Az ionizáló sugárzás biológiai hatása

23. Az ionizáló sugárzás biológiai hatása

Írta: Mózsa Szabolcs

 
E rövid vázlat a sugárbiológia tudományának néhány fontos megállapítását ismerteti. Sugárbiológiai tudás nélkül az orvosi radiológia ma már nem művelhető és erre épül maga a sugárvédelem is. Kiemeli a tárgy fontosságát, hogy: 1./ az ionizáló sugárforrások száma egyre növekszik; 2./ nem szűnt meg a környezeti sugárszennyeződések lehetősége és 3./ az emberi élettartam, vele együtt az expozíció időtartama, lényegesen megnőtt /Th.M.Fliedner, 1972./. Sugártérben élünk. Ez a tér két részre osztható: 1./ a természetes háttérsugárzás /natural back ground radiation/ és a 2./ mesterséges sugárterhelés. A kettő világátlaga Chernobyl után napjainkban kb. 3,0 mSv/ év.

A sugárbiológia az élő anyagi rendszerek ionizáló sugárhatásra adott válaszait vizsgálja. Határterületi tudományág, így fejlődése e határterületi tudományok fejlődésének is függvénye. Főbb fejlődési irányai: általános, kísérletes, klinikai, katonai /kozmikus/, környezeti sugárbiológia.

A Grotthus /1815/- Draper /1895/ törvény szerint a sugárhatás elsődleges történése a sugárenergia elnyelődése. Biológiai sugárhatást csak az elnyelt ionizáló sugárzás válthat ki. Az elnyelődés és a biológiai effektus közt eltelt időszakot az elemi sugárhatás időszakának nevezik. /Th.Herrmann, 1990./.
Ez utóbbinak a következő fázisai különböztethetőek meg:
a./ fizikai,
b./ fiziko-kémiai,
c./ kémiai-biokémiai és
d./ biológiai szakasz. Az egyes szakaszok időtartama azonos sorrendben növekszik /nanosec, msec, perc, óra, nap, hónap, év/.

Az orvosi gyakorlatban helyes, ha az ionizáló sugárzás hatását bionegatívnak és kumulatívnak tartjuk (Igaz, hogy Lucky leírta a biopozitív hatást, a hormesist, de növényi sejtkultúrákban. A növényi sejtek kromoszóma-száma /DNS!/ kevesebb, mint az emberé. Más szempontból is nagy a különbség a növényi és az emlős sejtek sugárbiológiai tulajdonságai között. Emiatt ma már önálló növényi sugárbiológia is létezik.)

Szokás megkülönböztetni a direkt és indirekt sugárhatást.
Direkt hatásnál a fizikai és biológiai folyamat egy közegben megy végbe, míg az
indirekt hatásnál a víz az energiatranszfer.
Ez utóbbinál igen fontos az u.n. szabad gyökök keletkezése és hatása. E gyökök igen rövid élettartamúak, rendkívül reakcióképesek. Újabb nézetek szerint a gyökképződés nemcsak vizes, hanem száraz rendszerekben is létezik. A direkt és indirekt hatást ma még nem tudjuk egymástól elkülöníteni.

A direk és indirekt ionizáló sugárhatás megismerése vezetett a találat-elmélet /target theory, Trefferprinzip/ kialakulásához. Ez utóbbi feltételezi, hogy: 1./ a sugárenergia elnyelődése a sugárérzékeny térfogatban megy végbe, 2./ az energia felszabadulás ebben a térfogatban történik, ezt nevezik találatnak /hit, Treffer/. A direkt biológiai sugárhatás grafikus ábrázolásakor nyerjük a dózishatásgörbéket, amelyeknek két fő típusa létezik: 1./ exponenciális/ single hit curves/ görbe, ahol egy találat kell az inaktivációhoz és 2./ a nem exponenciális görbék. Ez utóbbiaknál két típus létezik: a./ a több céltárgyas modell/ multi target curves/ és b./ a többtalálatos modellek/ multi hit curves/. A kérdésnek nagy irodalma van /Sommermeyer, 1938., Lea, 1949., Donhoffer, 1962., Köteles, 2002., Herrmann, 2011./.

Fontos további osztályozási lehetőség a determinisztikus /nem sztochasztikus/ és a sztochasztikus sugárhatás.
A determinisztikus effektusnál van küszöbdózis és a reakció súlyossága függ a küszöb feletti dózisterhelés nagyságától.
A sztochasztikus hatásnál nincs küszöbdózis és a biológiai reakció bekövetkeztének valószínűsége függ a dózisától.
Determinisztikus jelenségek az akut sugárbetegségek, sztochasztikusak a sugáreredetű daganatok. A korszerű sugárvédelemnek lényeges célja, hogy a sztochasztikus sugáreffektusok kockázatát a társadalom számára elviselhető szintre szorítsa vissza /Sztanyik, 1983./.

Megkülönböztetjük a szomatikus és a genetikus sugárhatást is /V.P.Bond, Th.M.Fliedner és J.O.Archambeau, 1965., Köteles, 2002./.
Az előbbi az egyénnek, az utóbbi az utódoknak fontos. A röntgensugárzás mutagenitásának felismerése óta /H.G.Mueller, 1923./ a genetikai sugárhatás a radiobiológia egyik legfejlődőbb területe lett /N.Y.Timoféeff-Ressovszky, 1931./. Időközben megállapítást nyert, hogy a genetikai sugárhatásnak nincs küszöbdózisa és az ivarsejtek nagyon sugárérzékenyek.

A biológiai sugárérzékenység relatív. A szövetek érzékenységi sorrendjét H.Holthusen /1921/ írta le. A legérzékenyebbtől a rezisztens szövetig: csontvelő, bélhám, nyirokszövet, here, bőr stratum germinatívuma, ovarium, tüdő, vese, izom, csont- és kötőszövet, porc, idegsejt, melanin- tartalmú sejt. A gyakorlatban a mai napig elfogadjuk ezt a sorrendet.
A sugárérzékenység speciesfüggését Jacobson, Marks, és Lorenz /1949/ akut sugárhatásnál igazolta. Növekvő sorrendben az alábbi sorrendet találták: nyúl, patkány, egér, csirke, ember, kecske, tengerimalac, kutya /whole animal radiation sensitivity/.

Borak /1938/ írta le, hogy az egyes szövetek daganatainak sugárérzékenysége nagyjából követi a normális szövetét.

A baktériumok és a vírusok a sugárbiológiában ismert biológiai objektumokhoz képest igen rezisztensek. A sugársterilezéshez alkalmazott dózisok ehhez igazodnak.

A biológiai sugárhatásban jelentős fizikai tényező az u.n. LET-érték (lineáris energia- transzfer), dimenziója: keV / µm. Az okozott ionizáció sűrűségét jellemzi. Ez a sűrűség lehet magas (alpha-részecske, n, p,) és alacsony (röntgen-, gamma-, béta- és e-sugárzás). Használatos még az u.n. relatív biológiai hatékonyság fogalma is a biológiai effektus minősítésére /RBE-, RBW-érték: röntgen, gamma és béta-sugárzásnál 1., neutron-sugárzásnál 5-10., alpha-sugárzásnál 20./.
A biológiai hatást az oxigén fokozza (oxygen enhancement ratio, OER).

Gammasugárzás esetén az OER-érték átlagosan 2-3 közé esik. Hypoxiában, alacsony LET esetén, a sugárrezisztencia nő.
Az ionizáló sugárzás hatását fokozhatja még: 1./ az elektron-affin anyag /pl. Misonidazol/, 2./ membránspecifikus farmakon /pl. J-acetamid/, 3./ DNS precurzor analógok, 4./ cytotoxicus anyagok /pl. Cu 2++ -ionok/, 5./ reparatio-gátlók /Actinomycin-D/, 6./ thiolok, 7./ scavengerek /szabad gyökfogók/, 8./ antioxydánsok/. A sugárhatást csökkenti: 1./ kéntartalmú aminosavak /cystein, glutathion, cysteamin/, 2./ egyes enzimek /kataláz, szuperoxyddiszmutáz, glutathionperoxidáz,/, 3./ hypoxia.

Az ionizáló sugárzás elsődleges molekuláris biológiai támadáspontja (primary target) a DNS, az interfázisban pedig a G2-stádium (W.K.Sinclair, 1968.). A DNS fontosabb radiogén károsodás típusai a következők: egyes- és kettős lánctörés, báziskárosodás, a cukorkomponens sérülése, DNS-protein keresztkapcsolódás (cross-link), multiplex sérülés (bulky lesio). Az emlős sejtek lineáris makromolekuláinak károsodását, ennek következményeit az alábbi vázlat segíti átgondolni:

DNS m-DNS polypeptidlánc struktúra funkció

genotypus fenotypus

A DNS sugársérülésének modern értelmezését teszi lehetővé a kvantumbiokémia. E molekula delokalizált -elektronrendszere és szerkezete révén elektromos inhomogén félvezetőként viselkedik. A vezetési elektronok az intramolekuláris szennyeződésekből származnak /pl. vas-szennyeződés/.
A helix tengelyében végbemenő elektronvándorlást a bázispárok -elektronátfedései /overlaps/ és az exciton kölcsönhatás teszi lehetővé. Sugárhatás után az intramolekuláris elektronszerkezet megváltozik: gerjesztés /excitáció/ és -elektronkiszakadás /pozitív lyukképződés/ következik be. Ezen utóbbiak vezetnek a bázispárok tautomér átrendeződéséhez és az anomális bázispárok kialakulásához. Mivel ezen utóbbiak a Chargaff-Watson-Crick –féle báziskorrelációs törvénynek nem felelnek meg, a DNS-helix térszerkezetében nem férnek el, így a H-híd felszakad. Lehetőség nyílik az anomális m-RNS, polypeptidlánc, struktúra és funció létrejöttére. A sugár- és kemoterápiában pontosan e jelenségek előidézése a célunk. Remélhető, hogy a kvantumbiokémiai eredmények alapján előbb-utóbb létrejön egy egységes tumorkezelési elmélet is /A. és B. Pullman, 1959., P.-O.Löwdin, 1961., Ladik J., 1967./.

Mivel sugárspecifikus biológiai válasz nem ismert, az effektus magára a biológia rendszerre lesz a jellemző. A programozott sejthalál, az apoptosis kutatása a sugárbiológiai újabb irányzatává vált.
Teljesen új szemlétet hozott az őssejtek (stem cells, Stamzelle) és a sejtreprodukciós rendszerek (differon-korrelaton modellek) működésének felfedezése. A radiobiológiában különösen fontosak az őssejt és differon-funkción működő szöveti rendszerek (csontvelő, bélhám, bőr, here , stb.). A sugárhatás kimenetele attól függ, hogy a sugárérzékeny őssejtek a differonok működésén keresztül hogyan képesek helyreállítani az élettani oszcillációs perifériás celluláris egyensúlyt (pl. vörösvértestszám a keringő vérben, stb.). A differonokat négy tér terheli: 1./ fizikai, 2./ kémiai, 3./ gáz- és 4./ mikrobiológiai tér. Ha a terhelés az élettani adaptáció szintjét túllépi, kórélettanilag a sugárbetegség alapja jön létre. A korszerű klinikai sugárbiológia és sugárvédelem – nem utolsó sorban – ma már őssejt- és differon élet- és kórélettan kérdése.

A radiobiológia egyik legfontosabb alaptétele a Bergonié- Tribondeau /1903/ törvény: egy sejt, vagy szövet annál sugárérzékenyebb, minél gyorsabban osztódik, minél éretlenebb és differenciálatlanabb, minél közelebb van az embryonalis állapothoz. És fordítva. A sugárbiológia és a sugárvédelem nagymértékben erre az alaptörvényre épül.

Az akut sugárbetegség (korai determinisztikus ártalmak) tünettana igen változatos (erythaema, ulcus, pigmentatio, depigmentatio, epilatio, fibrosis, cytopaenia, infectio, diarrhoea, cytopaenia eredetű infectio, thrombopaenia eredetű vérzés). Ma az a vélemény, hogy kb. 6-8 Sv teljestest-besugárzás okoz 100% halálozást az emberben. Az akut betegség osztályozásának az alapja:
1./ a latencia-idő,
2./ a vezető tünet (tünetcsoportok), illetve
3./ a halálhoz vezető szervrendszer.
Ennek megfelelően beszélünk: 1./ haematológiai, 2./ gastrointestinalis, 3./ bőr és 4./ neurológiai sugárszindrómáról.
Mindegyik esetében négy prognosztikai kategória lehetséges: 1./ gyógyulás biztos, 2./ valószínű, 3./ lehetséges, 4./ nem lehetséges (Th.M.Fliedner, 1965.).
A kései sugárártalom esetében elsősorban a következő betegségekről van szó: élettartam csökkenés, cataracta, leukosis, degenerativ megbetegedések, daganatok, fejlődési rendellenességek. A kései ártalmak lehetnek determinisztikusak, vagy sztochasztikusak.

Nagyon hamar fény derült arra is, hogy az ionizáló sugárzás nemcsak mutagén, hanem terratogen hatású is /Th.Herrmann, 1990., Farkas, 1995., Köteles, 2002./.

Klinikai megfigyelések szerint az in utero 1-10. napon a blastogenesis sérülhet. Egyes források feltételezik, hogy az embryo elhalás 0.05 Sv sugárterhelés hatására bekövetkezhet. Ha mégsem, akkor a terhesség zavartalanul fog tovább haladni (vagy/ vagy típusú reakció). A mutagen, a teratogen hatás mellett látszik és bizonyított a carcinogen hatás is. A graviditás 10.-60. napja között a 0.05 Sv szintet meghaladó sugárterheléseknél szervfejlődési anomáliákkal lehet számolnunk. Kisebb dózisok hatására ez nem várható. A megfigyelések szerint 0.2 Sv dózis hatására a fejlődési rendellenességek gyakorisága megkétszereződik. Az in utero 60.nap után bekövetkező sugárterhelés kockázata a fetusra nézve lényegesen csökken (kivételt képez az agyhólyagok fejlődése), (Th.Herrmann, 1990.).

A klinikai sugárbetegség laboratóriumi diagnosztikája belorvosi jellegű. Ezt egészítik ki a korszerű markerdiagnosztikai módszerek (cytogenetikai, mikronucleus, comet assay, in situ hybridisatio, denaturatios gélelektroforesis, DNS sequentia- analysis, stb.). Nagy gondot kell fordítani a biológiai anyagok gyűjtésére, tárolására és adminisztrációjára (nyál, verejték, köpet, liquor, vér, vizelet, széklet, szőrzet, haj, hányadék, stb.).

Üzenet

A sugárbetegségek gyógyításában a következő alapelvek fontosak:
1./ szigorú indikáció
2./ individualis therapiás tervek;
3./ világos sugárbiológiai alapok szerint fő feladat a cytopaeniák leküzdése (infectio, vérzés, kritikus periódus), az okok felszámolása. A klinikai besorolás és a kezelés nem elsősorban az exact dózismérésre, hanem a vezető tünetekre (tünetcsoportokra) és ezek latenciaidejének ismeretére kell, hogy épüljenek (Th.M.Fliedner, 1972., Th.Herrmann, 1990.).

 
1./ D.F.Lea: Actions of Radiations on Living Cellas.
University Press, cambridge, 1946.
/2nd Ed.: 1955./.
2./ V.P.Bond, Th.M.fliedner and J.O.Archambeau:
Mammalian radiation Lethalithy. Academic
Press, New York and London, 1965.
3./ Sztanyik B.L.: A sugárbiológia negyedszázada.
Orvosi Hetilap, 124., 34., pp.2223-2232.,
1983.
4./ J.J.Conklin and R.I.Walker: Military Radiobiology.
Academic Press, Inc., New York and London,
1987.
5./ Th.Herrmann: Strahlenbiologie – kurz und bündig.
2.überarbeitete Auflage, VEB G.Fischer
Verlag,Jena /DDR/, 1990.
6./ Farkas Gy.: Sugárvédelmi és belsődozimetriai ismeretek.
ETI, Budapest, 1995.

7./ Dr.Mózsa Sz.: Az ionizáló sugárzások biológiai hatása.
Főiskolai jegyzet. PHARE HU 94.05 0201 L001-06.,
HIETE, Budapest, 1998

8./ W.Köhnlein und R.H.Nussbaum /Hrsg./: Die Wirkung niedriger
Strahlendosen im Kindes-und Jugendalter, in der
Medizin, Umwelt und Technik, am Arbeitsplatz.
Gesellschaft für Strahlenschutz e.V., Berlin und
Bremen, 2001.

9./ R.Graeub: Der Petkau-Effekt mit oxidativer Stress.
/In: W.Köhnlein und R.H.Nussbaum /Hrsg./: Die Wirkung niedrieger Strahlendosen…,
pp.312-320., Gesekschaft für Strahlen –
schutz e.V., Berlin und Bremen, 2001./.

10./ I.A.Gusev, A.K.Guskova and F.A.Mettler: Medical Management of
Radiation Accidents. 2nd Ed., CRC Press, Boca Raton –
- London – New York – Washingtob, D.C., 2001.

11./ Dr. Köteles Gy.: Sugáregészségtan. Medicina Könyvkiadó,
Budapest, 2002.

12./ Y.A.Jablokov, V.B.Nesterenko and A.V. Nesterenko:
Chernobyl: Consequences of the Catastrophe
for People and Nature. New York Academy
of Sciences, New York, N.Y., 2009.

13./ Janette D.Sherman, M.D.: Was kommt als nächstes bei
WHO und LAEA? – Tschernobyl, 25 Jahre da –
Nach. –Zeit-Fragen /Zürich/, 19., 26., p.6., 27
Júni 2011.
14./ Lamm Vanda: Huszonöt évvel Csernobil után –
A nukleáris károkért való nemzetközi felelősségi
Szabályozás fejlődése. Magyar Tudomány,
172., 6., pp.694-703., 2011.

1./ V.P. Bond, Th. M. Fliedner and J.O. Archambeau:
Mammalian radiation lethality. Acad.Press, New York, 1965.
2./ Sztanyik B.L.: A sugárbiológia negyedszázada.
Orvosi Hetilap, 124., 34., pp.2223-2232., 1983.
3./ Th.Herrmann: Strahlenbiologie – kurz und bündig.
2. überarbetitete Auflage, VEB G.Fischer Verlag, Jena /DDR/, 1990.
4./ Farkas Gy.: Sugárvédelmi és belsődozimetriai ismeretek. ETI, Budapest, 1995.
5./ Dr.Mózsa Sz.: Az ionizáló sugárzások biológiai hatása. Főiskolai jegyzet.
Phare HU 94.05 0201 L001-06., HIETE, Budapest, 1998.
6./ Dr.Köteles Gy.: Sugáregészségtan. Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2002.

 

---