Vad är radiobiologi-Strålningsbiologi-Definition

Strålningsbiologi (även känd som radiobiologi) är en medicinsk vetenskap som involverar studier av biologiska effekter av joniserande strålning på levande vävnader. Strålningen finns överallt omkring oss. I, runt, och över den värld vi lever i. Det är en naturlig energikraft som omger oss. Det är en del av vår naturliga värld som har varit här sedan vår planet föddes. Oavsett om strålningskällan är naturlig eller konstgjord, oavsett om det är en stor dos strålning eller en liten dos, kommer det att finnas några biologiska effekter. I allmänhet är joniserande strålning skadlig och potentiellt dödlig för levande varelser men kan ha hälsofördelar inom medicin, till exempel vid strålbehandling för behandling av cancer och tyrotoxikos. I detta kapitel sammanfattas kortfattat de kort-och långsiktiga konsekvenser som kan bli följden av exponering för strålning.

cellskada-radiobiologi

alla biologiska skadeverkningar börjar med konsekvensen av strålningsinteraktioner med atomerna som bildar cellerna. Alla levande saker består av en eller flera celler. Varje del av din kropp består av celler eller byggdes av dem. Även om vi tenderar att tänka på biologiska effekter när det gäller effekten av strålning på levande celler, interagerar joniserande strålning per definition endast med atomer genom en process som kallas jonisering. För joniserande strålning, partiklarnas kinetiska energi (fotoner, elektroner etc.) av joniserande strålning är tillräcklig och partikeln kan jonisera (för att bilda Jon genom att förlora elektroner) målatomer för att bilda joner. Helt enkelt joniserande strålning kan slå elektroner från en atom.

det finns två mekanismer genom vilka strålning i slutändan påverkar celler. Dessa två mekanismer kallas vanligtvis:

• direkta effekter. Direkta effekter orsakas av strålning, när strålning interagerar direkt med atomerna i DNA-molekylen eller någon annan cellulär komponent som är kritisk för cellens överlevnad. Sannolikheten för att strålningen interagerar med DNA-molekylen är mycket liten eftersom dessa kritiska komponenter utgör en så liten del av cellen.
• indirekta effekter. Indirekta effekter orsakas av interaktion mellan strålning vanligtvis med vattenmolekyler. Varje cell, precis som det är fallet för människokroppen, är mestadels vatten. Joniserande strålning kan bryta bindningarna som håller vattenmolekylen tillsammans och producera radikaler som hydroxyl OH, superoxidanjon O2–och andra. Dessa radikaler kan bidra till förstörelsen av cellen.

ett stort antal celler av en viss typ kallas en vävnad. Om denna vävnad bildar en specialiserad funktionell enhet kallas den ett organ. Typen och antalet drabbade celler är också en viktig faktor. Vissa celler och organ i kroppen är mer känsliga för joniserande strålning än andra.

känsligheten hos olika typer av celler för joniserande strålning är mycket hög för vävnader som består av celler som delar sig snabbt som de som finns i benmärg, mage, tarmar, manliga och kvinnliga reproduktionsorgan och utvecklande foster. Detta beror på att delande celler kräver korrekt DNA-information för att cellens avkomma ska överleva. En direkt interaktion av strålning med en aktiv cell kan resultera i cellens död eller mutation, medan en direkt interaktion med DNA i en vilande cell skulle ha mindre effekt.

som ett resultat kan levande celler klassificeras enligt deras reproduktionshastighet, vilket också indikerar deras relativa känslighet för strålning. Som ett resultat är aktivt reproducerande celler känsligare för joniserande strålning än celler som utgör hud -, njure-eller levervävnad. Nerv-och muskelcellerna är de långsammaste att regenerera och är de minst känsliga cellerna.

känsligheten hos de olika organen i människokroppen korrelerar med den relativa känsligheten hos cellerna från vilka de är sammansatta. I praktiken representeras denna känslighet av vävnadsviktningsfaktorn, wT, som är den faktor med vilken ekvivalentdosen i en vävnad eller ett organ T viktas för att representera det relativa bidraget från den vävnaden eller organet till den totala hälsorisken till följd av enhetlig bestrålning av kroppen (ICRP 1991b).

om en person bestrålas endast delvis beror dosen starkt på vävnaden som bestrålades. Till exempel är en 10 MSV gamma-dos till hela kroppen och en 50 mSv-dos till sköldkörteln densamma, vad gäller risk, som en helkroppsdos på 10 + 0, 04 x 50 = 12 mSv.

hög-LET och låg-LET strålning

som skrivits interagerar varje typ av strålning med materia på ett annat sätt. Till exempel laddade partiklar med höga energier kan direkt jonisera atomer. Alfapartiklar är ganska massiva och har en dubbel positiv laddning, så de tenderar att resa bara ett kort avstånd och tränger inte in mycket långt i vävnaden om alls. Men alfapartiklar kommer att deponera sin energi över en mindre volym (eventuellt bara några celler om de kommer in i en kropp) och orsaka mer skada på de få cellerna.

betapartiklar (elektroner) är mycket mindre än alfapartiklar. De bär en enda negativ laddning. De är mer penetrerande än alfapartiklar. De kan resa flera meter men deponera mindre energi vid någon punkt längs sina vägar än alfapartiklar. Detta innebär att betapartiklar tenderar att skada fler celler, men med mindre skada på var och en. Å andra sidan interagerar elektriskt neutrala partiklar endast indirekt, men kan också överföra några eller alla sina energier till saken.

det skulle säkert förenkla saker om biologiska effekter av strålning var direkt proportionella mot den absorberade dosen. Tyvärr beror biologiska effekter också på hur den absorberade dosen fördelas längs strålningens väg. Studier har visat att alfa-och neutronstrålning orsakar större biologisk skada för en given energiavsättning per kg vävnad än gammastrålning gör. Det upptäcktes, biologiska effekter av någon strålning ökar med linjär energiöverföring (LET). Kort sagt är den biologiska skadan från högljusstrålning (alfapartiklar, protoner eller neutroner) mycket större än den från lågljusstrålning (gammastrålar). Detta beror på att den levande vävnaden lättare kan reparera skador från strålning som sprids över ett stort område än det som är koncentrerat i ett litet område. Naturligtvis kan gammastrålar vid mycket höga exponeringsnivåer fortfarande orsaka stor skada på vävnader.

eftersom mer biologisk skada orsakas för samma fysiska dos (dvs samma energi som deponeras per vävnadsmassa) är en grå alfa-eller neutronstrålning mer skadlig än en grå gammastrålning. Detta faktum att strålning av olika typer (och energier) ger olika biologiska effekter för samma absorberade dos beskrivs i termer av faktorer som kallas relativ biologisk effektivitet (RBE) och strålningsviktningsfaktorn (wR).

akut dos och kronisk dos

biologiska effekter av strålning och deras konsekvenser beror starkt på den erhållna dosnivån. I radiobiologi är doshastigheten ett mått på strålningsdosintensitet (eller styrka). Låga doser är vanliga för vardagen. I följande punkter finns några exempel på strålningsexponering, som kan erhållas från olika källor.

• 05 µSv – Sova bredvid någon
• 09 µSv – Levande inom 30 km av en kärnteknisk anläggning som är under ett år
• 1 µSv – Äta en banan
• 3 µSv – Bor inom 50 km från ett kolkraftverk för ett år
• 10 µSv – Genomsnittlig daglig dos av naturliga bakgrund
• 20 µSv – lungröntgen

Från biologiska konsekvenser synvinkel, är det mycket viktigt att skilja mellan doser under kortare och längre perioder. Därför är biologiska effekter av strålning vanligtvis uppdelade i två kategorier.

• akuta doser. En ”akut dos” (kortvarig högnivådos) är en som inträffar under en kort och ändlig tidsperiod, dvs inom en dag.
• kroniska doser. En ”kronisk dos” (långvarig lågnivådos) är en dos som fortsätter under en längre tid, dvs veckor och månader, så att den bättre beskrivs med en doshastighet.

Höga doser tenderar att döda celler, medan låga doser tenderar att skada eller ändra dem. Höga doser kan orsaka visuellt dramatiska strålningsbrännskador och / eller snabb dödsfall genom akut strålningssyndrom. Akuta doser under 250 mGy har sannolikt inga observerbara effekter. Akuta doser på cirka 3 till 5 Gy har 50% chans att döda en person några veckor efter exponeringen, om en person inte får någon medicinsk behandling.

låga doser spridda över långa tidsperioder orsakar inte ett omedelbart problem för något kroppsorgan. Effekterna av låga doser av strålning uppträder vid cellens nivå, och resultaten kan inte observeras i många år. Dessutom visar vissa studier att de flesta mänskliga vävnader uppvisar en mer uttalad tolerans mot effekterna av lågljusstrålning vid långvarig exponering jämfört med en engångsexponering för en liknande dos.

deterministiska och stokastiska effekter

i radiobiologi är de flesta negativa hälsoeffekterna av strålningsexponering vanligtvis uppdelade i två breda klasser:

• deterministiska effekter är tröskelhälsoeffekter, som är direkt relaterade till den absorberade strålningsdosen och effektens svårighetsgrad ökar när dosen ökar.
• stokastiska effekter uppträder av en slump, vanligtvis utan en tröskelnivå för dosen. Sannolikheten för förekomst av stokastiska effekter är proportionell mot dosen men effektens svårighetsgrad är oberoende av den mottagna dosen.

deterministiska effekter

i radiobiologi är deterministiska effekter (eller icke-stokastiska hälsoeffekter) hälsoeffekter som är direkt relaterade till den absorberade strålningsdosen och effektens svårighetsgrad ökar när dosen ökar. Deterministiska effekter har en tröskel under vilken inga detekterbara kliniska effekter uppträder. Tröskeln kan vara mycket låg (i storleksordningen 0,1 Gy eller högre) och kan variera från person till person. För doser mellan 0,25 Gy och 0,5 Gy små blodförändringar kan detekteras genom medicinska utvärderingar och för doser mellan 0,5 Gy och 1,5 Gy blodförändringar kommer att noteras och symtom på illamående, trötthet, kräkningar uppstår.

när tröskeln har överskridits ökar svårighetsgraden av en effekt med DOS. Anledningen till förekomsten av denna tröskeldos är att strålningsskador (allvarlig felfunktion eller död) hos en kritisk cellpopulation (höga doser tenderar att döda celler) i en given vävnad måste upprätthållas innan skada uttrycks i en kliniskt relevant form. Därför kallas deterministiska effekter också vävnadsreaktion. De kallas också icke-stokastiska effekter för att kontrastera med chansliknande stokastiska effekter (t.ex. cancerinduktion).

deterministiska effekter är inte nödvändigtvis mer eller mindre allvarliga än stokastiska effekter. Höga doser kan orsaka visuellt dramatiska strålningsbrännskador och / eller snabb dödsfall genom akut strålningssyndrom. Akuta doser under 250 mGy har sannolikt inga observerbara effekter. Akuta doser på cirka 3 till 5 Gy har 50% chans att döda en person några veckor efter exponeringen, om en person inte får någon medicinsk behandling. Deterministiska effekter kan i slutändan leda till en tillfällig olägenhet eller också till en dödlighet. Exempel på deterministiska effekter:

exempel på deterministiska effekter är:

• akut strålningssyndrom, genom akut helkroppsstrålning
• strålningsbrännskador, från strålning till en viss kroppsyta
• strålningsinducerad tyreoidit, en potentiell bieffekt från strålbehandling mot hypertyreoidism
• kroniskt strålningssyndrom, från långvarig strålning.
• strålningsinducerad lungskada, från till exempel strålbehandling till lungorna

dödliga strålningsdoser

den dödliga strålningsdosen (LD) är en indikation på den dödliga mängden strålning. I strålskydd används vanligtvis den median dödliga dosen, LDXY. Till exempel är strålningsdosen som förväntas orsaka dödsfall till 50% av de bestrålade personerna inom 30 dagar LD50/30. LD1 är den dos som förväntas orsaka dödsfall till 1% av de bestrålade personerna, följaktligen är LD99 dödlig för alla (99%) bestrålade personer. Det är också mycket viktigt, om en person får någon medicinsk behandling eller inte. Ju större en akut strålningsdos är, desto större är möjligheten att döda individen. För en frisk vuxen beräknas LD50 vara någonstans mellan 3 och 5 Gy.

• 2,5 Sv-dos som dödar en människa med en 1% risk (LD1), om dosen tas emot under en mycket kort varaktighet.
• 5 Sv-dos som dödar en människa med en 50% risk inom 30 dagar (LD50/30), om dosen tas emot under en mycket kort varaktighet. Dödsorsaken kommer att vara förlust av benmärgsfunktion.
• 8 Sv-dos som dödar en människa med en 99% risk (LD99), om dosen tas emot under en mycket kort varaktighet. Vid cirka 10 Gy kan akut inflammation i lungorna uppstå och leda till döden.

de dödliga dosdata som anges ovan gäller akuta gammadoser som levereras på mycket kort tid, t.ex. några minuter. Mer dos krävs för att ge de effekter som anges ovan, om dosen tas emot under en period av timmar eller längre.

stokastiska effekter

i radiobiologi uppstår stokastiska effekter av joniserande strålning av en slump, vanligtvis utan en tröskelnivå för dosen. Sannolikheten för förekomst av stokastiska effekter är proportionell mot dosen men effektens svårighetsgrad är oberoende av den mottagna dosen. De biologiska effekterna av strålning på människor kan grupperas i somatiska och ärftliga effekter. Somatiska effekter är de som drabbas av den utsatta personen. Ärftliga effekter är de som drabbas av avkomman till den utsatta individen. Cancerrisk nämns vanligtvis som den huvudsakliga stokastiska effekten av joniserande strålning, men också ärftliga störningar är stokastiska effekter.

enligt ICRP:

(83) på grundval av dessa beräkningar föreslår kommissionen nominella sannolikhetskoefficienter för skadejusterad cancerrisk som 5, 5 x 10-2 Sv-1 för hela befolkningen och 4.1 x 10-2 Sv-1 för vuxna arbetare. För ärftliga effekter uppskattas den skadejusterade nominella risken i hela befolkningen som 0,2 x 10-2 Sv-1 och hos vuxna arbetare som 0,1 x 10-2 Sv-1 .

särskild referens: ICRP, 2007. 2007 års rekommendationer från Internationella kommissionen för radiologiskt skydd. ICRP publikation 103. Ann. ICRP 37 (2-4).SI-enheten för effektiv dos, sievert, representerar den ekvivalenta biologiska effekten av deponeringen av en joule av gammastrålningsenergi i ett kilo mänsklig vävnad. Som ett resultat representerar en sievert en 5.5% chans att utveckla cancer. Observera att den effektiva dosen inte är avsedd som ett mått på deterministiska hälsoeffekter, vilket är svårighetsgraden av akut vävnadsskada som säkert kommer att hända, som mäts av den absorberade dosen.

det finns tre allmänna kategorier av stokastiska effekter till följd av exponering för låga doser av strålning. Dessa är:

• genetiska effekter. Den genetiska effekten drabbas av avkomman till den exponerade individen. Det involverar mutation av mycket specifika celler, nämligen spermier eller äggceller. Strålning är ett exempel på ett fysiskt mutagent medel. Observera att det också finns många kemiska medel såväl som biologiska medel (som virus) som orsakar mutationer. Ett mycket viktigt faktum att komma ihåg är att strålning ökar den spontana mutationshastigheten, men ger inga nya mutationer.
• somatiska effekter. Somatiska effekter är de som drabbas av den utsatta personen. Den vanligaste effekten av bestrålning är den stokastiska induktionen av cancer med en latent period av år eller årtionden efter exponering. Eftersom cancer är det primära resultatet kallas det ibland den cancerframkallande effekten. Strålning är ett exempel på en fysisk cancerframkallande, medan cigaretter är ett exempel på ett kemiskt cancerframkallande medel. Virus är exempel på biologiska cancerframkallande ämnen.
• In-Utero-effekter involverar produktion av missbildningar vid utveckling av embryon. Detta är dock faktiskt ett speciellt fall av den somatiska effekten, eftersom embryot/fostret är det som utsätts för strålningen.

somatiska effekter som ett resultat av exponering för strålning anses av de flesta ske på ett stokastiskt sätt. Den mest accepterade modellen innebär att förekomsten av cancer på grund av joniserande strålning ökar linjärt med effektiv strålningsdos med en hastighet av 5, 5% per sievert. Denna modell är känd som linear no-threshold model (LNT). Denna modell förutsätter, att det inte finns någon tröskelpunkt och risken ökar linjärt med en dos. Om denna linjära modell är korrekt är naturlig bakgrundsstrålning den farligaste strålningskällan för allmän hälsa, följt av medicinsk bildbehandling som en nära sekund. LNT är inte allmänt accepterat med vissa som föreslår ett adaptivt dos-responsförhållande där låga doser är skyddande och höga doser är skadliga. Det måste betonas att ett antal organisationer inte håller med om att använda den linjära no-threshold-modellen för att uppskatta risker från miljö-och yrkesmässig lågnivåstrålning.

radiobiologi och Dosgränser

i strålskydd sätts dosgränser för att begränsa stokastiska effekter till en acceptabel nivå och för att förhindra deterministiska effekter Helt. Observera att stokastiska effekter är de som härrör från slumpen: ju större dos, desto mer sannolikt är effekten. Deterministiska effekter är de som normalt har en tröskel: ovanför detta ökar effektens svårighetsgrad med dosen. Dosgränser är en grundläggande del av strålskyddet, och att bryta mot dessa gränser strider mot strålningsreglering i de flesta länder. Observera att dosgränserna som beskrivs i denna artikel gäller för rutinmässiga operationer. De gäller inte för en nödsituation när människans liv är hotat. De gäller inte i nödsituationer där en individ försöker förhindra en katastrofal situation.

gränserna är uppdelade i två grupper, allmänheten och yrkesmässigt utsatta arbetstagare. Enligt ICRP avser yrkesmässig exponering all exponering som arbetstagare utsätts för under sitt arbete, med undantag för

1. undantagna exponeringar och exponeringar från undantagna aktiviteter som involverar strålning eller undantagna källor
2. all medicinsk exponering
3. den normala lokala naturliga bakgrundsstrålningen.

Följande tabell sammanfattar dosgränser för arbetstagare som är utsatta för yrkesmässig exponering och för allmänheten:

enligt rekommendationen från ICRP i sitt uttalande om vävnadsreaktioner av 21. April 2011 minskades den ekvivalenta dosgränsen för ögonlinsen för yrkesmässig exponering i planerade exponeringssituationer från 150 mSv/år till 20 mSv/år, i genomsnitt över definierade perioder på 5 år, utan någon årlig dos på ett enda år som överstiger 50 mSv.

gränser för effektiv dos är summan av relevanta effektiva doser från extern exponering under den angivna tidsperioden och den engagerade effektiva dosen från intag av radionuklider under samma period. För vuxna beräknas den engagerade effektiva dosen för en 50-årsperiod efter intag, medan för barn beräknas den för perioden upp till 70 års ålder. Den effektiva dosgränsen för hela kroppen på 20 mSv är ett medelvärde över fem år. Den verkliga gränsen är 100 mSv på 5 år, med högst 50 mSv på ett år.