Bővített sugárvédelmi ismeretek 2. Biológiai, élettani hatások Dr. Csige István Dr. Dajkó Gábor MTA Atommagkutató Intézet Debrecen TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005.

Az előadások a következő témára: "Bővített sugárvédelmi ismeretek 2. Biológiai, élettani hatások Dr. Csige István Dr. Dajkó Gábor MTA Atommagkutató Intézet Debrecen TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005."— Előadás másolata:

1 Bővített sugárvédelmi ismeretek 2. Biológiai, élettani hatások Dr. Csige István Dr. Dajkó Gábor MTA Atommagkutató Intézet Debrecen TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra" 1

2 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 2 Biológiai, élettani hatások – Sugárkémiai folyamatok Szabadgyökök képződése és reakciói Degradáció, rekombináció, oxigénhatás – Sugárbiológiai folyamatok Szabadgyök-reakciók Direkt és indirekt károsodás DNS-károsodás, repair folyamatok Sejtszintű hatások Gén instabilitás, szomszéd-hatás – Dózisfogalmak Elnyelt, egyenérték, effektív dózis Dózis-hatás összefüggések – Determinisztikus hatások – A kockázat fogalma – Sztochasztikus hatások

3 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 3 Sugárkémiai folyamatok Szabadgyökök: olyan molekulák vagy molekulatöredékek, amelyek külső pályájukon párosítatlan elektront (●) tartalmaznak, és emiatt igen nagy a reakciókészségük. Oxigén Peroxidgyök Szuperoxid anion Hidroxil-gyök Hidroxil-anion

4 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 4 Szabadgyökök képződése és hatásai Képződése Ionizáló sugárzás Dohányzás Alkohol Méreganyagok Gyógyszerek Stressz Gyulladás Intenzív edzés Hatásai Öregedés Rák Szív-és érrendszeri zavarok Idegrendszeri problémák Csontritkulás Bőrproblémák Tüdőbetegségek Allergia

5 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 5 http://churchandstate.org.uk/wordpressRM/wp- content/uploads/2013/02/radicals.jpg Szabadgyök-reakciók Direkt és indirekt károsodás DNS-károsodás, repair folyamatok Sejtszintű hatások Gén instabilitás, szomszéd-hatás Sugárbiológiai folyamatok

6 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 6 Szabadgyökök támadása egy sejt ellen Kép: http://blogimg.goo.ne.jp/user_image/18/35/ceae94dfcdde41329b4456dcace44f8c.png

7 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 7 Szabadgyök-reakciók Kép: http://www.dentalaegis.com/media/1682/ Antioxidáns Szabadgyök képződése Elektron elvétele Elektron adása

8 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 8 Sugárérzékeny molekulatípusok: a DNS és a membránok többszörösen telítetlen zsírsavmolekulái. DNA radiation damage by Dr Jon Heras 3D - posted 3rd November 2007 Sugárbiológiai folyamatok

9 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 9 Direkt hatás: a sugárenergia elnyelődése ugyanazon a molekulán következik be, mint amelyen a biológiai károsodás. Kép: http://www.nasa.gov/centers/johnson/images/content/512996main_DNA_tracks.gif Sugárbiológiai folyamatok

10 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 10 Indirekt hatás: a sugárenergia elnyelődése és a kiváltott biológiai hatás közvetítő folyamatokon keresztül különböző molekulákon jön létre. Elsődleges fizikai folyamat (ionizáció, gerjesztés) Biológiai (DNS-, membrán-) károsodások Közvetítő folyamatok (szabadgyök- reakciók) Sugárbiológiai folyamatok

11 Osztódó sejtek Nyílvánosan megosztva Peter Egelberg http://www.phiab.se/applications/cell-division

12 A sejtciklus ellenőrzési pontjai G 1 ellenőrzési pont Sejtméret, tápanyagok, növekedési faktorok, DNS ellenőrzése A magorsó kialakulásának ellenőrző pontja DNS kettőződés G 2 ellenőrzési pont: sejtméret és DNS kettőződés ellenőrzése. A probléma kijavítódásáig nem engedi osztódni a sejtet.

13 A sejtosztódás többszöri megállítása a G 2 ellenőrzési ponton Nyílvánosan megosztva Peter Egelberg http://www.phiab.se/applications/cell-division

14 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 14 Thomas Splettstoesser: Cartoon representation of a complex between DNA and the protein p53 (described in Cho et al. Science 265 pp. 346, 1994) p53 Sugárbiológiai folyamatok A tumorszupresszorok olyan gének vagy fehérjék, amelyek a károsodott sejtek esetében a sejtciklus leállításával megakadályozzák, hogy a sejtek daganatos sejtté alakuljanak. Hibás működésük vagy hiányuk a sejtek kontrollálatlan osztódásához, daganathoz vezethet.

15 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 15 A DNS-javítás a sejtekben állandóan zajló folyamat; amely, mivel megvédi a szervezet teljes örökítő információját tároló genomot a károsodástól és a veszélyes mutációktól, elengedhetetlen a túléléshez. Courtesy of Tom Ellenberger, Washington University School of Medicine in St. Louis. Fehérjemolekulák munkában, amint épp egy kromoszóma-károsodás kijavításán dolgoznak. Sugárbiológiai folyamatok

16 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 16 Genom instabilitás Újabban azonban bebizonyosodott, hogy az egészségesnek látszó sejtekben, kezdetben kimutathatatlan, hosszú távú következmények is kialakulhatnak. A sugársérülést szenvedett sejtek egy részének az utódaiban, akár 40-50 generációval később, ugrásszerűen megnő a spontán mutációk gyakorisága, vagyis az ionizáló sugárzás a genom instabilitását okozza. A sugárzás okozta daganatokban ugyanúgy pont-mutációk fordulnak elő, mint a spontán daganatokban. Ez azt valószínűsíti, hogy a sugárzás okozta daganatok nem a sugárzás közvetlen hatására, hanem a sugárzás keltette genetikai instabilitás következtében alakulnak ki! Sugárbiológiai folyamatok

17 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 17 Dózisfogalmak

18 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 18 A grayt 1975-ben, Louis Harold Gray (1905– 1965) tiszteletére vezették be és nevezték el. Dózisfogalmak

19 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 19 Dózisfogalmak

20 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 20 Kép: Svetlana Sjostedt and Eva Bezak: Non-targeted effects of ionising radiation and radiotherapy, Review, Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine A károsodás kulcsfehérjék által különféle útvonalakon átadódhat a szomszédos sejtekre is. Szomszédhatás Sugárbiológiai folyamatok

21 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 21 Svetlana Sjostedt and Eva Bezak: Non-targeted effects of ionising radiation and radiotherapy, Review, Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine Szomszédhatás

22 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 22 Sugárkárosodás: olyan klinikailag megfigyelhető ártalmas hatás, amely egyénekben vagy azok utódaiban jelentkezik, és amely megjelenése lehet azonnali vagy késleltetett, és az utóbbi esetben nem következik be teljes bizonyossággal, de valószínűsíthető

23 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 23 Determinisztikus hatások Az ionizáló sugárzás azon biológiai hatásait, amelyek kivétel nélkül minden egyes besugárzott egyeden megjelennek, amennyiben a dózis meghaladja az adott egyedre és adott biológiai hatásra jellemző küszöbértéket, determinisztikus sugárhatásnak nevezzük.

24 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 24 A sugárzás determinisztikus hatásait módosító tényezők FizikaiKémiaiBiológiai Sugárzás fajtája Dózisteljesítmény Dózisfrakcionálás Hőmérséklet Oxigénhatás Víztartalom Sugárérzékenyítő és sugárvédő vegyületek Szabadgyök-fogók Antioxidánsok Sejtciklus állapota Alkalmazkodási válasz Génstabilitás Életkor Nem Antioxidáns-kapacitás

25 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 25 A sugárzás fajtája, a relatív biológiai hatásosság A relatív biológiai hatásosság (RBE) egy arányszám, amely megadja a referencia- (250 kV-os röntgen)sugárzástól és a kérdéses ionizáló sugárzástól ugyanazon biológiai hatás kiváltásához szükséges elnyelt dózisok hányadosát.

26 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 26 A dózisteljesítmény A dózisteljesítmény (az egységnyi idő alatt kapott dózis) növekedése a sugárkárosodás növekedéséhez vezet. Nagyobb dózisteljesítmények esetén kevesebb idő áll rendelkezésre a keletkezett károsodások kijavítására. Az ábrán látható a determinisztikus hatás küszöbdózisa.

27 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 27 A dózisfrakcionálás A sugárkárosodás csökken, ha egy adott dózist nem egy, hanem több részletben adnak le. A dózisfrakciók leadása közötti időben a sejtekre nézve nem halálos károsodások helyreállítódnak.

28 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 28 A hőmérséklet A hőmérséklet emelkedése a sejtek sugárérzékenységének növekedéséhez vezet.

29 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 29 Az oxigénhatás Az oxigén sugárérzékenyítő hatását már 1935-ben felismerték. A sejtekben oldott formában lévő oxigén jelenlétében sokkal több fajta oxidáló szabadgyök keletkezik, mint oxigén hiányában.

30 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 30 Sugárérzékenyítő vegyületek Alapvetően a daganatok sugárterápiás kezelésében használhatóak. Sugárvédő vegyületek Képesek csökkenteni a sugárzások károsító hatását. Szabadgyök-fogók Kémiai reakciókkal átalakítják a víz radiolíziséből származó szabadgyököket. Antioxidánsok Redukálják, semlegesítik a szabadgyököket.

31 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 31 Dózis-hatás összefüggések ? Effektívdózis-teljesítmény, Természetes háttér ~3 mSv/év 0.5 % / (mSv/év) Kockázat ?

32 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 32 Sztochasztikus hatások Az expozíció óta eltelt idő, [ év ] Esetszám

33 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 33 Sztochasztikus hatások Az első sugárzás okozta rákról 1902-ben számoltak be, amely egy elfekélyesedett bőrfelületen alakult ki. Sugaras tevékenységet végzők körében 1911- ben számoltak be először leukémiás esetekről. Az atombomba támadások túlélői körében végzett vizsgálatok alapján (mintegy 9000 daganatos esetből kb. 500 volt a többlet) meggyőző epidemiológiai bizonyítékok állnak rendelkezésre, hogy a sugárterhelés és rákkeletkezés közötti kapcsolat közepes (0,15-1,5 Gy) dózisoknál közelítőleg lineáris.

34 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 34 Sztochasztikus hatások

35 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 35 Dózisfogalmak

36 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 36 Rolf Maximilian Sievert svéd orvosi fizikus. Jelentősen hozzájárult az ionizáló sugárzás emberi szervezetre gyakorolt hatásainak megismerésé- hez, a sugárvédelem úttörője volt. Dózisfogalmak

37 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 37 A sugárzás típusa Fotonok1 Elektronos és müonok1 Protonok és töltött pionok2 Alfa-részecskék, hasadványok, nehézionok20 Dózisfogalmak

38 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 38 Dózisfogalmak

39 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 39 Testszövet Csontvelő (vörös)0,12 Vastagbél0,12 Tüdő0,12 Gyomor0,12 Emlő0,12 Egyéb szövetek*0,12 Ivarmirigyek**0,08 Hólyag0,04 Nyelőcső0,04 Máj0,04 Pajzsmirigy0,04 Csontfelszín0,01 Agy0,01 Nyálmirigyek0,01 Bőr0,01 *Egyéb szövetek: mellékvesék, felső légutak, epehólyag, szív, vesék, nyirokcsomók, izom, szájnyálkahártya, hasnyálmirigy, prosztata (férfiak), vékonybél, lép, csecsemőmirigy, méh/méhnyak (nők). **Az ivarmirigyek testszöveti súlytényezője a cáfolat híján máig feltételezett, de a korábbiakhoz képest jelentősen csökkentett valószínűségű genetikai hatásokat hivatott megjeleníteni, nem szomatikus hatást.

40 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 40 Dózisfogalmak

41 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 41 Irodalomjegyzék Sugárvédelem. Szerkesztette: Fehér István és Deme Sándor. ELTE Eötvös Kiadó, Budapest 2010. ISBN 978 963 284 080 2 Sugáregészségtan. Szerkesztette: Köteles György. Medicina Könyvkiadó Rt., Budapest 2002. ISBN 963 242 772 6 A Tanács 2013/59/EURATOM irányelve az ionizáló sugárzásmiatti sugárterhelésből származó veszélyekkel szembeni védelmet szolgáló alapvető biztonsági előírások megállapításáról. Az Európai Unió Hivatalos Lapja, 2014.1.17. L13/1-73 Ozasa K, Shimizu Y, Suyama A, Kasagi F, Soda M, Grant EJ, et al. Studies of the mortality of atomic bomb survivors. Report 14, 1950–2003. An overview of cancer and noncancer diseases. Radiat Res 2012;177:229–43.