Transcript promienioczułość

ODDZIAŁYWANIE
PROMIENIOWANIA
Z MATERIĄ
TADEUSZ HILCZER
Plan wykładu
1. Wprowadzenie
2. Podstawowe pojęcia
3. Zderzenie i rozproszenie
4. Przewodnictwo materii
5. Naturalne źródła promieniowania jonizującego
6. Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio
7. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio
8. Źródła promieniowania jonizującego
9. Pole promieniowania jonizującego
10. Detekcja promieniowania
11. Skutki napromieniowania materii żywej
12. Dozymetria medyczna
13. Ochrona przed promieniowaniem
14. Osłony przed promieniowaniem
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
2
SKUTKI
NAPROMIENIOWANIA
MATERII ŻYWEJ
Jednostki
• dawka ekspozycyjna - C/kg
– jonizacja w jednostce masy powietrza pod wpływem
promieniowania X lub g
• dawka pochłonięta - grej Gy= 1 J/kg
– średnia energia dowolnego promieniowanie jonizującego
pochłonięta przez jednostkę masy dowolnego ośrodka, w
którym rozchodzi się promieniowanie
• równoważnik dawki – siwert Sv
– dawka pochłonięta w tkance lub narządzie z
uwzględnieniem skutków biologicznych jakie wywołują
różne rodzaje promieniowania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
4
Skutki napromieniowania materii żywej
• Promieniowanie jonizujące i powstałe pod ich wpływem
wolne rodniki powodują w organizmie zaburzenia procesów
fizjologicznych.
• Jeśli wolne rodniki wnikną do wnętrza komórki pewne
enzymy komórkowe ulegają inaktywacji, co powoduje
zahamowanie funkcji życiowych komórki.
• W zależności od właściwości chemicznych jądra
promieniotwórczego i czasu jego działania na człowieka,
oddziaływanie promieniowania jonizującego ujawnia się w
postaci uszkodzeń somatycznych lub mutacji genetycznych.
• Stopień uszkodzenia radiacyjnego organizmu ludzkiego
zależy od dawki i natężenia promieniowania oraz od tego,
czy napromieniowaniu uległa część czy całe ciało.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
5
Skutki napromieniowania materii żywej
NAPROMIENIOWANIE
10
-16
absorpcja energii
sek
CZĄSTECZKI POBUDZONE
I JONY
-5
10 sek
przez działania bezpośrednie
przez działania pośrednie
(jony i wolne rodniki)
ZMIANY MOLEKULARNE
od sekund
do godzin
ZMIANY
WCZESNE SKUTKI
FIZJOLOGICZNE
BIOCHEMICZNE
(zazwyczaj odwracalne)
od minut
do godzin
USZKODZENIA
STRUKTURY
KOMÓRKOWEJ
od godzin
do lat
MUTACJE
KOMÓREK
SOMATYCZNYCH
MUTACJE
KOMÓREK
ROZRODCZYCH
ŚMIERĆ
KOMÓRKI
ŚMIERĆ
ORGANIZMU
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
RÓŻNE
SKUTKI
SOMATYCZNE
(nowotwory,
skrócenie
życia)
MUTANTY
Schemat procesów zmian
popromiennych w
organizmach żywych
6
Skutki napromieniowania materii żywej
• W przybliżeniu efekty napromieniowania całego ciała w
zależności od pochłoniętej dawki są następujące:
– < 0,1 Gy - pewne zmiany we krwi,
– 0,1 – 0,5 Gy - ciężka choroba z 6-miesięcznym okresem
rekonwalescencyjnym,
– 5 Gy - śmierć w 50 % przypadków,
– 10 Gy - nieuchronna śmierć.
• Ręce i nogi mogą bez szkody otrzymać znacznie większą
dawkę niż inne części ciała ludzkiego.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
7
Skutki napromieniowania materii żywej
• Geny w komórkach organizmu bardzo łatwo ulegają
uszkodzeniu.
• Uszkodzenie genów w komórkach rozrodczych jest
szczególnie groźne, ponieważ prowadzi do mutacji w
potomstwie.
• Mutacje (tak komórkowe, jak pokoleniowe) są zawsze
szkodliwe, a proces jest nieodwracalny.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
8
Skutki napromieniowania materii żywej
• Małe napromieniowanie - małe szkody,
duże napromieniowanie - duże szkody.
• Prawdopodobieństwo pochłonięcia promieniowania przez
gen lub grupę genów:
– jest mniejsze przy mniejszej dawce,
– większe przy większej
• Prawdopodobieństwo uszkodzenia przypadające na jeden
foton jest takie samo w obu przypadkach.
• Jeżeli w okresie trwania zdolności rozrodczych (około 30 lat)
organizm otrzymuje powyżej 100 mGy - częstość mutacji
znacznie wzrasta.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
9
Skutki napromieniowania materii żywej
• w ciągu 30 lat człowiek otrzymuje około 40 mGy
– z promieniowania kosmicznego
– z substancji promieniotwórczych
• występujących wszędzie w małych stężeniach
• każde prześwietlenie promieniami X powiększa tę dawkę
• dawka 100 mGy na całe ciało
– somatycznie nieszkodliwa
– genetycznie bardzo szkodliwa
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
10
Skutki napromieniowania materii żywej
• Promieniowanie jonizujące atakuje najwrażliwszy punkt
organizmu ssaków, czyli koordynację czynności na takim
szczeblu, który znajduje się poza kontrolą mózgu.
• Mózg i pozostałe części centralnego układu nerwowego są
bardzo odporne na napromieniowanie i nic nie wskazuje, że
uszkodzenie ich odgrywa jakąkolwiek rolę w chorobie
popromiennej.
• Układ nerwowy reaguje już na bardzo małą dawkę
promieniowania (10 mGy).
• Porażenie następuje jednak dopiero wskutek działania na
układ nerwowy dużych dawek.
– Powodują one naruszenie działania wielu organów
wewnętrznych i przebiegu procesów fizjologicznych.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
11
Skutki napromieniowania materii żywej
• jednym z najbardziej typowych objawów choroby
popromiennej jest znacznie zwiększona wrażliwość na
zakażenia
– organizm traci zdolność wytwarzania przeciwciał
• skutki napromieniowania
– utrata odporności
– zmętnienie soczewki oka (zaćma)
• może doprowadzić do całkowitej ślepoty
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
12
Rodzaje uszkodzeń popromiennych
• uszkodzenia popromienne można podzielić na dwie grupy:
– somatyczne (niedziedziczne) - tylko u osoby
napromieniowanej
• wczesne
– występuje w ciągu około 1 miesiąca,
• późne
– pojawiające się po kilku miesiącach a nawet latach
– genetyczne (dziedziczone)
• mutacje
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
13
Rodzaje uszkodzeń popromiennych
• wiele uszkodzeń komórki powstałych pod wpływem
działania promieniowania jonizującego występuje dopiero
podczas jej podziału (mitozy).
• mogą to być zmiany związane z:
– mitozą lub jej brakiem
– z degeneracją
– z śmiercią komórki
• najbardziej wrażliwe jest jądro komórki
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
14
Rodzaje uszkodzeń popromiennych
• chromosomy w jądrze komórki:
– są podstawowymi nośnikami informacji genetycznej
– określają kształt, procesy przemiany materii
– funkcje całej komórki
• hromosomy są nukleoproteinami które składają się z DNA i
białek - mamy 46 (23 pary) różnych chromosomów.
• po napromieniowaniu można zaobserwować:
– pęknięcia chromosomów,
– połączenia par chromosomów ze sobą i nierówny ich
podział,
– koncentrację w jednej z komórek tworzących albo
pomocnicze jądro, albo dodatkową część już istniejącego.
15
•Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
Rodzaje uszkodzeń popromiennych
• określone odcinki chromosomów tworzą geny,
odpowiedzialne za różne cechy osobnicze
– wzrost
– kolor oczu
–…
• jeżeli dowolny odcinek chromosomu zostanie zmieniony
następuje mutacja
– przenoszona cecha genetyczna ulega zmianie
• pod wpływem promieniowania jonizującego częstość
występowania mutacji jest większa
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
16
Rodzaje uszkodzeń popromiennych
2
1
3
4
• jeden z rodzajów uszkodzenia chromosomów
1. promieniowanie
2. para homologicznych chromosomów w prawidłowej
komórce
3. pęknięcie chromosomów
4. niewłaściwe połączenie pękniętych chromosomów
(translokacja)
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
17
Promienioczułość
• promienioczułość - wrażliwość organizmu żywego na
napromieniowanie
• komórki i tkanki są pod względem promienioczułości bardzo
zróżnicowane
• komórka jest najbardziej podatna na uszkodzenie w czasie
podziału (interfaza, profaza)
– bardziej podatna jest komórka o dużej zdolności
rozmnażania, mniej dojrzała i mniej zróżnicowana
• promienioczułość tkanki zależy od jej unaczynienia
(zaopatrzenia tkanki w tlen), stopnia zróżnicowania i
dojrzałości tkanki
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
18
Promienioczułość
• wszystkie tkanki i narządy w organizmie ludzkim, z
wyjątkiem tkanki kostnej, zawierają ponad 60 % atomów
wodoru
– duże znaczenie gdy na organizm pada wiązka neutronów
lub protonów
• przekaz energii jest szczególnie duży
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
19
Promienioczułość
• Całe ciało, jego części i narządy wewnętrzne można
podzielić pod względem promienioczułości na cztery grupy:
I. najbardziej wrażliwe: gonady i szpik kostny;
II. bardzo wrażliwe: mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba,
śledziona, nerki, przewód pokarmowy, płuca, soczewki
oczu, i inne narządy ciała (wyłączając wliczone do
pozostałych grup ryzyka: I, III i IV);
III. wrażliwe: kości, tarczyca, skóra całego ciała;
IV. słabo wrażliwe: ręce, przedramiona, stopy.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
20
Promienioczułość
• Promienioczułość określa dawka śmiertelna
• Dawka śmiertelna (letal dose) LD50/30 - śmierć 50%
organizmów w ciągu 30 dni po napromieniowaniu
Dawki śmiertelne
organizm
człowiek
pies
małpa
kura
królik
szczur
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
LD50/30 [Gy]
3
3
4
6
8
9
21
Skutki somatyczne
• skutki somatyczne bezpośrednie - ujawniają się po
przekroczeniu pewnej dawki promieniowania.
• skutki somatyczne stochastyczne - można wykryć jedynie na
drodze analizy statystycznej.
• Do uszkodzeń somatycznych zalicza się
– białaczkę,
– uszkodzenia skóry,
– zmiany przedrakowe,
– nowotwory,
– zaćmę,
– opóźnienie wzrostu
– opóźnienie rozwoju,
– skrócenie długości życia
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
22
Skutki somatyczne
• proces jonizacji w żywej komórce przebiega odmiennie w
cytoplazmie i jądrze komórkowym.
• substancje wchodzące w skład cytoplazmy składają się z
wielkiej liczby takich samych cząsteczek
– dostrzegalne zaburzenia w cytoplazmie dopiero przy
uszkodzeniu większości tych cząsteczek
– przy uszkodzeniu małej liczby - funkcje uszkodzonych
cząsteczek przejmują cząsteczki zdrowe.
• w jądrze komórkowym, złożonym z substancji zawierającej
kod genetyczny - kwasy nukleinowe - znacznie mniejsze
napromieniowanie może spowodować zmiany mutagenne
– promienioczułość jądra komórkowego jest znacznie
większa niż cytoplazmy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
23
Skutki somatyczne bezpośrednie
• przy napromieniowaniu dużą dawką (rzędu 1 Gy) przy dużej
mocy dawki ze źródła zewnętrznego (promieniowanie X, g,
neutrony)
– całego organizmu
• uszkodzone narządy najbardziej wrażliwe
• ostra choroba popromienna.
– tylko pewnych części ciała
• występuje szereg efektów patologicznych.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
24
Skutki somatyczne bezpośrednie
• skutki napromieniowania przy tej samej dawce i mocy dawki
są istotnie różne przy napromieniowaniu całego ciała i
wybranego narządu.
• dawka rzędu 5 Gy pochłonięta przez
– całe ciało jest dawką śmiertelną,
– pochłonięta przez skórę - wywoła tzw. rumień.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
25
Skutki somatyczne stochastyczne
• zmiany wywołane w komórkach przez napromieniowanie
przez dłuższy czas małymi dawkami promieniowania
jonizującego mogą wywoływać skutki, ujawniające się
niekiedy po długim okresie czasu.
– związek z napromieniowaniem jest do określenia jedynie
na drodze analizy statystycznej odpowiednio wybranych
populacji
– głównie nowotwory złośliwe
• dla całej populacji ludzkiej (ICRP-1990) współczynnik
prawdopodobieństwa zgonu wywołanego nowotworem
złośliwym wynosi 510-2 Sv-1
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
26
Skutki genetyczne
• Skutki genetyczne
– wywołane są przy napromieniowania małymi dawkami i
przy małych mocach
– polegają głównie na mutacjach genowych i aberracjach
chromosomowych.
– mogą być widoczne dopiero w dalszych pokoleniach
– dla populacji ludzkiej są trudne do ustalenia.
• Badania na zwierzętach wykryły pewne prawidłowości
– możliwość prognozowania skutków genetycznych dla
populacji ludzkiej.
• Oszacowano współczynnik prawdopodobieństwa znacznego
uszkodzenia genetycznego w pierwszym pokoleniu - około
0,510-2 Sv-1.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
27
Skutki karcerogenne
• zaburzenia somatyczne prowadzą do zmian nowotworowych
w organizmie
• proces kancerogenezy przebiega w kilku fazach:
– faza indukcyjna (15 - 30 lat) w 3/4 zależna od
oddziaływania czynników kancerogennych środowiska a
w 1/4 od odziedziczonych predyspozycji genetycznych,
– faza in situ (5 - 10 lat) pojawienie guzów niezłośliwych,
– faza inwazyjna (1 - 5 lat) pojawienie komórek złośliwych,
wytwarzających substancje rozpuszczające okoliczne
tkanki,
– faza rozsiewu (1 - 5 lat) wędrówką komórek złośliwych
naczyniami limfatycznymi i tworzeniem nowych ognisk
przerzutu.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
28
Skutki kancerogenne
• U ludzi obciążonych predyspozycją nowotworową pierwszy
defekt genowy pojawia się już w zapłodnionej komórce
jajowej i przekazywany jest wszystkim komórkom
potomnym tworzącym tkanki i narządy rozwijającego się
organizmu.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
29