Ionizáló sugárzások egészségügyi hatásai Dr. Vincze Árpád

A sugárzás és az anyag kölcsönhatásai Fizikai hatások Kémiai hatások Biokémiai hatások Biológiai hatások

Kémiai - biokémia hatások 3. Kémiai elváltozás történik a sejt alapvető fontosságú molekulájában, a DNS-ben, amely biokémiai változást (DNS sérülést, mutációt) okoz

Közvetlen ionizáció - kromatin 1

DNS - sérülések lehetnek: Emberi sejtben 1 Gy (X) Kettős száltörés: 40 Egyes száltörés: 1000 Bázishiány: 3000 Keresztkötés: 180

DNS - sérülések kijavítása 1. Kimetszéses mechanizmus Sugárzás endonukleáz polimeráz exonukleáz ligáz

DNA - repair A large number of genes have evolved in all organisms to repair DNA damage; the repair gene products operate in a co-ordinated fashion to form repair pathways that control restitution of specific types of damage. Repair pathways are further co-ordinated with other metabolic processes, such as cell cycle control, to optimize the prospects of successful repair. It is likely that the simpler forms of DNA damage (single sites of base damage, single-strand breaks) arising endogenously and from exposure to ionizing radiation will be repaired rapidly and efficiently by base-excision repair processes, so these types of damage are not normally a serious challenge to biological organisms. However, because of the relatively large amount of base damage and single-strand breaks induced , if base-excision repair systems are compromised, the consequences would be very serious for the cell and the individual. DNA damage such as double-strand breaks represents a more difficult problem for cellular repair processes, but more than one recombination repair pathway has evolved to cope with this damage. Damage caused by large clusters of ionizations in or near DNA, giving more complex DNA alterations, may represent a special case for which separate repair pathways have to come together to effect repair, or where there is a consequent loss or alteration of the DNA sequence as a result of incorrect or inadequate repair.

Lehetséges sejtbiológiai elváltozások 1. Lethális -a sejt a hatások következtében elhal (apoptózis, programozott sejthalál) – szövetpusztító hatás 2. Sublethális -a károsodás kijavítható -a sejt nyugalmi állapotában sérülésnek nincs jele -a károsodás sejtosztódáskor jelentkezhet – késői hatások 3. Potenciálisan lethális -a környezeti tényezőktől függ a hatás végső eredménye

Ionizálós sugárzások egészségügyi hatásai Sugárzás energiája elnyelődik a sejt(ek)ben Biomolekulák (DNS, membrán) kémiai változása, sérülése Súlyos sérülés Biológiai javító mechanizmusok Sejthalál Eredménytelen Hibás Eredményes programozott mutáció rákos sejt Intenzív Szövetpusztító hatás (determinisztikus) Rákkeltő-genetikai hatás (sztochasztikus)

A hatást módosító tényezők 1. Oxigén jelenléte növeli. (Nitro-imidazol származékok szzintén növelik a hatást: Klion-metronidazol) 2. Szulfhidril (SH) tartalmú vegyületek csökkentik. 3. A sugárzás minősége (Lineár Energy Transfer - LET - érték. 4. Hőmérséklet 5. A kérdéses sejt életkora, szerkezete: az osztódó állapotban lévő sejt a legérzékenyebb. Minél több egy szövetben az éretlen („ős”) sejt, annál érzékenyebb. 6. A sejt egyes részei érzékenysége is eltérő: membrán ---> sejtmag ----> plazma

RÁKOS – GENETIKAI (SZTOCHASZTIKUS) HATÁSOK Dózis-hatás összefüggések MODELLEK RÁKOS – GENETIKAI (SZTOCHASZTIKUS) HATÁSOK RÁKOS – GENETIKAI (SZTOCHASZTIKUS) HATÁSOK RÁKOS – GENETIKAI (SZTOCHASZTIKUS) HATÁSOK SZÖVETKÁROSÍTÓ (DETERMINISZTIKUS) HATÁSOK SZÖVETKÁROSÍTÓ (DETERMINISZTIKUS) HATÁSOK Több sejt Egy sejt Egy sejt Egy sejt

Vér besugárzása-kromoszóma aberrációk Emberi nyiroksejtek (limfociták) ionizáló sugárzás okozta kromoszóma aberrációi: az ún. dicentrikus és töredék változatok (nyilakkal jelölve).

Sugárzás típusától való függés Biológiai hatás LET függő –Relatív Biológiai Hatékonyság (RBE) In order to produce a dicentric aberration, DNA damage must be induced in the two unreplicated chromosomes involved such that the damaged chromosomes can undergo exchange. It can be seen that the lesions in the two chromosomes must be close together, within what is called ‘rejoining distance’, for misrepair to be able to take place. This defined region can be considered the target. Two lesions, one in the DNA double helix of each unreplicated chromosome, need to be produced within this target. This target, or zone of interaction, is small, generally considered to be less than 0.1 mm diameter. X rays have low LET, with low frequencies of ionization per unit track length. Thus there is a low probability that two ionizing events from a single track will occur within the target. Two ionizations, at a minimum, are necessary to produce damage in two chromosomes involved in a dicentric. There is a much higher probability that these two lesions will be produced by ionization from two independent tracks. Dicentrics produced by one track will have a frequency that is proportional to a linear function of dose, whereas dicentrics induced by two tracks will have a frequency proportional to the square of the dose. At doses below 0.5 Gy, the probability of two tracks traversing a target is sufficiently low that dicentrics will be produced almost exclusively by one track and at a low frequency. As the dose increases, the contribution of two track‑induced dicentrics will also increase. RBE increases with increasing LET to a maximum of 100 keV/mm and decreases at higher LET values. At high doses, e.g. above 6-8 Gy for X rays, the dose effect becomes saturated and results in a lack of fit of the linear-quadric curve. The dose-response curve for low LET induced dicentrics will be a combination of one and two track events, with the former being more frequent at low doses and the latter being much more frequent at high doses. The dose-response curve generally fits the equation Y = A+aD + bD2 where Y is the yield of dicentrics, D is the dose, A is the control (background frequency), a is the linear coefficient and b is the dose-squared coefficient. The ratio of / of the two coefficients is equal to the dose at which the linear and quadratic components contribute equally to the formation of dicentrics. Summarizing, the dose-response curve for low LET radiation, high energy protons and fast neutrons will be non‑linear and best fit a linear‑quadratic model; the dose-response curve for high LET radiation (fission neutrons and a-particles) will be linear, or close to linear. Dózis [Gy] 250 keV X / dózise [Gy] más forrásból ami ugyanolyan biológiai hatást okoz RBE = RBE átlagol elnyelt dózis (ADT): – elnyelt dózis T szövetben R sugárzástól

Szövetpusztító (determinisztikus) hatás Korán jelentkezik (napok, hetek) Csak egy bizonyos dózis fölött (küszöb dózis ~ 500 mSv) Küszöb felett a súlyosság dózis függő A hatás jelleg sugárzás specifikus % Küszöb Dózis

Egyes determinisztikus hatások küszöbdózisai

Faji érzékenységi sorrend LD 50/30 1,5 - 10 Sv 10 - 150 Sv 50 - 300 Sv 600 - 800 Sv 1000 - 3000 Sv Emlősök Szárnyasok Gombák, bektériumok Rovarok Egysejtűek

Rákkeltő - genetikai (sztochasztikus) hatás LNT modell Meredekség: ~5 % /Sv Később jelentkezik (5-10 év) Nincs küszöbdózis A hatás nem sugárzás specifikus Azonosítás statisztikai korlátai: Nagy mintaszám kell Nem állandó a háttér Időeltolódás Kockázat < 200 mSv < 6 mSv/h Nem mutatható ki növekedés: ? az atombomba támadás túlélői (kb. 80 000 fő) < 200 mSv − nagy természetes hátterű területeken (~200 mSv/év!) Dózis

Egyenérték Dózis: A különböző típusú és energiájú sugárzásoknak az emberi testszövetben és szervekben azonos sztochasztikus hatást eredményező dózisa. [J/kg] Sv-Sievert

Szabályozásnál használt dózis alapmennyiségek 3 Effektív Dózis(E): SZERVEINK ÉRZÉKENYSÉGE ELTÉRŐ A HATÁS FÜGG AZ EXPOZÍCIÓ HELYÉTŐL IS HT - egyenérték dózis a T szervben wT - sugárérzékenységi tényező

A sugárérzékenységi tényező wT Szabályozásnál használt dózis alapmennyiségek 4 A sugárérzékenységi tényező wT

LNT modell Pro: Drosophila legyek genetikai vizsgálata Kontra: − Az atombomba támadás túlélői között 200 mSv alatt nincs szignifikáns rákos gyakoriság növekedés. − Nem mutattak ki fokozott kockázatot nagyobb természetes sugárzási hátterű területeken − A rákbetegség nem elsőrendű kinetikájú folyamat − A DNS akár egy vagy két láncának törése esetén ezek javítása nem jelenthet túl nagy feladatot a sejtnek − Kis dózisoknál még senki sem mutatott ki biológiai- vagy egészségkárosodást.

Sztochasztikus hatások 2 NEMZETKÖZI AJÁNLÁS (ICRP) : LNT modell Végzetes kimenetelű hatások kockázata (10-2 / Sv)

Természetes eredetű sugárterhelés Átlag: 2.42 mSv/év - tipikus tartomány 1-10 ! M.o: ~3 mSv/év

A kozmikus sugárzás mértéke magasság függő > 400 12 000 m 160 4000 m 6 2000 m 3 tengerszint 1 (0.031 mSv/h)

A primordiális radioaktív izotópok előfordulása változó A közetekben, talajban, építőanyagban lévő radioaktív anyagok koncentrációja változó a földön Nagyon magas természetes háttér mSv/év Brazília (Guarapari) 5.5 (35) Irán (Ramsar) 10.2 (260) India (Kerala) 3.8 (35) Kína (Yangjiang) 3.5 (5.4)

Mesterséges eredetű sugárterhelés globális hatások

Mesterséges / természetes sugárterhelés globális hatások

DÓZISKOTLÁTOK 16/2000. (VI.8.) EüM rendelet

DÓZISKORLÁTOK Veszélyhelyzeti sugárterhelésre 50 mSv effektív dózis 100 mSv effektív dózis népesség jelentős sugárterhelésének megakadályozása esetén 250 mSv effektív dózis életmentésben résztvevőkre

Vészhelyzeti sugárterhelésre vonatkozó BEAVATKOZÁSI SZINTEK