Radiatii Ionizante [PDF]

Zitiervorschau

Grupul Scolar Charles Laugier

Proiect Biofizica Radiaţiile Ionizante

Elev : I – D A.M.G

1

Radiatiile ionizante Radiatiile ionizante sunt radiatii emise de substantele radioactive. Radiaţiile ionizante sunt de două tipuri: a) radiaţii corpusculare: α , β , neutroni, protoni, deuteroni b) radiaţii electromagnetice: x, γ a) Radiaţiile α reprezintă nuclee de heliu, alcătuite din 2 protoni şi 2 neutroni, au sarcina +2 şi masa 4 u.a.m. Radiaţiile β sunt electroni (β -) sau pozitroni (β +) care provin din nucleu în urma dezintregrării acestuia. Protonii, neutronii şi deuteronii sunt particule care apar prin dezintegrarea nucleului sau în urma unor reacţii nucleare. b) Radiaţiile x (Roentgen) se pot produce în tuburile Coolidge prin frânarea unor electroni acceleraţi (dar ele există şi în radiaţiile cosmice). Radiaţiile γ apar în urma unor dezintegrări radioactive sau se pot produce prin frânarea unor electroni acceleraţi în sincrotroane. Deci, radiaţiile ionizante apar, în general, atunci când este prezentă o sursă de radiaţii oarecare, fie dispozitiv tehnic, fie substanţă radioactivă. O sursă radioactivă este caracterizată prin activitatea ei. În cazul substanţelor radioactive, activitatea Λ se defineşte ca fiind viteza de dezintegrare, adică numărul de nuclee dezintegrate în unitatea de timp: Λ = - dN/dt λ

Introducând expresia legii dezintegrării radioactive: N = N0e- t, rezultă: λ

λ

Λ = - d(N0e- t)/dt = λ N0e- t = λ N Expresia Λ = λ N reprezintă o altă formă a definiţiei activităţii radioactive.

2

Se defineşte T1/2 timpul de înjumătăţire, altă noţiune importantă în radiobiologie, ca fiind timpul după care jumătate din numărul de nuclee s-au dezintegrat. λ

λ t

Din N = N0e- t, cu N = N0/2, rezultă N0/2 = N0e-

şi:

T1/2 = ln 2/λ Timpul de înjumătăţire este o caracteristică importantă a unui radionuclid. Unitatea de măsură a activităţii radioactive este Bequerel-ul (Bq). 1 Bq = 1 dez/s (dezintegrare pe secundă) O unitate tolerată este Curie (Ci): 1 Ci = 3,7 ⋅ 1010 Bq Pentru o substanţă dispersată în aer sau apă, activitatea se măsoară pe unitatea de volum: 1 Bq/m3 sau 1 Bq/l. Dozimetria radiaţiilor ionizante Efectele radiaţiilor ionizante se apreciază cu ajutorul unui sistem de dozimetrie. Acest sistem include mai multe aspecte, în funcţie de tipul de radiaţie şi de sistemul care este iradiat. Se disting următoarele tipuri de doze: doza incidentă, doza absorbită şi doza biologică. Doza incidentă de radiaţie într-un punct se apreciază în funcţie de numărul de ioni produşi în aer în acel punct: D = Q/ρ V Q – sarcina electrică totală (ioni de acelaşi semn) ρ - densitate V – volum Unitatea de măsură a dozei incidente este C/kg şi reprezintă doza care produce într-un kg de aer aflat în acel punct un număr de ioni de acelaşi semn având sarcina totală de 1 Coulomb. O unitate tolerată este Roentgen-ul (r): 1 r = (1/3876) C/kg Prin raportarea dozei la timpul de iradiere se obţine debitul dozei, d: d = D/t care se măsoară în C/kg⋅ s sau r/s

3

Doza de radiaţie absorbită ţine seama de existenţa în punctul considerat a unui material care absoarbe energia radiaţiei. Se defineşte ca fiind energia (W) absorbită de unitatea de masă, m, din acel material: Dabs = W/m Unitatea este 1 Gy (Gray) = 1 J/kg Deci, doza absorbită este de 1 Gy atunci când 1 kg de material absoarbe 1 J de energie. O unitate tolerată este rad-ul: 1 rad = 10-2 Gy Debitul dozei, Dabs /t, se măsoară în Gy/s sau în rad/s. Din acţiunea radiaţiilor nucleare asupra structurilor vii s-a observat că, în general, diversele tipuri de radiaţii produc aceleaşi efecte. Există, însă, o deosebire între ele, în sensul că unele radiaţii cu o energie mai mică pot produce efecte biologice similare sau chiar mai importante decât radiaţii cu energii mai mari. Această observaţie a determinat introducerea în radiobiologie a noţiunii de efectivitate biologică. Efectivitatea biologică este, deci, un parametru caracteristic fiecărui tip de radiaţie. În aprecierea efectului radiobiologic se foloseşte mărimea numită efectivitate biologică relativă (EBR) notată cu η . Această mărime reprezintă raportul dintre efectivitatea biologică a unei radiaţii oarecare şi efectivitatea biologică a unei radiaţii standard. Ca radiaţie standard a fost aleasă radiaţia Roentgen de energie 200 keV. Efectivitatea biologică relativă a unei radiaţii faţă de ţesutul normal este dată de raportul dintre energia absorbită de ţesut la iradierea cu radiaţia respectivă şi energia absorbită de ţesut la iradierea cu radiaţia standard. Câteva valori: - radiaţiile x, γ şi electroni η = 1 - neutroni termici

η =5

- neutroni rapizi, protoni

η = 10

- particule α

η = 20

Efectivitatea biologică a unei radiaţii variază cu felul şi gradul efectului biologic, cu specia organismului iradiat, cu ţesutul iradiat şi cu o serie de alţi factori ce ţin de debitul dozei. Doza biologică, B, se defineşte ca fiind produsul dintre D (doza absorbită) şi efectivitatea biologică relativă η :

4

B=η D Unitatea pentru doza biologică se numeşte Sievert (Sv) şi reprezintă doza de radiaţie care face ca 1 kg de ţesut să absoarbă în punctul respectiv 1/η Jouli de energie. De exemplu, 1 Gy de r.x. corespunde unei doze biologice de 1 Sv, iar 1 Gy de radiaţii α corespunde unei doze biologice de 20 Sv. O unitate tolerată este 1 rem = 10-2 Sv. În biologie, o deosebită importanţă o prezintă debitul dozei biologice, b = B/t, deoarece nu este indiferent dacă doza respectivă este primită într-un interval de timp mai lung, de ex. 1 an, sau mai scurt, de ex. 1 minut. Debitul dozei biologice se măsoară în Sv/s sau rem/s. Se mai poate calcula doza biologică integrală, absorbită de întreg organismul, Bi. Bi = B ⋅ m şi se măsoară în Sv⋅ kg sau rem⋅ kg Interacţiunea radiaţiilor ionizante cu materia vie Această interacţiune are loc în mai multe faze: 1. Faza reacţiilor elementare 2. Faza reacţiilor chimice 3. Faza modificărilor funcţionale şi structurale. În faza 1, de durată foarte scurtă (10-15 s) se produce excitarea şi ionizarea atomilor şi moleculelor, se formează radicali liberi (procese radiochimice) şi molecule scindate. Această fază este foarte puţin afectată de temperatură şi viteza reacţiilor produse nu depinde de timp. Faza 2 poate dura de la fracţiuni de secundă până la câteva ore şi viteza reacţiilor care-i sunt caracteristice depinde de temperatură (faza termosensibilă). Atomii şi moleculele excitate sau ionizate, precum şi radicalii liberi formaţi, reacţionează între ele sau cu alte specii atomice şi moleculare. Faza 3, care poate dura până la câţiva ani, duce la apariţia leziunilor observabile. Pentru a înţelege natura reacţiilor elementare din faza 1, trebuie mai întâi să fie înţelese mecanismele generale de interacţie a radiaţiilor cu materia.

Interacţiunea primară a radiaţiilor ionizante cu materia

5

Prima etapă a acestei interacţiuni o constituie excitările şi ionizările. În cazul particulelor încărcate electric (α , β , protoni), ionizarea se produce direct, în timp ce fotonii γ sau neutronii acţionează prin punerea în mişcare a unor particule încărcate electric, care la rândul lor vor produce ionizarea. Electronii scoşi din atomi sau molecule în acest fel, numiţi electroni primari, produc ionizarea primară. Dacă ei au suficientă energie pentru a scoate la rândul lor alţi electroni se produce ionizarea secundară. Radiaţii

direct

ionizante.

Radiaţiile

ionizante

corpusculare

încărcate

electric

interacţionează cu câmpurile coulombiene ale electronilor şi nucleelor atomilor constituenţi, cedând o parte din energia lor pentru a produce excitări şi ionizări. Se defineşte transferul linear de energie (TLE) ca fiind energia cedată de către o particulă incidentă pe unitatea de lungime a traiectoriei sale şi se măsoară în keV/µ m. Expresia sa se poate scrie: TLE = Wi⋅ N Wi - energia transferată la o ionizare N – numărul de perechi de ioni formaţi pe unitatea de lungime Particulele grele (α , protoni) au o putere de ionizare mai mare şi sunt repede încetinite prin disiparea energiei. „Parcursul” – distanţa medie străbătută de particulă – depinde de puterea ei de ionizare. Radiaţii indirect ionizante (x şi γ ) În cazul radiaţiilor electromagnetice, x şi γ , absorbţia energiei de către substanţă se face conform legii generale exponenţiale: µ x

I = I0 e-

I – intensitatea fasciculului emergent de radiaţii I0 – intensitatea fasciculului incident de radiaţii µ - coeficientul de absorbţie care depinde de natura materialului străbătut şi de tipul radiaţiei x – stratul de substanţă străbătut Se defineşte grosimea de înjumătăţire d1/2 (grosimea stratului de substanţă după care jumătate din fotonii incidenţi sunt absorbiţi): d1/2 = ln 2/µ

6

Pentru radiaţiile γ cu energia W = 1 MeV grosimea de înjumătăţire în plumb (Pb) este d1/2 = 0,88 cm.

Efecte indirecte. Radioliza apei Tot în faza 1-a pot apărea radicali liberi şi fragmente de molecule. Radicalii liberi sunt atomi, molecule sau fragmente de molecule care au în structura lor un electron nepereche (electron cu spin necompensat). Dat fiind că în materia vie apa se află într-o proporţie mare, radioliza apei prezintă un deosebit interes. Reacţia globală de radioliză a apei este: •

•

H2O → H + OH Etapele procesului de radioliză.

Sub acţiunea radiaţiilor apa poate pierde sau fixa un electron (ionizare): H2O → H2O+ + eElectronul smuls prin ionizare va atrage pe parcurs moleculele de apă din jur, hidratându-se. Acest electron, înconjurat de dipolii apei, se numeşte polaron, electron solvatat sau electron hidratat. În urma ciocnirilor cu moleculele de apă, energia lui scade pâna la valoarea energiei de agitaţie termică. În cele din urmă el se alipeşte unei molecule de apă, conform reacţiei: •

H2O + e- → OH - + H Ionul H2O+ se disociază astfel: •

H2O+ → H+ + OH

•

În acest mod, traiectoria particulei va fi înconjurată de radicali liberi, radicalii OH fiind •

distribuiţi mai strâns în jurul ei, în timp ce radicalii H au o distribuţie mai largă. Radicalii liberi, fiind specii atomice sau moleculare foarte reactive, dispar destul de rapid, reacţionând fie între ei, fie cu produşii rezultaţi. De exemplu: •

•

H + H → H2 •

•

OH + OH → H2O2 •

•

H + OH → H2O În plus, în prezenţa O2: •

O2 + H → H2, iar aceşti radicali se combină: •

•

HO2 + HO2 → H2O2 + O2 •

•

HO2 + H → H2O2

7

•

•

•

HO2 şi H2O2 sunt mai nocivi având viaţă mai lungă decât H şi OH . Radioliza apei depinde de natura radiaţiei, de energia ei şi de prezenţa O2. De exemplu, radiaţiile x şi γ nu descompun apa în absenţa O2. Studii in vitro şi chiar in vivo (pe bacterii) au evidenţiat numeroşi radicali liberi care se formează şi în moleculele organice excitate, în organismele vii. Moleculele excitate R-R′ se pot transforma în radicali liberi: •

•

R-R′ → R + R ′ Energia absorbită în procesul de excitare poate migra în interiorul moleculei, producând o ruptură la nivelul legăturii celei mai slabe sau poate fi transferată altei molecule, care va fi afectată ca şi cum ar fi fost iradiată direct: M1* + M2 → M1 + M2* Pentru radiologie este importantă formarea de peroxizi organici, datorită radicalilor liberi. Mecanismul este următorul (Latarjet): •

•

RH + HO → R + H2O •

•

R + O2 → RO 2 •

RO 2 + R′ H → RO2H + R′

•

Aceşti peroxizi pot persista mult timp după iradiere şi sunt responsabili în cea mai mare parte de efectele întârziate ale radiaţiilor. O importanţă deosebită pentru radiobiologie o prezintă reacţia dintre radicalii liberi rezultaţi din radioliza apei şi grupările SH care constituie grupările active a numeroase enzime. Pentru a aprecia ponderea deţinută de efectul direct şi cel indirect se poate iradia proba în stare lichidă şi congelată. Dacă în stare congelată efectele sunt mai mici decât în cea necongelată, acţiunea a fost predominant indirectă, iar gheaţa a împiedicat difuzia radicalilor liberi. Sumarizând: dacă moleculele iradiate (acizi nucleici, enzime, hormoni, vitamine etc.) suferă leziuni (modificări) datorită absorbţiei energiei radiaţiei, acţiunea este directă şi efectul este efect primar. Dacă moleculele se află în soluţie sau împreună cu alte molecule, pot primi energia prin transfer sau pot interacţiona cu radicalii liberi ai moleculelor. Se spune că radiaţiile au avut o acţiune indirectă şi efectul produs este efect secundar. Un al treilea tip de interacţiune, dat fiind că iradierea unui organ poate induce efecte şi în alte organe sau ţesuturi din organism, este acţiunea la distanţă. Acţiunea directă depinde de doza absorbită, de temperatura preparatului iradiat, de prezenţa O2, prezenţa altor molecule, conţinutul în apă al preparatului, pH-ul soluţiei etc.

8

Acţiunea directă, indirectă şi la distanţă produc efectul radiobiologic. Acţiunea radiaţiilor ionizante asupra polimerilor Într-o primă aproximaţie, s-au folosit ca obiecte de studiu polimerii sintetici. S-au constatat două transformări importante: - reticularea, formarea de noi legături între lanţuri, care conferă polimerului proprietăţi noi şi care duce la creşterea greutăţii moleculare; - degradarea – ruperea legăturilor şi formarea unor macromolecule cu greutate moleculară mai mică. Dintre biopolimeri au fost mai intens studiate proteinele şi acizii nucleici. Mecanismul interacţiei radiaţiilor ionizante cu materia vie Efectele radiaţiilor ionizante asupra materiei vii Efectele radiaţiilor ionizante pot fi directe şi indirecte. În cazul efectelor directe, energia radiaţiei este cedată direct unei molecule de interes biologic. Efectele indirecte sunt cele produse atunci când energia radiaţiei este transferată unei macromolecule biologice prin intermediul unei alte molecule care a interacţionat direct (în general apa). Efecte directe Se produc prin acţiunea directă a radiaţiilor asupra unor macromolecule importante pentru sistemele vii: ADN, ARN, proteine, hormoni etc. În urma acestei interacţiuni pot avea loc următoarele procese: - excitarea sau ionizarea moleculei - molecula excitată revine în starea fundamentală prin emisia unei cuante de energie hν care poate fi transferată altei molecule sau poate duce la ruperea unor legături covalente. În urma acestor procese pot să apară şi radicali liberi, extrem de reactivi. Efecte la nivelul proteinelor şi acizilor nucleici. Proteine – se pot produce, în urma proceselor anterioare, modificări ale structurii spaţiale a proteinelor prin ruperea unor legături de hidrogen şi a unor punţi disulfidice, desprinderea unor lanţuri laterale etc.

9

ADN – alterări la nivelul bazelor azotate, dimerizarea timinei cu erori de transcriere a codului genetic; rupturi simple sau multiple ale catenei cu peroxidarea capetelor, formare de legături cu molecule proteice (cross-links). În cazul în care lanţul complementar rămâne intact, se pot produce, prin mecanisme fiziologice, reparări, dar de obicei nu se produc 100%. Efectele radiaţiilor ionizante depind de doză. Ele pot fi apreciate prin procentul de indivizi (celule, organisme etc.) supravieţuitori. Studiul cantitativ al efectelor radiaţiilor ionizante. Curbele doză-efect Pentru a stabili relaţiile cantitative între doza de radiaţii şi randamentul procesului indus de acestea se trasează curbele doză-efect. Aceste curbe reprezintă fie proporţia de indivizi (molecule, celule, organisme etc.) care au prezentat efectul studiat în funcţie de doza administrată (curbe crescătoare), fie proporţia de indivizi care au rezistat (supravieţuitori) în funcţie de doză (curbe descrescătoare). Mai utilizat este cel de-al doilea tip. Aceste studii se fac pe populaţii cu număr mare de indivizi. Dacă se notează cu N0 numărul iniţial de indivizi, cu N numărul de indivizi supravieţuitori şi cu D doza de iradiere, se pot obţine două tipuri de curbe doză-efect: a) exponenţială b) sigmoidă a) Acest tip de curbă caracterizează cea mai mare parte a mutaţiilor, unele aberaţii cromozomiale, distrugerea culturilor bacteriene sau a suspensiilor de virusuri. Curba exponenţială este reprezentată prin relaţia: N = N0e-kD Numărul de supravieţuitori scade exponenţial cu doza. Această relaţie exponenţială s-a stabilit pe baza teoriei ţintei. Conform acestei teorii, în organism există structuri sensibile, „ţinte”, a căror distrugere, printr-o singură lovitură, ar duce la moartea celulei. Constanta k se stabileşte astfel încât doza D să fie aceea pentru care numărul de supravieţuitori să ajungă la 1/e din valoarea iniţială. N = N0/e ⇒ N0/e = N0e-kD0 ⇒ k = 1/D0 ⇒ N = N0e-D/D0 N = N0/e = 0,37 N0 Doza D0= D37% defineşte radiosensibilitatea populaţiei studiate.

10

b) Curbele doză-efect de tip sigmoid caracterizează efectele r.x. asupra celulelor de mamifere. Prezintă o deosebită importanţă în radioterapie. Curba sigmoidă corespunde relaţiei: N/N0 = 1 – (1 – e-D/D0)n unde n reprezintă numărul de ţinte, adică numărul de locuri din celulă lovite. Pentru doze mari, ecuaţia devine prin trecere la limită: N = N0n e-D/D0 Interpretare: un individ ar trebui să fie atins în n locuri pentru a fi distrus; conform teoriei ţintei ar trebui atinse simultan n ţinte. Pentru interpretarea celor două tipuri de curbe s-au propus două mecanisme de acţiune a radiaţiilor asupra sistemelor biologice: a) Curba exponenţială - teoria unei ţinte letale (efectele biologice ale radiaţiilor se datorează unor „lovituri” care ating un constituent sensibil al celulei; lovitura este reprezentată de transferul unei anumite cantităţi de energie într-o ţintă, prin impactul cu radiaţia). b) Curba sigmoidă – teoria a n ţinte letale. Trebuie să fie lovite n ţinte simultan penbtru a obţine efectul studiat. Factorii care determină tipul de curbă sunt: - natura radiaţiei - debitul dozei - condiţiile în care se face iradierea (temperatura, gradul de hidratare,

gradul de

oxigenare, pH etc.) Tipuri de iradiere a organismelor 1. Iradiere externă – sursa de radiaţii se află în exteriorul organismului. 2. Iradiere internă – sursa de radiaţii este internă, constând din radioelemente introduse în organism prin contaminare, pe cale digestivă, respiratorie sau cutanată şi prin injectare în scop diagnostic sau terapeutic. Când cele două tipuri de iradiere sunt prezente simultan, iradierea se numeşte totală. Când întreg organismul este supus iradierii, iradierea este globală. Sursele de radiaţii pot fi: - Surse naturale - radiaţia cosmică 30%, radiaţia telurică 45-46%, radiaţia naturală internă

11

- Surse artificiale – explozii nucleare, industrie nucleară, iradierea sanitară, iradiere diversă (de ex. ecrane radioluminescente), iradiere profesională. Iradierea internă este întâlnită frecvent în practica medicală (mai ales în scintigrafie). Consecinţele negative ale iradierii depind de timpul de înjumătăţire prin dezintegrare, Tf = T1/2 = ln 2/λ şi de timpul de înjumătăţire prin eliminare din organism, Tb. Se defineşte perioada de înjumătăţire efectivă Tef prin: 1/ Tef = 1/Tf + 1/ Tb Cu cât eliminarea este mai rapidă cu atât Tb este mai mic şi de asemenea Tef. Foarte periculoase sunt radioelementele cu Tf foarte mare şi Tb foarte lentă, de ex, Sr90, radiul, plutoniul, care au o perioadă efectivă de ordinul a 103-104 zile. Efecte somatice şi genetice ale radiaţiilor ionizante La iradierea unei populaţii celulare se observă o serie de efecte măsurabile care, în funcţie de mărimea dozei utilizate, apar în ordinea următoare: 1. Modificarea ratei de creştere. La doze mari masa culturii celulare creşte iniţial datorită apariţiei unor celule gigante, pentru ca apoi să scadă cu creşterea dozei. 2. Întârzierea mitozei. Dacă celula este iradiată înainte de jumătatea profazei, diviziunea va fi întârziată. Dacă celula primeşte o doză egală sau mai mare într-o etapă ulterioară, vor fi influenţate mitozele următoare. 3. Moartea celulară întârziată sau imediată. La creşterea dozei se produce moartea celulară, care însă nu este imediată, ci după o serie de diviziuni. La doze foarte mari se produce moartea imediată. Legea Bergonié- Tribondeau Un ţesut este cu atât mai radiosensibil cu cât este mai puţin diferenţiat şi cu cât în el au loc mai multe mitoze. Cea mai sensibilă fază este metafaza, urmată de profază, anafază, telofază. Radiosensibilitatea creşte pentru: pH> 7, ţesut hidratat, oxigenat, temperatură ridicată şi scade pentru: pH