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

TÁMOP C-12/1/KONV 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

TÁMOP C-12/1/KONV 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

TÁMOP C-12/1/KONV 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

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 5 content/uploads/2013/02/radicals.jpg Szabadgyök-reakciók Direkt és indirekt károsodás DNS-károsodás, repair folyamatok Sejtszintű hatások Gén instabilitás, szomszéd-hatás Sugárbiológiai folyamatok

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 6 Szabadgyökök támadása egy sejt ellen Kép:

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 7 Szabadgyök-reakciók Kép: Antioxidáns Szabadgyök képződése Elektron elvétele Elektron adása

TÁMOP C-12/1/KONV 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

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 9 Direkt hatás: a sugárenergia elnyelődése ugyanazon a molekulán következik be, mint amelyen a biológiai károsodás. Kép: Sugárbiológiai folyamatok

TÁMOP C-12/1/KONV 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

Osztódó sejtek Nyílvánosan megosztva Peter Egelberg

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.

A sejtosztódás többszöri megállítása a G 2 ellenőrzési ponton Nyílvánosan megosztva Peter Egelberg

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

TÁMOP C-12/1/KONV 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

TÁMOP C-12/1/KONV 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 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

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 17 Dózisfogalmak

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

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 19 Dózisfogalmak

TÁMOP C-12/1/KONV 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

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

TÁMOP C-12/1/KONV 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

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

TÁMOP C-12/1/KONV 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

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

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

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

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

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

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 33 Sztochasztikus hatások Az első sugárzás okozta rákról 1902-ben számoltak be, amely egy elfekélyesedett bőrfelületen alakult ki. Sugaras tevékenységet végzők körében 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.

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 34 Sztochasztikus hatások

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 35 Dózisfogalmak

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

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

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 38 Dózisfogalmak

TÁMOP C-12/1/KONV 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.

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 40 Dózisfogalmak

TÁMOP C-12/1/KONV projekt 41 Irodalomjegyzék Sugárvédelem. Szerkesztette: Fehér István és Deme Sándor. ELTE Eötvös Kiadó, Budapest ISBN Sugáregészségtan. Szerkesztette: Köteles György. Medicina Könyvkiadó Rt., Budapest ISBN A Tanács 2013/59/EURATOM irányelve az ionizáló sugárzásmiatti sugárterhelésből származó veszélyekkel szembeni védelmet szolgáló alapvető biztonsági előírások megállapításáról. Az Európai Unió Hivatalos Lapja, 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.