Transcript Effektív dózis

Mit okozhat a sugárdózis? Bizonyítékok és
feltételezések a radioaktív és kozmikus
sugárzások hatásáról
1. Bevezetés: Az ionizáló sugárzások
2. A sugárzás hatásai: a kétféle dózis
3. Természetes és mesterséges radioaktív források
4. A kis dózisok kérdőjelei
Zagyvai Péter
MTA Energiatudományi Kutatóközpont
BME Nukleáris Technikai Intézet
1
A radioaktív bomlás során az instabil atommag szerkezete
változik meg. BOMLÁS = új atommag keletkezik, amely
részecskesugárzás kibocsátása révén stabilizálódik, tehát a
radioaktivitás és a sugárzás összetartoznak.
Radioaktív nuklidok keletkezése: magreakciók által, melyekben
„célmagok” és „besugárzó részecskék” vesznek részt. Ezek
eredete alapján
 Természetes radioaktivitás: magreakciók és termékeik a
természeti folyamatok részei (pl. Nap fúziós folyamatai,
kozmikus sugárzás kölcsönhatásai a légkör atomjaival);
 Mesterséges radioaktivitás: emberi alkotás részeként
keletkező radioaktivitás (pl. atomreaktorban keltett
maghasadás)
 Természetes
radioaktivitás
felhalmozása
irányított
folyamatokban: bányászat, gyógyászat stb.) = mesterséges
radioaktivitás!
2
Ionizáló sugárzások
Ionizáció = 1 vagy több elektron eltávolítása az
atomból, molekulából.
Ehhez munkát kell végezni.
Wel = Q×U (töltés × feszültség) [eV]
Kémiai energiák: eV – keV nagyságrendűek
Nukleáris energiák: keV – GeV nagyságrendűek
– tehát egy részecske kintekus energiájából
ütközésekkel nagyon sok ionizációt tud
kiváltani.
3
Bomlási módok = ionizáló
sugárzások
Bomlási módok: α, β („közvetlen”),γ („kísérő”), f (maghasadás) - ennek során
neutronsugárzás (n) is keletkezik.
Az alfa-bomlás során a kezdeti atommag egy hélium atom pozitív
elektromos töltésű atommagját bocsátja ki 5-10 MeV diszkrét mozgási
energiával.
Béta-bomlás: A bomló atom energiájából egy elektron (vagy pozitron) és
egy antineutrínó (vagy neutrínó) keletkezik. Az energia eloszlása diffúz.
Gamma-átmenet: a belső átrendeződés nyugalmi tömeggel és töltéssel
nem rendelkező, diszkrét energiájú foton kibocsátásával jár. Ez a bomlási
mód csak más magátalakulások „maradék” energiájának leadása során
következik be.
A céltárgyban megtett egységnyi távolságon leadott energia: LET (linear
energy transfer) sorrendje: α, n >> β, γ
4
A sugárzás hatásai
A fizikai hatás: ionizáció:
ELEKTRONOKON
Az elektronszerkezet változása
kémiai hatásként megváltoztatja a
MOLEKULÁKAT
A megváltozott vegyületek
másképpen hatnak a
SEJTEKRE
Ez a biológiai változás hat a
SZÖVETEKRE,
a belőlük felépülő
SZERVEKRE
is, azaz
AZ EMBERRE.
5
Az ionizáló sugárzás hatásának
neve: DÓZIS

E  J
D 
, Gray , Gy 

m  kg

Az összes ütköző részecskéből együttesen elnyelt
energia és az elnyelő anyag tömegének hányadosa a
fizikai vagy elnyelt dózis.
Ennek biológiai „egyenértéke” az egyenértékdózis, a különböző
emberi szövetekre átlagolt értéke az effektív dózis. Ezek
egysége a Sievert [Sv].
E két utóbbi kizárólag emberre vonatkozik!
6
Biológiai dózisfogalmak
Egyenértékdózis – a sejti szintű maradandó, mutációt okozni
képes kártétel mértéke arányos a sugárzás LET értékével
H = D×wR [Sievert, Sv]
wR sugárzási tényező - a LET függvénye, független az expozíciós
körülményektől!
• wR,α = 20
• wR,γ= 1
• wR,β= 1
• wR,n= 2.5 ÷ 20 a neutron-energia függvényében
„Antropomorf” fogalom és mértékegység: az emberi sejtekre ható
dózisra alkalmazható!
7
A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedő személy
kölcsönös pozíciója szerint külső és belső sugárterhelés jöhet létre.
HE 

H T w T [Sv ] Effektív dózis (gyakran jelölik E-vel is)
wT szöveti súlyozó tényező
T
w
T
1
T
Szöveti súlyozó tényezők (2007) – a szövetek érzékenységével arányosak:
ivarsejtek
wT=0.08 (genetikus hatás)
szomatikus hatások
legérzékenyebb
wT=0.12 tüdő, gyomor, belek, vörös csontvelő, emlő
érzékeny
wT=0.04 máj, vese, pajzsmirigy stb.
kissé érzékeny wT=0.01 bőr, csontfelszín
8
Az ionizáló sugárzás determinisztikus és
sztochasztikus hatása
Sejti életciklus:
mitózis – interfázis – mitózis vagy apoptózis
Sejti rendszerek sérülése:
- Azonnali pusztulás: nekrózis
- Életképtelenség: apoptózis
- DNS-lánchibák: fennmaradás → mutáció
DNS lánchibák javítása „repair” enzimekkel
9
A sugárzási energia egyik hatása:
lánchasadás a DNS-ben
Közvetlen hatás:
A részecske a DNS lánc
atomjaival
ütközik – lánchasadások
α
n
H
foton (γ)
elektron
(β)
eP+
O
H
OH
- +
H
H●
HO●
Közvetett hatás:
Az ionizáció szabad gyököket hoz létre,
ezek okoznak DNS - lánchasadást
10
10
Mi történik a megváltozott sejtekkel?
Sejti szintű hatások
„Repair” enzim kijavítja a hibát
A sejt osztódik, de az
új sejtek elhalnak.
A sejt elpusztul a hatástól
A sejt osztódik, a hiba
még nincs kijavítva
11
• Egy sejt pusztulása NEM
JELENT SEMMI KÁRT.
• „Egyszerre” sok sejt hal el
a sugárzási energiától – a
szövet megsérül, nem látja
el feladatát.
• Ilyen hatáshoz (~ égés)
csak nagy dózis vezethet.
• Ezt determinisztikus
hatásnak nevezik.
Súlyosság
Az ionizáló sugárzás determinisztikus hatása
Küszöbdózis
Elnyelt dózis (Gy)
12
Az ionizáló sugárzás determinisztikus hatása
= SUGÁRBETEGSÉG
• Akut = „azonnali” hatás (napok alatt
megnyilvánul, kivéve: hályog)
• Minden szövettípusra, hatásra küszöbdózis
vonatkozik
• A küszöb alatt NINCS káros hatás
• A küszöb fölött a hatás súlyossága függ a
dózistól
• Az ok – okozat viszony könnyen
felismerhető!
13
Egyes szövetek küszöbdózisa
Szemlencse (katarakta)
0,5 Gy
Csontvelő (vérképzés csökkenése) 0,5 Gy
Pajzsmirigy (hipotireózis)
1 Gy
Bőr
5 Gy
Embrió
0,1 Gy
14
Az ionizáló sugárzás sztochasztikus =
véletlen hatása
• Ha a sejt megváltozott genommal fennmarad,
osztódással mutáns sejt jöhet létre;
• A mutáns sejtből tumorsejt (ráksejt) alakulhat ki;
• Ez a folyamat évekig tarthat (latencia), tehát a kiváltó
ok nem azonosítható;
• Az ivarsejtek mutációja genetikus károsodást
okozhat (ilyent csak állatkísérletekkel mutattak ki);
• E hatások véletlenszerűek = sztochasztikusak;
• A folyamatot akár egyetlen mutáns sejt elindíthatja.
15
Az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatása
• A sztochasztikus hatásnak nincs (?)
küszöbdózisa;
• A hatás valószínűsége arányos a dózissal, de a
súlyossága független attól;
• Ugyanilyen hatást válthat ki bármilyen mutagén
anyag vagy esemény;
• Évekig rejtve maradhat = a kiváltó ok nem
azonosítható, csak valószínűsíthető.
16
Sztochasztikus hatások
Kezdeti
találat
Dysplasia
Jóindulatú
daganat
Rákos
daganat
Évek a besugárzás után
IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation
17
A dózissal egyenesen arányos az általa okozott kockázat.
Összefüggést csak nagy dózisokból állapíthattak meg. A
dózisteljesítmény (az expozíció időtartama) is befolyásolja
a meredekséget!
Az egyénre vonatkozó kockázati függvény a szövetek
kockázati függvényének összege.
Átlagos kockázat kis dózisteljesítménynél: 5 % 1 Sv
dózis esetén.
Ko c k á z a t
m = 5 *1 0 -2 /S v
Effektív D ó z is
[Sv]
18
Dóziskorlátozás
• Az LNT feltételhez (a kockázat – dózis függvényhez)
kapcsolódik a dóziskorlátozás rendszere.
• ICRP javaslatok –> IAEA ajánlások –> EU direktívák –
> országonként jogi szabályozás
• Foglalkozási és lakossági immissziós korlát (20
mSv/év – 1 mSv/év)
• Emissziós dózismegszorítás létesítményekre,
tevékenységekre (≥ 10 µSv/év = elhanyagolható dózis
= 5×10-7 eset/év kockázat)
19
LNT - rövid történeti áttekintés
A röntgensugárzás és a radioaktivitás felfedezése
(1895 – 96) után évtizedekig hittek a sugárzás
jótékony hatásaiban. Pl.: vakságot okozó
szürkehályog gyógyítása röntgennel, rádiumos
gyógyforrások, ivókúrák - Borszék 1912.
„Rádiumforrás”. Ugyanakkor A. Frieben már
1902-ben publikált a röntgensugárzás által
keltett rákos folyamatról.
1927-ben a később Nobel-díjat kapott H. J. Müller
közölte, hogy a röntgensugárzás mutagén
hatású és lineáris kapcsolat áll fenn a mutációk
száma és a sugárdózis között.
20
1928: „tolerancia dózis” – korlátozás
Az UNSCEAR (United Nations Scientific
Committee on the Effects of Atomic Radiation)
1958-ban javasolta a linear no-threshold (LNT)
elmélet elfogadását és használatát - az ICRP
(International Commission on Radiation
Protection) 1959-ben elfogadta ezt.
1976, 1990, 2007: Átfogó ICRP-ajánlások
(sugárzási tényezők, szöveti súlytényezők,
sugárzási helyzetek, mentesség stb.) az LNT
feltétel alapján.
21
Effektív dózis – szöveti súlyozó
tényezők
A súlytényezők változása
az ICRP #60 (1991) és az
ICRP #103 (2008) között.
22
Kétféle biológiai hatás
• A determinisztikus és a sztochasztikus
hatás sejti szinten kizárják egymást:
amelyik sejt elpusztul, az nem ad
mutációt, amelyik mutációt ad, az nem
pusztult el. (De a sejtpusztulás felgyorsítja
a sejtciklust…)
• A determinisztikus hatást csak a fizikai
dózissal (Gray) kapcsolják össze, a
sztochasztikus hatást az effektív- és az
egyenértékdózissal (Sievert).
• Tehát két külön dózisfogalom kell.
23
A kétféle hatás összefoglalása
IAEA Course L-EM-8. Radiation Protection
in Emergency Exposure Situation
L-EM-8. Radiation Protection in Emergency Exposure Situation
24
24
Honnan származtatták a kockázat/dózis függvényt? Az
1945-ös atombomba-támadások túlélőinek orvosi
statisztikájából
• 47 évig gyűjtötték az adatokat (1950-1997)
• (Tapasztalt) – (Kontroll csoportból számított) rákos
halálesetek oka a radioaktivitás = kb. 520 eset (leukémia és
szöveti rák „solid cancer”)
25
Excess cancer incidence
A sugárdózis következtében fellépő daganatos
betegségek esetszáma az eltelt idő függvényében
Leukemia
Solid cancers
6
12
18
24
30
36
Years after exposure
IAEA Course on Emergency Preparedness and Response
26
Természetes és mesterséges radioaktivitás
a környezetben
Természetes sugárterhelés
A természeti folyamatoktól származó sugárterhelés összetevői:
- kozmikus sugárzás és kozmogén radionuklidok (3H, 14C, 7Be stb.)
- ősi radionuklidok (a Naprendszer létrejötte előtt és „alatt” keletkeztek,
mintegy 5 milliárd éve) 40K, 238U, 232Th, 235U stb., utóbbiaknak
bomlási sorozata van
A természetes radioaktivitástól átlagosan 2 mSv/év dózist kapunk, 70 %-át
belülről (inkorporáció), 30 %-át kívülről (talaj, levegő, többi ember…)
A természetes sugárterhelés kockázata 1:10000 (egy a tízezerhez).
Legfontosabb összetevője a RADON (222Rn, 220Rn) A dózist a rövid felezési
idejű, részben alfasugárzó leányelemek légúti megtapadása okozza.
Radon a lakótérben
- 78 % talajból és építőanyagokból
- 13 % külső légtérből
- 5 % vízhálózatból
27
- 4 % földgázból
Kozmikus sugárzás dózisa
• A Föld felszínére érkező kozmikus sugárzás 99 %a szóródott és átalakult a felső légkörben – fékezési
fotonok (30 – 40 nSv/h a tengerszinten) és
neutronok (1 - 5 nSv/h)
• A külső légkörbe érkező sugárzás: protonok (>95
%), α-részek, elektronok, nehéz atommagok (C, …
Fe)
• Egy hosszabb repülőút dózisa 20 – 40 µSv.
• Az űrhajósok (különösen a Van Allen-övekben)
nagy dózist kaphatnak űrséta közben.
28
Természetes radioaktivitás szabályozás
Hatályos sugárvédelmi rendelet (16/2000. EüM.):
• „a természetes forrásoktól származó munkahelyi
sugárterhelést szabályos körülmények mellett
tartósan fennálló sugárterhelésnek kell tekinteni,
amelyre a beavatkozásokkal szemben
támasztott követelmények érvényesek. Az ilyen
esetekre vonatkozó cselekvési szint 1000 Bq/m3
radon-koncentráció a levegőben, éves
átlagban.”
29
Kis dózisok hatásai – elfogadható
becslés-e az LNT?
Sejtbiológiai jelenségeket (szabadgyök semlegesítés,
antioxidáns termelés, sejtosztódás szabályozás,
apoptózis stb.) már néhányszor 10 mSv-nél is
érzékeltek.
„Kisdózis tartomány”: 100 mSv alatt.
Mikrodozimetria: az energia bevitelt sejti szintű méretekben
vizsgálják, sejti térfogatokra vonatkoztatják a találatok
valószínűségét. Mikrodozimetriai megközelítésben azt
tekintik kis dózisnak, amikor a sejtek < 20%-át éri találat.
30
Kis dózisok hatása – szub- vagy
szupralinearitás?
• LNT modell megtartása „jobb híján”?
• Mikrodozimetriai inhomogenitás – az
átlagos dózishoz számított hatásnál
súlyosabb következmények?
• Hormézis: adaptív sejti válasz a kis
dózisokra – „védőoltás”, sztochasztikus
küszöbdózis?
31
Radon által okozott légúti dózis
inhomogenitásának modellezése
Forrás: Madas, B. G., I. Balásházy, Á. Farkas, I. Szőke. „Cellular burdens
and biological effects on tissue level caused by inhaled radon
progenies”. Radiation Protection Dosimetry 143 (2011): 253–257.
Modellszámítások kb. 10000 Bq radontartalmú levegő belélegzésére.
A radont tartalmazó aeroszol-részecskék kiülepedése a légúti rendszerben
erősen inhomogén.
A sok találatot kapott terület sejtjeinek dózisa eléri az 1.5 Gy-t, ami több
nagyságrenddel nagyobb, mint a szöveti átlagdózis.
Sejti károsító hatások:
- Sejtpusztulás
- Mutáció
- A sejtpusztulás által indukált sejtciklus-rövidülés = további mutagén
hatás
32
Találati sűrűség modellje a centrális légutakban
33
Hámszöveti sejtek dóziseloszlása
4
number of goblet cells
10
3
10
2
10
1
10
0
10
0.0
0.5
1.0
dose (Gy)
1.5
0.5
1.0
dose (Gy)
1.5
number of basal cells
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
0.0
34
Hámszöveti sejtek találati eloszlása
number of goblet cells
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
number of basal cells
0
5
10
15
20
number of hits
25
30
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
0
1
2
3
4
number of hits
5
6
35
„Kis dózisok pozitív hatása” =
hormézis
http://www.angelfire.com/mo/radioadaptive/inthorm.html
„It has been even suggested (T. D. Luckey 1994)
that about one third of all cancer deaths are
preventable by increasing our low dose radiation.”
A hormézist kis LET-értékű ionizáló sugárzás 1-500
mGy elnyelt dózisának tulajdonítják.
„Radioadaptive response” – az ionizáló sugárzás
által okozott „hibák” kijavítására aktivitálódott
repair enzimek más eredetű hibákat is kijavítanak.
Főleg „in vitro” sejtbiológiai és statisztikai
bizonyítékok
36
„Sugárzás elleni gyógyszerek”
• Dekorporáció: a szervezetben megkötődött káros anyagok
gyors kiürítése (137Cs – Prussian Blue KFe(III)[Fe(CN)6] – a
biológiai felezési időt 1/3-ra csökkenti)
• Pajzsmirigy 131I-felvételének blokkolása: KI-tabletta
• Antioxidánsok: a mutációt okozni képes gyökök eltávolítása
(C-vitamin stb. – hatékonyság?)
• Pi-víz stb.???
http://www.naturalmedicine.com/blogs/orthomolecular/cancer-2/fukushimadisaster/
37
Jódprofilaxis
• A hatásos védekezéshez a tablettát hamarabb kell
bevenni, mint ahogy a radioaktív felhő megérkezik
(órákkal az expozíció után már fölösleges).
Effectiveness of thyroid
blocking afforded by 100
mg of iodine
(130 mg of KI)
38
L-NPP-II-9 Protecting Emergency Workers
Köszönöm a figyelmet!
39