wystąpienia jest proporcjonalny do dawki
Koniecznośd uwzględnienia różnic w promieniowrażliwości tkanek spowodowała wprowadzenie czynnika wagowego tkanki lub narządu (WT) i pojęcia dawki efektywnej (E). Czynnik WT oznacza, jaki ułamek całości dawki stał się udziałem danej tkanki. Dawka efektywna (E) oznacza sumę ważonych dawek równoważnych od zewnętrznego i wewnętrznego napromienienia wszystkich tkanek i narządów i wyraża się wzorem (ponizej), w którym D oznacza dawkę, WR czynnik wagowy promieniowania, WT czynnik wagowy narządowy.
𝐸 = 𝐷
𝑇𝑅× 𝑊
𝑇× 𝑊
𝑇Przykładowe wartości współczynnika określone przez Międzynarodową Komisję Ochrony Radiologicznej przedstawia Tabela 2.10-2 [5].
Tabela 2.10-2. Czynnik wagowy WT ryzyka radiacyjnego dla tkanek człowieka [5]
Tkanka/Narząd WT
Gonady 0,20
Szpik kostny, jelito grube, płuca, żołądek 0,12
Pęcherz moczowy, gruczoły piersiowe, wątroba, przełyk, tarczyca 0,05
Skóra, powierzchnia kości 0,01
Pozostałe 0,05
Ponadto biorąc pod uwagę znaczenie tkanki i skutków jej napromieniowania dla całego organizmu możemy mówid o promieniowrażliwości względnej. Stosując takie podejście wprowadza się pojęcie narządu krytycznego, czyli takiego, który jest istotny dla organizmu i jest najbardziej uszkadzany przez dany rodzaj promieniowania w danych warunkach napromieniowania. Dla promieniowania X i gamma narządami krytycznymi
są szpik, gonady i soczewka oka
, dla izotopu jodu –tarczyca
, a dla przyjętych doustnie izotopów alfa‐promieniotwórczych –śluzówka jelit
.2.11 Oddziaływanie promieniowania na organizm, promieniowrażliwość osobnicza, LD50
Działanie promieniowania jonizującego na cały organizm zostało dobrze udokumentowane dzięki badaniom na modelach zwierzęcych i pozwoliło na zrozumienie głównych przyczyn śmierci po napromienieniu całego ciała. Odniesienie tych badao do ludzi było możliwe dzięki doświadczeniom uzyskanym w trakcie radioterapii, a także w wyniku obserwacji osób napromienionych w czasie wybuchów w Hiroshimie i Nagasaki, mieszkaoców wysp Marshalla napromienionych w czasie opadu promieniotwórczego w 1954 roku i ofiar wypadków radiacyjnych. Dzięki tym badaniom wpływ promieniowania na organizm człowieka został także bardzo dobrze udokumentowany *1+. Staranne opisanie objawów występujących po napromienieniu, z uwzględnieniem rodzaju, nasilenia i czasu ich wystąpienia, ma znaczenie prognostyczne i pozwala na prawdopodobne określenie dalszego przebiegu choroby i w przybliżone oszacowanie dawki promieniowania pochłoniętej przez chorego. Napromienienie całego ciała dawkami większymi niż 100 mSv powoduje wystąpienie ostrego zespołu popromiennego
(ang. Acute Radiation Syndrome, ARS)
. Opisy przebiegu ARS u ludzi napromienionych różnymi dawkami promieniowania pozwoliły na wyodrębnienie kilku etapów choroby i różnego nasilenia jej objawów. Pierwsze objawy związane z napromienieniem całego ciała występują kilka do kilkunastu minut po napromienieniu i nazywane sąfazą prodromalną
(zespołem zwiastunów). U ludzi cechują się zaburzeniami związanymi z funkcjonowaniem układu pokarmowego i nerwowego, takimi jak anoreksja,24 nudności, bóle głowy, wymioty, biegunka, suchośd w jamie ustnej, odwodnienie i utrata wagi, zmęczenie, apatia, pocenie się, gorączka i obniżeniem ciśnienia krwi.
Objawy te stopniowo zanikają (faza utajona), a następnie przechodzą w okres objawów chorobowych, którego przebieg zależy od dawki promieniowania. Przy dużych dawkach rzędu 50 Gy śmierd następuje w ciągu 24‐48 godzin w wyniku uszkodzenia układu nerwowego i krwionośnego powodującego objawy składające się na zespół mózgowy. Przy średnich dawkach rzędu >10 Gy śmierd następuje w ciągu kilku dni w wyniku intensywnych krwawieo związanych z uszkodzeniem śluzówki jelit. Ten rodzaj śmierci określamy, jako wywołany zespołem żołądkowo‐jelitowym. Przy małych dawkach rzędu 2,5‐5 Gy śmierd następuje w ciągu kilu tygodni i spowodowana jest przez załamanie się hematopoezy w wyniku uszkodzenia szpiku. Ten rodzaj śmierci określamy, jako wywołany zespołem szpiku kostnego. Chociaż ostry zespół popromienny rozwija się u wszystkich osobników napromienionych, jego nasilenie jest różne u poszczególnych osobników. Osobniki bardzo młode i stare są bardziej wrażliwe niż osobniki dorosłe.
Stwierdzono także większą wrażliwośd na promieniowanie samców niż samic. Oprócz dawki pochłoniętej nasilenie objawów popromiennych zależy od wrażliwości osobniczej. Na wrażliwośd osobniczą składa się szereg czynników fizjologicznych i niefizjologicznych, które mogą modyfikowad działanie promieniowania.
Wyróżnid można czynniki genetyczne (dziedziczne), tj. polimorfizmy i defekty genów naprawy uszkodzeo DNA, genów kontroli cyklu komórkowego oraz czynniki pozagenetyczne, tj. wiek, płed, ogólny stan zdrowia, nawyki żywieniowe, styl życia (np. palenie papierosów). U ludzi znanych jest 18 różnych zespołów dziedzicznych warunkujących nadwrażliwośd na promieniowanie jonizujące. W wielu przypadkach poznano za pomocą metod biologii molekularnej mechanizmy leżące u podstawy zwiększonej wrażliwości (Tabela 2.11-1).
Rysunek 2.11-1 przedstawia typową zależnośd pomiędzy dawką promieniowani a liczbą osobników zabitych przez napromienienie całego ciała. Typowa krzywa ma kształt sigmoidalny, a z jej przebiegu można wyznaczyd dawkę letalną 50% (LD50). Koncepcja LD50 powstała na potrzeby badao toksykologicznych i oznacza dawkę substancji chemicznej, czynnika fizycznego lub materiału, która powoduje śmierd połowy badanej populacji w określonym czasie.
Rysunek 2.11-1. Typowy przebieg krzywej przeżywalności po napromienieniu całego ciała
Tabela 2.11-1. Dziedziczne zespoły chorobowe warunkujące nadwrażliwość na promieniowanie jonizujące [2]
Choroba Mechanizm, Wrażliwośd na Predyspozycja do
25
uszkodzenie prom.
jonizujące występowania nowotworów
Xeroderma pigmentosum wariant TLS (+) Skóry
Ataksja‐telangiektazja (AT) sygnalizacja DSB (++++) Białaczki, chłoniaki Ataksja‐telangiektazja (AT) sygnalizacja DSB (+) Piersi
Zespół podobny do AT sygnalizacja DSB (++++) Nie
Zespół Nijmegen sygnalizacja DSB (++++) Chłoniaki
Niedokrwistośd Fanconiego Naprawa wiązao
krzyżowych i HR (++) Białaczki, rak płaskonabłonkowy, piersi
Zespół Rothmunda‐Thompsona HR/TLS (+) Kostniako‐mięsaki
Zespół Cockayne’a NER/TCR (+) Nie
Zespół Wernera HR/TLS (+++) Mięsaki
Ciężki złożony niedobór odporności V(D)J/NHEJ ? Chłoniaki
Zespół Ligazy IV NHEJ (++++) Nie
Zespół Seckla sygnalizacja (+++) Nie
DSB
Wrodzona dyskeratoza metabolizm telomerów (++) Niedokrwistośd aplastyczna
Niepolipowaty rak jelita grubego MMR (+)
Jelita grubego, śluzówki macicy, jelita cienkiego,
dróg moczowych i żółciowych, jajnika
Rak piersi i rak jajnika HR (+) Piersi, jajnika
Zespół Li‐Fraumeni sygnalizacja DSB
Podwyższone ryzyko nowotworów popromiennych
Piersi, mózgu, Białaczki, mięsaki Siatkówczak rodzinny sygnalizacja DSB
Podwyższone ryzyko nowotworów popromiennych
Mięsaki, czerniaki, nowotwory mózgu Zespół nabłoniaków
znamionowych Szlak SHH Podwyższone ryzyko nowotworów popromiennych
Skóry
AT ‐ ataksja‐telangiektazja, DSB – podwójnoniciowe pękniecie DNA, HR ‐ rekombinacja homologiczna, MMR ‐ naprawa błędnie sparowanych zasad, NER – naprawa z wycięciem nukleotydu, NHEJ nie‐homologiczne łączenie kooców, SHH – brak polskiego odpowiednika (ang. sonic hedgehog, dosł. szlak jeża Sonica), TCR ‐ naprawa związana z transkrypcją, TLS ‐ synteza poprzez uszkodzenia matrycy.
Badania na modelach zwierzęcych i analiza wypadków radiacyjnych pozwoliły określid dawki LD50 dla niektórych ssaków (Tab. 2).
Tab. 2. Masa ciała i LD50 dla wybranych zwierząt poddanych napromienieniu na całe ciało (na podstawie [3].
Masa ciała (kg) LD50
Mysz 0,025 7
Szczur 0,2 6,75
Małpa (rezus) 2,8 5,25
Pies 12 3,7
Człowiek 70 4
Napromienienie organizmu dawką LD50 powoduje wystąpienie fazy prodromalnej, głównie nudności i wymiotów, po której następuje okres utajenia. W ciągu około miesiąca rozwija się zespół szpiku kostnego, którego nasilenie zależy od osobnika i który u 50% populacji kooczy się śmiercią. Nasilenie objawów popromiennych, a co za tym idzie także wartośd LD50, można modyfikowad w pewnym zakresie stosując odpowiednią opiekę medyczną. Przeszczepy szpiku pozwalające na dodatkowe modyfikowanie efektów napromienienia całego ciała i pozwalające uratowad ludzi napromienionych dawkami rzędu 8‐10 Gy zostały omówione w rozdz. 2.2.2.2.
26
3 Skutki działania promieniowania jonizującego 3.1 Wstęp
Skutki biologiczne związane z działaniem promieniowania na poziomie subkomórkowym opisano szczegółowo w Rozdziale 2.2.2.2. Tu należy tylko podkreślid, że działanie promieniowania jonizującego na makrocząsteczki biologiczne może wynikad z bezpośredniej depozycji energii w makrocząsteczce lub z ataku reaktywnych indywiduów chemicznych powstających w wyniku radiolizywody.
Skutkiem takiego oddziaływania są oksydacyjne modyfikacje makrocząsteczki, prowadzące zreguły do jej uszkodzenia. Oksydacyjne uszkodzenia DNA mogą prowadzid do śmierci komórki lub do powstawania mutacji, czyli zmiany informacji genetycznej zawartej w komórce. Diagram na Rys. 1 przedstawia możliwe koleje losu napromienionej komórki.
Rysunek 3.1-1. Możliwe koleje losu komórki napromienionej
3.2 Skutki działania promieniowania na poziomie komórkowym (krzywa przeżywalności)
Skutki działania promieniowania na komórki określa się zwykle testem klonowania
in vitro
. Polega on na wysianiu na szalki odpowiedniej liczby komórek napromienionych i policzeniu kolonii tworzonych przez te komórki po określonym czasie wzrostu, zależnym od szybkości podwajanie komórek (z reguły około 2 tygodnie). Po uwzględnieniu wydajności klonowania (procent komórek nienapromienionych tworzących klony) można określid procent komórek przeżywających dla danej dawki promieniowania.Wrażliwośd komórek przedstawia się zwykle jako zależnośd procenta lub ułamka komórek przeżywających od dawki promieniowania (krzywe przeżywalności). Typowy przebieg krzywej przeżywalności dla promieniowania o niskich i wysokich wartościach LET przedstawiony jest na Rysunek 3.2-1. Krzywe przeżywalności po napromienieniu promieniowaniem o niskich wartościach LET mają wyraźne ramię przy niskich zakresach dawek, a następnie stają się prostoliniowe. Po napromienieniu promieniowaniem o wysokich wartościach LET krzywe przeżywalności mają przebieg prostoliniowy.
27
Rysunek 3.2-1. Krzywe przeżywalności komórek ssaków po napromienieniu promieniowaniem o dużej i małejwartości LET. Model liniowo-kwadratowy (A), model wielu tarcz (B) (na podstawie [1], zmienione) Obecnie najczęściej używane są dwa modele opisujące przebieg krzywych przeżywalności: model wielu tarcz i model liniowo‐kwadratowy. Model wielu tarcz (1) zakłada, że krzywe przeżywalności mają nachylenie początkowe (D1) odpowiadające śmierci komórek wynikającej z pojedynczego zdarzenia i nachylenie koocowe (D0) odpowiadające śmierci komórek wynikającej z wielu zdarzeo, wielkośd ramienia krzywej opisana jest parametrem ekstrapolacji (n). Inną miarą szerokości ramienia krzywej jest dawka quasi‐progowa Dq oznaczająca dawkę, przy której prostoliniowa częśd krzywej przeżywalności przetnie prostą równoległą do osi dawek przeprowadzoną przez punkt 1. D1 odpowiada dawce, która zmniejsza przeżywalnośd komórek z 1 do 0,37, a D0 odpowiada dawce, która zmniejsza przeżywalnośd komórek z 0,1 do 0,037 lub z 0,01 do 0,0037. Ponieważ dla wyższych dawek krzywe przeżywalności są linią prostą
D0 odpowiada dowolnej dawce zmniejszającej przeżywalność o 63%.
Dawkę D0 nazywa się także średnią dawką letalną, odpowiadającą dawce promieniowania, która średnio powoduje jedno letalne zdarzenie na jedną tarczę. Zależnośd między parametrami Dq, D0 i n opisuje równanie𝑆 = 1 − 1 − 𝑒
−𝐷/𝐷𝑜 𝑛𝑙𝑜𝑔
𝑒𝑛 = 𝐷
𝑞𝐷
𝑜Model wielu tarcz jest obecnie wypierany przez model liniowo‐kwadratowy, który zakłada, że krzywe przeżywalności mają dwie składowe, jedną proporcjonalną do dawki a drugą do kwadratu dawki. U podstaw tego modelu leży założenie, że (i) uszkodzenia powodujące śmierd komórki powstają w wyniku oddziaływao subletalnych, (ii) przynajmniej dwa subletalne zdarzenia są konieczne do śmierci komórki, (iii) uszkodzenie subletalne może powstad w wyniku przejścia jednego lub dwóch fotonów (cząstek). Model ten poparty jest obserwacjami doświadczalnymi *2+:
a. Śmierd komórki spowodowana jest przez nienaprawione podwójnoniciowe pęknięcie (DSB) DNA, które powstaje w wyniku jednego zdarzenia lub nałożenia się na siebie dwóch pęknięd pojedynczoniciowych; lub
28 b. Śmierd komórki spowodowana jest przez aberrację chromosomową, która powstaje w wyniku jednego zdarzenia (pęknięcie chromatydy) lub nałożenia się na siebie dwóch niezależnych pęknięd (translokacje).
Model ten można opisad wzorem (2), w którym
S
oznacza frakcję komórek przeżywających dawkęD
zaś α i β oznaczają stałe.
𝑆 = 𝑒
−𝛼𝐷−𝛽𝐷2Model liniowo‐kwadratowy zakłada, że krzywe przeżywalności ciągle się zaginają, co nie jestzgodne z ich rzeczywistym przebiegiem w zakresach większych dawek, jednak bardzo dobrze opisujeprzebieg krzywych w zakresach małych dawek.
Oba modele zakładają istnienie obszaru niskich dawek (ramię krzywej przeżywalności), w których śmiertelnośd komórek przeliczona na dawkę jednostkową jest mniejsza niż po napromienieniu wyższą dawką. W tym obszarze dawek śmierd wynika prawdopodobnie z nagromadzenia się zdarzeo, które same w sobie nie są letalne, ale stają się letalne gdy znajdują się blisko siebie, lub z powstawania uszkodzeo, które nie są letalne, ale stają się letalne gdy zwiększa się ich ilośd i zmniejsza się wydajnośd procesów naprawczych.
Zjawisko to zostało wykorzystane w radioterapii, gdzie często stosuje się niskie dawki promieniowania podawane w odstępach czasu w celu oszczędzenia komórek zdrowych (terapia frakcjonowana).
Jeśli dawka jest tak dobrana, że uszkodzenia subletalne mogą zostad naprawione przed podaniem następnej dawki, krzywe przeżywalności nabierają charakteru linii prostych, ponieważ ramię krzywej przeżywalności powtarza wiele razy (Rys. 3). Terapia frakcjonowana działa oszczędzająco zarówno na komórki normalne, jak i nowotworowe, ale działanie to jest mniejsze na szybko proliferujące komórki nowotworowe niż na komórki normalne.Rysunek 3.2-2. Efekt oszczędzający dawki frakcjonowanej (A) w porównaniu z dawką jednokrotną (B) (na podstawie[1], zmienione)
Komórki, które nie zdołają naprawid uszkodzeo powstających w wyniku napromienienia giną.
Tabela 3.2-1 charakteryzuje różne rodzaje śmierci komórkowej, jaką mogą umierad komórki po
29
napromienieniu. W Rozdziale 2.2.2.2 dwa najczęściej występujące rodzaje śmierci interfazowej omówiono bardziej szczegółowo.
Tabela 3.2-1. Rodzaje śmierci popromiennej komórek [3]
Rodzaj śmierci Opis
Apoptoza (występuje w interfazie) Komórki kurczą się, chromatyna ulega kondensacji i fragmentacji. Cała komórka rozpada się na fragmenty otoczone błoną.
Nekroza (występuje w interfazie) Komórka pęcznieje i błona komórkowa się rozpada. Zawartośd komórki wylewa się na zewnątrz. Chromatyna nie ulega kondensacji
Katastrofa mitotyczna (występuje w mitozie)
Występuje w czasie lub zaraz po mitozie. Spowodowana błędną segregacja chromosomów. Komórki często zawierają mikrojądra.
Starzenie się (występuje w interfazie)
Komórki metabolicznie aktywne bez oznak uszkodzenia, nie dzielą się jednak, a jedynie zwiększają swoją objętośd.
Autofagia
(występuje w interfazie)
Prawdopodobnie odmiana apoptozy. Komórka sama trawi swoje organelle.
Śmierd komórki może nastąpid już w czasie pierwszego podziału (śmierd mitotyczna), są jednak komórki, które dzielą się jeszcze raz lub dwa razy, zanim zginą. Komórki, które się nie dzielą umierają śmiercią interfazową. Śmierd mitotyczna komórki spowodowana jest przez zaburzenia morfologii chromosomów, tak zwane aberracje chromosomowe.
Aberracje chromosomowe dzielimy na chromatydowe (dotyczące jednej chromatydy) i chromosomowe (obejmujące obydwie chromatydy). W innym systemie aberracje chromosomowe są dzielone na trwałe (np. translokacje) i nietrwałe (np. dicentryki), w zależności od tego czy mogą utrzymywad się przez kolejny cykl komórkowy, czy nie. Na Rys. 4A pokazano powstawanie jednej z najgroźniejszych aberracji – chromosomu dicentrycznego i fragmentu acentrycznego. Chromosom dicentryczny powstaje w wyniku połączenia się dwóch chromosomów. Razem z chromosomem dicentrycznym powstaje fragment acentryczny, który nie zawiera centromeru i w czasie mitozy nie jest segregowany do jądra komórkowego.
Fragment taki obserwuje się najczęściej jako mikrojądro.
Rysunek 3.2-3. Powstawanie aberracji chromosomowych: (A) dicentryki, (B) translokacje
Chromosomy dicentryczne prowadzą do śmierci komórki. Istnieją jednak aberracje, które nie są niebezpieczne dla życia komórki. Różnego rodzaju przemieszczenia w obrębie jednego chromosomu (inwersje chromosomowe) lub pomiędzy chromosomami (translokacje) nie muszą prowadzid do śmierci
30 komórek, a nawet nadają komórce nowe cechy. Jedną z najbardziej znanych jest translokacja pomiędzy chromosomem 9 i 22, która występuje w 95% przypadków przewlekłej białaczki szpikowej. Przeniesienie części chromosomu 9 na chromosom 22 powoduje powstanie nowego białka, które rozpoczyna proces nowotworzenia. Badania osób, które przeżyły wybuch bomby w Hiroszimie i Nagasaki wykazały, że promieniowanie może byd przyczyną występowanie tej aberracji [4].
Komórki, które naprawiły uszkodzenia DNA prawdopodobni przeżyją. Jednak tak jak pokazano na Rysunek 3.2-3, częśd z nich naprawi uszkodzenia błędnie, co prowadzi do powstawania mutacji (patrz Rozdział 2.2.2.2).
Jeżeli mutacje powstaną w genach podstawowego metabolizmu komórkowego (ang. housekeeping genes), komórki zginą, jeżeli w rejonach mniej ważnych ‐ komórki przeżyją.
3.3 Skutki stochastyczne i deterministyczne
Depozycja energii przez promieniowanie jonizujące jest procesem losowym i nawet przy bardzo niskich dawkach istnieje pewne prawdopodobieostwo, że w tarczy komórkowej zdeponowana zostanie wystarczająca ilośd energii, żeby spowodowad zmiany w komórce lub jej śmierd. Śmierd jednej lub kilku komórek nie ma znaczenia z punktu widzenia danej tkanki lub całego organizmu. Jeżeli jednak w komórce zajdą zmiany genetyczne prowadzące do nabycia przez nią nowych cech, takich jak zdolnośd do nieograniczonej liczby podziałów, skutki dla całego organizmu lub przyszłych pokoleo mogą byd bardzo istotne (nowotwory, zmiany dziedziczne). Takie skutki działania promieniowania nazywamy
stochastycznymi
. Nawet dla bardzo niskich dawek promieniowania istnieje niewielkie, ale skooczone, prawdopodobieostwo wystąpienia skutku stochastycznego.Częstośd występowania skutków stochastycznych zwiększa się wraz ze wzrostem dawki promieniowania, ale ostrośd skutku pozostaje taka sama (nowotwór albo się rozwinie, albo nie rozwinie). Z klinicznego punktu widzenia czas potrzebny do ujawnienia się skutków stochastycznych jest długi ‐ kilka lub kilkanaście lat, a nawet całe pokolenie.
Wraz ze wzrostem dawki promieniowania liczba zabitych komórek ciągle wzrasta i chociaż początkowo nie obserwuje się żadnych zmian, powyżej pewnego progu zmiany w tkankach wywołane przez promieniowanie mogą byd wykryte metodami klinicznymi. Powyżej tego progu, nasilenie skutków działania promieniowania stale rośnie, aż do całkowitego zniszczenia tkanki lub organizmu.
Takie skutki działania promieniowania nazywamy deterministycznymi
. Skutki deterministyczne występują dużo szybciej niż skutki stochastyczne, często są obserwowane już kilka minut po napromienieniu.Oba rodzaje skutków działania promieniowania muszą byd uwzględnione z punktu widzenia ochrony radiologicznej, a jej głównym zadaniem powinno byd ograniczenie nasilenia skutków deterministycznych i zmniejszenie prawdopodobieostwa wystąpienia skutków stochastycznych.
3.4 Szczegółowa charakterystyka skutków stochastycznych i deterministycznych
Z definicji skutki deterministyczne mają dawkę progową, poniżej której działanie promieniowania jest równoważone przez odnowę komórek i niewidoczne klinicznie. Powyżej tego progu nasilenie objawów (odpowiedź tkanki/organizmu) rośnie wraz z dawką promieniowania. Dla ogółu populacji krzywa zależności nasilenia objawów od dawki ma kształt sigmoidalny (patrz wyjaśnienie promieniowrażliwości osobniczej i pojęcia LD50, Rozdział 2.2.1.3), a jej nachylenie zależy od rozrzutu wrażliwości osobniczej.
Dawka progowa jest różna dla różnych skutków deterministycznych. Na przykład dawka progowa dla
rumienia popromiennego wynosi 3‐5 Gy, a dla nekrozy skóry około 50 Gy.
Tabela 3.4-1. przedstawia równoważniki dawek progowych dla niektórych objawów klinicznych związanych z ostrym zespołem popromiennym.
31
Tabela 3.4-1. Objawy kliniczne związane z ostrym zespołem popromiennym [5]
Równoważnik dawki
(Sv) Skutek kliniczny
< 0,25 Brak
0,25 ‐ 0,50 Możliwe zmiany hematologiczne
0,50 ‐ 1,00 zmiany hematologiczne, lekkie uszkodzenia
1,00 ‐ 2,00 Silne uszkodzenia, możliwa niewydolnośd, nudności/wymioty w ciągu 24 h 2,00 ‐ 4,00 Silne uszkodzenia, pewna niewydolnośd, możliwa śmierd
> 4,00 50% prawdopodobieostwa śmierci
Ostry zespół popromienny opisany został w Rozdziale 2.2.1.3. Przy dawkach poniżej 5 Gy śmierd spowodowana jest przez załamanie się hematopoezy w wyniku uszkodzenia szpiku (zespół szpiku kostnego). Tabela 3.4-2. przedstawia objawy dwóch typowych skutków deterministycznych, jakimi są zespół szpiku kostnego i przeżycie po napromienieniu różnymi dawkami promieniowania *6+.
Tabela 3.4-2. Objawy skutków ostrego zespołu popromiennego w zakresie dawek dla zespołu szpiku kostnego
Dawka (Gy) Nasilenie fazy
prodromalnej Objawy Przeżycie
< 0,25 Brak Brak Pewne
0,25 ‐1,00 Słabe Niewielki spadek liczby komórek krwi Prawie pewne 1,00‐2,00 Słabe do średnie Wyraźne zmiany liczby komórek krwi Prawdopodobne 2,00‐3,50 Średnie Średnie do ostrych zmian liczby komórek
krwi Możliwe
3,50 ‐5,50 Średnie do ostrego
Ostre uszkodzenie szpiku.
Słabe uszkodzenie jelit
Prawdopodobna śmierd w ciągu 3‐6 tygodni 5,50‐8,00 Ostre Ostre uszkodzenie szpiku.
Średnie uszkodzenie jelit
Śmierd w ciągu 2‐3 tygodni 8,00‐10,00 Ostre Ostre uszkodzenie szpiku.
Ostre uszkodzenie jelit
Śmierd w ciągu 1‐2,5 tygodni
Efekty deterministyczne związane z występowaniem ostrego zespołu popromiennego zostały opisane w Rozdziale 2.2.1.3. Inne skutki deterministyczne promieniowania obejmują:
1. Efekty skórne.
2. Utrata włosów. Dawka progowa 3Gy
3. Rumieo. Występuje niedługo po napromienieniu. Dawka progowa 6 Gy
4. Mokre złuszczanie. Występuje po około 10 dniach. Spowodowane śmiercią komórek skóry właściwej. Dawka progowa około 10 Gy;
5. Nekroza. Występuje po pary miesiącach. Uszkodzenie naczyo i rozpad tkanki. Dawka progowa około 30 Gy,
6. Zadmę. Dawka progowa około 2‐4 Gy;
7. Uszkodzenie gonad
8. Okresowa bezpłodnośd mężczyzn. Dawka progowa 0,1 Gy 9. Trwała bezpłodnośd mężczyzn. Dawka progowa 5‐6 Gy 10. Trwała bezpłodnośd kobiet. Dawka progowa 7 Gy
Czas do wystąpienia efektów deterministycznych wynosi od kilku godzin do kilku miesięcy i zależy od wrażliwości tkanki napromienionej. Jeszcze dłuższy okres utajenia mają skutki stochastyczne.
