co to jest Radiobiologia-Biologia promieniowania-definicja

Biologia promieniowania (znana również jako radiobiologia) jest nauką medyczną, która obejmuje badanie biologicznego wpływu promieniowania jonizującego na żywe tkanki. Promieniowanie jest wokół nas. W, wokół i ponad światem, w którym żyjemy. Jest to naturalna siła energetyczna, która nas otacza. Jest to część naszego naturalnego świata, która istnieje tutaj od narodzin naszej planety. Niezależnie od tego, czy źródłem promieniowania jest naturalne, czy stworzone przez człowieka, czy jest to duża dawka promieniowania, czy mała dawka, będą pewne efekty biologiczne. Ogólnie rzecz biorąc, promieniowanie jonizujące jest szkodliwe i potencjalnie śmiertelne dla żywych istot, ale może mieć korzyści zdrowotne w medycynie, na przykład w radioterapii w leczeniu raka i nadczynności tarczycy. W niniejszym rozdziale krótko podsumowano krótko – i długoterminowe konsekwencje, które mogą wynikać z narażenia na promieniowanie.

uszkodzenia komórkowe – Radiobiologia

wszystkie efekty uszkodzeń biologicznych zaczynają się od następstw oddziaływania promieniowania z atomami tworzącymi komórki. Wszystkie żywe istoty składają się z jednej lub więcej komórek. Każda część twojego ciała składa się z komórek lub została przez nie zbudowana. Chociaż mamy tendencję do myślenia o skutkach biologicznych w kategoriach wpływu promieniowania na żywe komórki, w rzeczywistości promieniowanie jonizujące z definicji oddziałuje tylko z atomami w procesie zwanym jonizacją. W przypadku promieniowania jonizującego, energia kinetyczna cząstek (fotonów, elektronów itp.) promieniowania jonizującego jest wystarczająca, a cząstka może jonizować (tworząc jon przez utratę elektronów) Atomy docelowe, tworząc jony. Po prostu promieniowanie jonizujące może strącać elektrony z atomu.

istnieją dwa mechanizmy, dzięki którym promieniowanie ostatecznie wpływa na komórki. Te dwa mechanizmy są powszechnie nazywane:

• efekty bezpośrednie. Bezpośrednie efekty są spowodowane przez promieniowanie, gdy promieniowanie oddziałuje bezpośrednio z atomami cząsteczki DNA lub innym składnikiem komórkowym krytycznym dla przetrwania komórki. Prawdopodobieństwo oddziaływania promieniowania z cząsteczką DNA jest bardzo małe, ponieważ te krytyczne składniki tworzą tak małą część komórki.
• efekty pośrednie. Pośrednie efekty są spowodowane przez oddziaływanie promieniowania zwykle z cząsteczkami wody. Każda komórka, podobnie jak w przypadku ludzkiego ciała, to głównie woda. Promieniowanie jonizujące może zerwać wiązania, które utrzymują cząsteczkę wody razem, wytwarzając rodniki, takie jak hydroksyl OH, anion ponadtlenkowy O2–i inne. Rodniki te mogą przyczynić się do zniszczenia komórki.

dużą liczbę komórek danego typu nazywa się tkanką. Jeśli tkanka ta tworzy wyspecjalizowaną jednostkę funkcjonalną, nazywa się ją narządem. Ważnym czynnikiem jest również rodzaj i liczba komórek, których to dotyczy. Niektóre komórki i narządy w organizmie są bardziej wrażliwe na promieniowanie jonizujące niż inne.

wrażliwość różnych typów komórek na promieniowanie jonizujące jest bardzo wysoka dla tkanek składających się z komórek, które dzielą się szybko, jak te występujące w szpiku kostnym, żołądku, jelitach, męskich i żeńskich narządach rozrodczych i rozwijających się płodach. Dzieje się tak, ponieważ dzielące się komórki wymagają prawidłowej informacji DNA, aby potomstwo komórki przetrwało. Bezpośrednia interakcja promieniowania z aktywną komórką może prowadzić do śmierci lub mutacji komórki, podczas gdy bezpośrednia interakcja z DNA uśpionej komórki miałaby mniejszy wpływ.

w rezultacie żywe komórki można sklasyfikować według ich tempa rozmnażania, co wskazuje również na ich względną wrażliwość na promieniowanie. W rezultacie aktywnie rozmnażające się komórki są bardziej wrażliwe na promieniowanie jonizujące niż komórki, które tworzą skórę, nerki lub tkankę wątroby. Komórki nerwowe i mięśniowe są najwolniejsze w regeneracji i najmniej wrażliwe.

wrażliwość różnych narządów ludzkiego ciała koreluje ze względną wrażliwością komórek, z których się składają. W praktyce czułość ta jest reprezentowana przez współczynnik ważenia tkanek, wT, który jest czynnikiem, przez który równoważna dawka w tkance lub narządzie T jest ważona w celu reprezentowania względnego udziału tej tkanki lub narządu w całkowitej szkodliwości dla zdrowia wynikającej z jednolitego napromieniowania organizmu (ICRP 1991B).

Jeśli osoba jest napromieniowana tylko częściowo, dawka zależy silnie od tkanki, która została napromieniowana. Na przykład dawka gamma 10 mSv dla całego ciała i dawka 50 mSv dla tarczycy jest taka sama pod względem ryzyka, jak dawka dla całego ciała 10 + 0,04 x 50 = 12 mSv.

wysokie i niskie promieniowanie LET

jak napisano, każdy rodzaj promieniowania oddziałuje z materią w inny sposób. Na przykład naładowane cząstki o wysokich energiach mogą bezpośrednio jonizować Atomy. Cząstki alfa są dość masywne i przenoszą podwójny ładunek dodatni, więc mają tendencję do podróżowania tylko na niewielką odległość i nie wnikają bardzo daleko do tkanki, jeśli w ogóle. Jednak cząstki alfa złożą swoją energię na mniejszą objętość (prawdopodobnie tylko kilka komórek, jeśli wejdą do ciała) i spowodują więcej uszkodzeń tych kilku komórek.

cząstki Beta (elektrony) są znacznie mniejsze niż cząstki alfa. Niosą pojedynczy ładunek ujemny. Są bardziej przenikliwe niż cząstki alfa. Mogą podróżować kilka metrów, ale deponować mniej energii w jednym punkcie wzdłuż ich drogi niż cząstki alfa. Oznacza to, że cząstki beta mają tendencję do uszkodzenia większej liczby komórek, ale z mniejszym uszkodzeniem każdego. Z drugiej strony cząstki neutralne elektrycznie oddziałują tylko pośrednio, ale mogą również przenosić część lub wszystkie swoje energie do materii.

z pewnością uprościłoby to sprawę, gdyby efekty biologiczne promieniowania były wprost proporcjonalne do dawki pochłoniętej. Niestety, efekty biologiczne zależą również od sposobu, w jaki pochłonięta dawka jest rozprowadzana wzdłuż ścieżki promieniowania. Badania wykazały, że promieniowanie alfa i neutronowe powodują większe uszkodzenia biologiczne dla danego odkładania energii na kg tkanki niż promieniowanie gamma. Odkryto, że biologiczne skutki jakiegokolwiek promieniowania wzrasta wraz z liniowym transferem energii (LET). Krótko mówiąc, biologiczne uszkodzenia spowodowane promieniowaniem wysoko-niech (cząstki alfa, protony lub neutrony) są znacznie większe niż uszkodzenia spowodowane promieniowaniem nisko-niech (promienie gamma). Dzieje się tak, ponieważ żywa tkanka może łatwiej naprawić uszkodzenia spowodowane promieniowaniem rozprzestrzeniającym się na dużym obszarze niż to, które koncentruje się na małym obszarze. Oczywiście, przy bardzo wysokim poziomie ekspozycji promienie gamma mogą nadal powodować wiele uszkodzeń tkanek.

ponieważ więcej biologicznych uszkodzeń jest spowodowanych dla tej samej dawki fizycznej (tj. tej samej energii zdeponowanej na jednostkę masy tkanki), jedna szarość promieniowania alfa lub neutronowego jest bardziej szkodliwa niż jedna szarość promieniowania gamma. Fakt, że promieniowanie różnych typów (i energii) daje różne efekty biologiczne dla tej samej dawki pochłoniętej, jest opisany w kategoriach czynników znanych jako względna skuteczność biologiczna (RBE) i współczynnik wagowy promieniowania (WR).

dawka ostra i dawka przewlekła

biologiczne skutki promieniowania i ich konsekwencje zależą w dużym stopniu od poziomu otrzymanej dawki. W radiobiologii dawka jest miarą intensywności dawki promieniowania (lub Siły). Niskie dawki są powszechne w codziennym życiu. W poniższych punktach znajduje się kilka przykładów ekspozycji na promieniowanie, które można uzyskać z różnych źródeł.

• 05 µSv – Spanie obok kogoś
• 09 µSv – życie w promieniu 30 mil od elektrowni jądrowej przez rok
• 1 µSv – zjedzenie jednego banana
• 3 µSv – życie w promieniu 50 mil od elektrowni węglowej przez rok
• 10 µSv – średnia dawka dobowa otrzymana z naturalnego tła
• 20 µSv – prześwietlenie klatki piersiowej

z punktu widzenia konsekwencji biologicznych bardzo ważne jest rozróżnienie pomiędzy dawkami otrzymywanymi w krótkim i długim okresie. Dlatego biologiczne skutki promieniowania są zazwyczaj podzielone na dwie kategorie.

• dawki ostre. „Dawka ostra” (krótkotrwała dawka wysokiego poziomu) to taka, która występuje w krótkim i skończonym okresie czasu, tj. w ciągu dnia.
• dawki przewlekłe. „Dawka przewlekła”(długoterminowa dawka niskiego poziomu) to dawka, która trwa przez dłuższy czas, tj. tygodnie i miesiące, tak aby była lepiej opisana przez dawkę.

Wysokie dawki mają tendencję do zabijania komórek, podczas gdy niskie dawki mają tendencję do ich uszkodzenia lub zmiany. Wysokie dawki mogą powodować wizualnie dramatyczne oparzenia radiacyjne i / lub szybką śmierć poprzez ostry zespół radiacyjny. Jest mało prawdopodobne, aby ostre dawki poniżej 250 mGy miały jakiekolwiek możliwe do zaobserwowania efekty. Ostre dawki około 3 do 5 Gy mają 50% szans na zabicie osoby kilka tygodni po ekspozycji, jeśli dana osoba nie otrzyma leczenia.

niskie dawki rozłożone na długie okresy czasu nie powodują natychmiastowego problemu dla żadnego narządu ciała. Efekty niskich dawek promieniowania występują na poziomie komórki, a wyniki mogą nie być obserwowane przez wiele lat. Ponadto niektóre badania wykazują, że większość tkanek ludzkich wykazuje wyraźniejszą tolerancję na skutki promieniowania o niskiej dopuszczalności w przypadku długotrwałego narażenia w porównaniu z jednorazową ekspozycją na podobną dawkę.

deterministyczne i stochastyczne efekty

w radiobiologii większość niekorzystnych skutków zdrowotnych ekspozycji na promieniowanie dzieli się zwykle na dwie szerokie klasy:

• efekty deterministyczne to progowe efekty zdrowotne, które są związane bezpośrednio z pochłoniętą dawką promieniowania, a nasilenie efektu wzrasta wraz ze wzrostem dawki.
• efekty stochastyczne występują przypadkowo, zwykle występują bez progowego poziomu dawki. Prawdopodobieństwo wystąpienia efektów stochastycznych jest proporcjonalne do dawki, ale nasilenie efektu jest niezależne od otrzymanej dawki.

efekty deterministyczne

w radiobiologii efekty deterministyczne (lub nie-stochastyczne efekty zdrowotne) to efekty zdrowotne, które są związane bezpośrednio z pochłoniętą dawką promieniowania, a nasilenie efektu wzrasta wraz ze wzrostem dawki. Efekty deterministyczne mają próg, poniżej którego nie występują wykrywalne efekty kliniczne. Próg ten może być bardzo niski (rzędu wielkości 0,1 Gy lub wyższego) i może się różnić w zależności od osoby. W przypadku dawek od 0,25 Gy do 0,5 Gy nieznaczne zmiany we krwi mogą zostać wykryte przez badania lekarskie, a w przypadku dawek od 0,5 Gy do 1,5 Gy odnotowane zostaną zmiany we krwi i wystąpią objawy nudności, zmęczenia, wymiotów.

Po przekroczeniu progu nasilenie działania zwiększa się wraz z dawką. Powodem obecności tej dawki progowej jest to, że uszkodzenie radiacyjne (poważne uszkodzenie lub śmierć) krytycznej populacji komórek (Wysokie dawki mają tendencję do zabijania komórek) w danej tkance musi zostać utrzymane, zanim uraz zostanie wyrażony w klinicznie istotnej postaci. W związku z tym efekty deterministyczne są również nazywane reakcją tkankową. Są one również nazywane non-Stochastic efekty w przeciwieństwie do przypadku jak efekty stochastyczne (np indukcji raka).

efekty deterministyczne niekoniecznie są bardziej lub mniej poważne niż efekty stochastyczne. Wysokie dawki mogą powodować wizualnie dramatyczne oparzenia radiacyjne i / lub szybką śmierć poprzez ostry zespół radiacyjny. Jest mało prawdopodobne, aby ostre dawki poniżej 250 mGy miały jakiekolwiek możliwe do zaobserwowania efekty. Ostre dawki około 3 do 5 Gy mają 50% szans na zabicie osoby kilka tygodni po ekspozycji, jeśli dana osoba nie otrzyma leczenia. Deterministyczne skutki mogą ostatecznie prowadzić do chwilowego uciążliwości lub również do śmierci. Przykłady efektów deterministycznych:

przykładami efektów deterministycznych są:

• ostry zespół radiacyjny, przez ostre napromieniowanie całego ciała
• oparzenia promieniowe, od napromieniowania do określonej powierzchni ciała
• wywołane promieniowaniem zapalenie tarczycy, potencjalny efekt uboczny leczenia radiacyjnego przeciwko nadczynności tarczycy
• przewlekły zespół radiacyjny, od długotrwałego napromieniowania.
• uszkodzenie płuc wywołane promieniowaniem, na przykład radioterapia do płuc

śmiertelne dawki promieniowania

śmiertelna dawka promieniowania (LD) jest wskaźnikiem śmiertelnej ilości promieniowania. W ochronie przed promieniowaniem zwykle stosuje się średnią dawkę śmiertelną, LDXY. Na przykład dawka promieniowania, która może spowodować śmierć 50% osób napromieniowanych w ciągu 30 dni, wynosi LD50/30. LD1 jest dawką, która może spowodować śmierć 1% osób napromieniowanych, w związku z czym LD99 jest śmiertelna dla wszystkich (99%) osób napromieniowanych. Bardzo ważne jest również to, czy dana osoba otrzymuje jakieś leczenie, czy nie. Im większa jest dawka ostrego promieniowania, tym większa jest możliwość zabicia osobnika. Dla zdrowej osoby dorosłej LD50 szacuje się na około 3-5 Gy.

• 2, 5 Sv – dawka, która zabija człowieka z 1% ryzykiem (LD1), jeśli dawka jest przyjmowana w bardzo krótkim czasie.
• 5 Sv-dawka, która zabija człowieka z 50% ryzykiem w ciągu 30 dni (LD50/30), jeśli dawka jest podawana w bardzo krótkim czasie. Przyczyną śmierci będzie utrata funkcji szpiku kostnego.
• 8 Sv-dawka, która zabija człowieka z ryzykiem 99% (LD99), jeśli dawka jest podawana w bardzo krótkim czasie. Przy około 10 Gy może wystąpić ostre zapalenie płuc i doprowadzić do śmierci.

podane powyżej dane dotyczące dawki śmiertelnej dotyczą ostrych dawek gamma dostarczonych w bardzo krótkim czasie, np. w ciągu kilku minut. Większa dawka jest wymagana do wywołania wyżej wymienionych efektów, jeśli dawka jest podawana w ciągu kilku godzin lub dłużej.

efekty stochastyczne

w radiobiologii efekty stochastyczne promieniowania jonizującego występują przypadkowo, zwykle występują bez progowego poziomu dawki. Prawdopodobieństwo wystąpienia efektów stochastycznych jest proporcjonalne do dawki, ale nasilenie efektu jest niezależne od otrzymanej dawki. Biologiczne skutki promieniowania na ludzi można podzielić na efekty somatyczne i dziedziczne. Efekty somatyczne to te, których doznaje osoba narażona. Dziedziczne skutki to te, które cierpią potomstwo osoby narażonej. Ryzyko raka jest zwykle wymieniane jako główny efekt stochastyczny promieniowania jonizującego, ale również dziedziczne zaburzenia są efektami stochastycznymi.

zgodnie z ICRP:

(83) na podstawie tych obliczeń Komisja proponuje nominalne współczynniki prawdopodobieństwa dla ryzyka raka skorygowanego o szkody jako 5,5 x 10-2 Sv-1 dla całej populacji i 4.1 x 10-2 Sv-1 dla dorosłych pracowników. W przypadku skutków dziedzicznych ryzyko nominalne skorygowane o szkody w całej populacji szacuje się na 0,2 x 10-2 Sv-1, A u dorosłych pracowników na 0,1 x 10-2 Sv-1 .

Zalecenia Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej z 2007 r. Publikacja ICRP 103. Ann. ICRP 37 (2-4).

jednostka SI dla dawki skutecznej, Siwert, reprezentuje równoważny efekt biologiczny depozytu dżula energii promieniowania gamma w kilogramie ludzkiej tkanki. W rezultacie, jeden sievert reprezentuje 5.5% szans na rozwój raka. Należy zauważyć, że dawka skuteczna nie jest zamierzona jako miara deterministycznych skutków zdrowotnych, czyli nasilenia ostrego uszkodzenia tkanek, które z pewnością się wydarzy, mierzonego ilością wchłoniętej dawki.

istnieją trzy ogólne kategorie efektów stochastycznych wynikających z ekspozycji na niskie dawki promieniowania. Są to:

• efekty genetyczne. Efekt genetyczny jest odczuwany przez potomstwo narażonego osobnika. Polega na mutacji bardzo specyficznych komórek, a mianowicie plemników lub komórek jajowych. Promieniowanie jest przykładem fizycznego czynnika mutagennego. Należy pamiętać, że istnieje również wiele czynników chemicznych, a także czynników biologicznych (takich jak wirusy), które powodują mutacje. Jednym z bardzo ważnych faktów do zapamiętania jest to, że promieniowanie zwiększa szybkość spontanicznych mutacji, ale nie powoduje żadnych nowych mutacji.
• efekty somatyczne. Efekty somatyczne to te, których doznaje osoba narażona. Najczęstszym wpływem napromieniowania jest indukcja stochastyczna raka z utajonym okresie lat lub dziesięcioleci po ekspozycji. Ponieważ rak jest wynikiem pierwotnym, jest czasami nazywany działaniem rakotwórczym. Promieniowanie jest przykładem fizycznego rakotwórczego, podczas gdy papierosy są przykładem chemicznego czynnika rakotwórczego. Wirusy są przykładami biologicznych czynników rakotwórczych.
• efekty In-Utero obejmują produkcję wad rozwojowych zarodków. Jest to jednak szczególny przypadek efektu somatycznego, ponieważ zarodek / płód jest narażony na promieniowanie.

efekty somatyczne w wyniku ekspozycji na promieniowanie są uważane przez większość za występujące w sposób stochastyczny. Najszerzej przyjęty model zakłada, że częstość występowania nowotworów spowodowanych promieniowaniem jonizującym zwiększa się liniowo przy efektywnej dawce promieniowania w tempie 5,5% na Siewert. Model ten jest znany jako model liniowy bez progu (LNT). Model ten zakłada, że nie ma punktu progowego i ryzyko wzrasta liniowo wraz z dawką. Jeśli ten model liniowy jest poprawny, to naturalne promieniowanie tła jest najbardziej niebezpiecznym źródłem promieniowania dla ogólnego zdrowia publicznego, a następnie obrazowanie medyczne w bliskiej sekundzie. LNT nie jest powszechnie akceptowane, a niektórzy proponują adaptacyjną zależność dawka-odpowiedź, w której niskie dawki są ochronne, a Wysokie dawki szkodliwe. Należy podkreślić, że wiele organizacji nie zgadza się z wykorzystaniem liniowego modelu bez progu do oszacowania ryzyka związanego z narażeniem na promieniowanie o niskim poziomie środowiskowym i zawodowym.

Radiobiologia i limity dawki

w ochronie przed promieniowaniem limity dawki są ustawione tak, aby ograniczyć efekty stochastyczne do akceptowalnego poziomu i całkowicie zapobiec skutkom deterministycznym. Zauważ, że efekty stochastyczne to te wynikające z przypadku: im większa dawka, tym bardziej prawdopodobny efekt. Efekty deterministyczne to te, które zwykle mają próg: powyżej tego, nasilenie efektu wzrasta wraz z dawką. Limity dawek są podstawowym elementem ochrony przed promieniowaniem, a ich łamanie jest sprzeczne z regulacjami radiacyjnymi w większości krajów. Należy pamiętać, że dawki graniczne opisane w tym artykule mają zastosowanie do rutynowych operacji. Nie mają one zastosowania do sytuacji awaryjnej, gdy życie ludzkie jest zagrożone. Nie mają one zastosowania w sytuacjach narażenia awaryjnego, w których jednostka stara się zapobiec katastrofalnej sytuacji.

limity są podzielone na dwie grupy, społeczeństwo i pracowników narażonych na działanie czynników zewnętrznych. Zgodnie z ICRP narażenie zawodowe odnosi się do wszystkich narażeń ponoszonych przez pracowników w trakcie ich pracy, z wyjątkiem

1. narażenia wyłączonego i narażenia z działalności zwolnionej z promieniowania lub ze źródeł zwolnionych
2. narażenia medycznego
3. normalnego lokalnego naturalnego promieniowania tła.

w poniższej tabeli podsumowano dawki graniczne dla pracowników narażonych zawodowo oraz dla społeczeństwa:

zgodnie z zaleceniem ICRP w stwierdzeniu dotyczącym reakcji tkankowych 21. W kwietniu 2011 r.równoważna dawka graniczna dla soczewki oka w przypadku narażenia zawodowego w sytuacjach narażenia planowanego została zmniejszona z 150 mSv/rok do 20 mSv/rok, uśredniona w określonych okresach 5 lat, przy czym żadna dawka roczna w ciągu jednego roku nie przekraczała 50 mSv.

limity dla dawki skutecznej dotyczą sumy odpowiednich dawek skutecznych w wyniku narażenia zewnętrznego w określonym okresie czasu oraz dopuszczonej dawki skutecznej w wyniku spożycia nuklidów promieniotwórczych w tym samym okresie. W przypadku dorosłych dawka skuteczna jest obliczana przez okres 50 lat po spożyciu, podczas gdy w przypadku dzieci jest obliczana przez okres do 70 lat. Skuteczna dawka graniczna dla całego ciała wynosząca 20 mSv jest wartością średnią w ciągu pięciu lat. Rzeczywisty limit wynosi 100 mSv w ciągu 5 lat, przy czym nie więcej niż 50 mSv w ciągu jednego roku.