5. Biologické účinky ionizujícího záření
Radiační ochrana 
5.1. Účinky záření na látku. Základní veličiny dozimetrie
5.2. Biologické účinky ionizujícího záření
5.3. Cíle a metody ochrany před zářením
5.4. Radiační monitorování a osobní dozimetrie
5.5. Otevřené radionuklidy. Vnější a vnitřní kontaminace
5.6. Radiační ochrana na pracovištích s ionizujícím zářením
5.7. Radiační zátěž při radiační diagnostice a terapii
5.8. Legislativní zabezpečení radiační ochrany

5.1. Účinky záření na látku. Základní veličiny dozimetrie

Fyzikálně-chemické účinky ionizujícího záření
V §1.6 "Ionizující záření" jsme se podrobně zabývali vlastnostmi různých druhů záření a jeho interakcemi s látkovým prostředím; bylo to však především z pohledu fyziky záření, tj. vlivu látkového prostředí na šíření záření, jeho absorbci, rozptyl či konverzi na jiné druhy záření. Zde se budeme interakcemi záření zabývat z pohledu vlastní látky vystavené záření, tj. účinků záření na fyzikální a chemické vlastnosti látky. Zvláštní pozornost pak bude věnována účinkům záření na živou tkáň.
  Již sám název "ionizující záření" (viz definici v §1.6) napovídá, že primárním fyzikálním účinkem tohoto záření na každou látku je ionizace - z původně elektricky neutrálních atomů jsou vyráženy záporné elektrony, čímž se tyto atomy mění v kladně nabité ionty. Vliv této ionizace na ozařovanou látku rozhodujícím způsobem závisí na jejím atomovém složení:

Základní veličiny dozimetrie
Dozimetrie ionizujícího záření je obor radiační fyziky, který se zabývá účinky záření na látky ve vztahu k druhům a vlastnostem interakce záření s látkou a k množství záření, pohlceném v látce (pohlcená energie - "dávka"). Studovanou látkou je především živá tkáň, modelová měření dávek a dávkových příkonů se provádějí ve vodě, vzduchu a speciálních dozimetrických fantomech. Navazuje na fyzikální mechanismy interakce záření s látkami, podrobně rozebíranými v §1.6 "Ionizující záření".
  Míra fyzikálně-chemických účinků záření na látku (jakož i indukovaných účinků biologických, pokud ozařovanou látkou je živá tkáň) je úměrná koncentraci iontů vzniklých v daném objemu látky. A tato koncentrace iontů je zase úměrná energii záření, která se v daném objemu látky absorbovala. Základní dozimetrickou veličinou, která nám charakterizuje fyzikálně-chemické a posléze i biologické účinky záření na látku, je absorbovaná radiační dávka:

Pozn.: Při hodnocení účinku nepřímo ionizujícího záření na látku se můžeme ještě setkat s veličinami expozice a kerma, zvláště ve starší literatuře.
   Kerma (zkratka z angl.: kinetic energy released in material - kinetická energie uvolněná v materiálu) má velmi podobou definici K = DE/Dm a stejnou jednotku [Gy] jako absorbovaná dávka, přičemž za DE se bere součet počátečních kinetických energií všech nabitých částic uvolněných v důsledku interakce částic primárního ionizujícího záření v uvažovaném objemu látky o hmotnosti Dm. Kerma se zavedla proto, že základní definice dávky, zahrnující jen přímo ionizující částice, nedávala informaci o tom, co se děje v okolí sledovaného objemu látky, zvláště v případě nepřímo ionizujícího záření. Pro nabité primární částice není mezi kermou a dávkou rozdíl. I u nepřímo ionizujícího záření v rovnovážném stavu, kdy se sekundárně vznikající záření absorbuje, platí K=D; pouze v nerovnovážných procesech, v blízkosti povrchu látky či při vysokých energiích, kdy může část záření unikat, bude KąD, přičemž rozdíly nebývají v praxi velké. U nepřímo ionizujícího záření (fotony g, neutrony) kerma charakterizuje energii předanou nabitým částicím v látce (elektronům a protonům) především při první srážce. U kermy je třeba specifikovat, k jaké látce se vztahuje (např. kerma ve vzduchu či kerma v tkáni). Pro záření gama o energii menší než 3MeV hodnoty obou veličin (kermy a dávky) prakticky splývají.
   Expozice je definována jako poměr absolutní hodnoty DQ celkového elektrického náboje iontů jednoho znaménka, které byly uvolněny při interakci fotonů (X nebo gama) v hmotnostním elementu vzduchu o hmotnosti Dm, při úplném zabrzdění všech vzniklých elektronů a pozitronů: DQ/Dm, vztažený na jednotku hmotnosti tohoto vzduchu. Jednotkou expozice je coulomb na kilogram [C.kg-1] (dřívější jednotkou byl rentgen, přičemž 1R=0,258 C.kg-1). Do tohoto celkového elektrického náboje DQ se přitom započítává pouze náboj iontů uvolněný interakcí primárních fotonů a interakcí sekundárních elektronů uvolněných z atomů vzduchu, nezapočítává se další náboj, který může vzniknout absorbcí brzdného záření emitovaného elektrony (popř. charakteristického X-záření). Pro vysoké energie fotonů g (vyšší než 2-3MeV), kdy dodatečnou ionizaci způsobenou brzdným zářením nelze zanedbat, již veličina expozice nezachycuje objektivně účinek takového záření.
   Podobně jako u radiační dávky, i u kermy a expozice se definuje kermový příkon a expoziční příkon, jakožto přírustek kermy či expozice za jednotku času (1sekundu); místo slova "příkon" se dříve používal výraz "rychlost".
   Obě tyto veličiny, expozice a kerma, se v dozimetrické praxi již většinou opouštějí, používají se ještě okrajově při primární etalonáži svazků záření (např. v radioterapii, radiodiagnostice). V literatuře z oblasti radiodiagnostiky a radioterapie však ze setrvačnosti terminologicky často přetrvávají.

  Základní dozimetrická veličina - absorbovaná dávka - v sobě nezahrnuje okamžité lokální rozložení energie přenesené na látku, které může ovlivnit konkrétní procesy fyzikálních, chemických (a zvláště pak biologických) účinků ionizujícího záření. Proto se zavádí další veličina, která popisuje míru ztrát energie podél dráhy částice v látce, a tím také míru brzdění částice a hustotu vytvářených iontů podél dráhy:

Radiobiologická účinnnost záření; dávkový ekvivalent, efektivní dávka
Z hlediska biologických účinků ionizujícího záření na ozařovanou látku (popsaných níže) se záření dělí podle hustoty ionizace, kterou v látce při svém průchodu vyvolává:
¨ Záření řídce ionizující - záření X, gama, beta.
¨ Záření hustě ionizující - záření alfa, neutronové záření, protonové záření *).
*) Toto platí pro nízkoenergetické záření, do zhruba desítek MeV. Vysokoenergetické (cca 100MeV) protonové záření, jakož i a či těžké ionty, je však po většinu své dráhy v látkách řídce ionizující. Teprve na konci dráhy, v oblasti Braggova píku, je hustota ionizace vysoká - viz obr.1.6.1 v §1.6 "Ionizující záření".
  Jelikož biologická účinnost různých druhů záření se může značně lišit (v závislosti právě na hustotě ionizace), pro účely radiobiologie a radiační ochrany se pro každý druh záření zavádí tzv. jakostní faktor Q (nazývaný též "radiační váhový faktor" wR nebo "relativní biologická účinnost"), který udává, kolikrát je daný druh záření biologicky účinnější než záření fotonové - X nebo gama (za základ se bere rentgenové záření o energii 200keV).
  Hodnota jakostního faktoru Q závisí na druhu a energii záření. Pro záření X, gama a beta je jakostní faktor Q=1, pro neutrony Q » 2-5 (pomalé neutrony s energií do 10keV, nebo zase pro velmi rychlé neutrony s energií >20MeV), 10-20 (rychlé neutrony 100keV-20MeV), pro protony Q»5, pro záření alfa je dokonce Q » 20 (stejně jako pro těžká jádra a štěpné produkty).
  Pro objektivnější posouzení účinku záření se s pomocí jakostního faktoru Q v oblasti radiobiologie a radiační ochrany zavádí "korigovaná" dávková veličina, která již zohledňuje i rozdílnou biologickou účinnost jednotlivých druhů záření:

   Různé tkáně a orgány v těle jsou různě citlivé k záření a jejich radiační poškození vede k různě závažným následkům pro celý organismus. Pro každý orgán a tkáň se na základě statistických analýz zavádějí vlastní koeficienty rizika vzniku poškození zářením. Pomocí těchto koeficientů pak můžeme stanovit (odhadnout) riziko poškození organismu, vyplývající z expozice ionizujícím zářením. Pro účely radiační ochrany se proto zavádí veličina:

   Efektivní dávka HE se tedy vypočte pomocí příspěvků ekvivalentních orgánových dávek HT všech jednotlivých ozářených tkání: při sčítání se každá orgánová ekvivalentní dávka HT vynásobí svým tkáňovým váhovým faktorem wT, který vyjadřuje příspěvek poškození právě toho konkrétního orgánu nebo tkáně k poškození celého těla, vyvolaného účinky rovnoměrného celotělového ozáření. Pomocí efektivní dávkyHE lze tak převést účinky ozáření jakékoli tkáně, orgánu nebo části těla na srovnatelné účinky, vzniklé rovnoměrným ozářením celého těla. Výhodou efektivní dávky je, že umožňuje vyjádřit radiační zátěž jediným číslem (jednotkou je samozřejmě zase Sv) i při nerovnoměrném ozáření, či ozáření jen určitých orgánů, jako kdyby se jednalo o radiační zátěž při rovnoměrném ozáření. To umožňuje porovnávat radiační zátěže osob z nejrůznějších zdrojů - např. z radioisotopových a rentgenových vyšetření, či z různých druhů radiofarmak v nukleární medicíně. Všechna tato hodnocení se vztahují na stochastické účinky záření.
   Pro posouzení dlouhodobých účinků záření z vnitřní kontaminace radioaktivní látkou – radiotoxicity - se dále zavádí tzv. dávkový úvazek, což je absorbovaná dávka ionizujícího záření, kterou způsobí v určitém orgánu nebo tkáni daná radioaktivní látka za dobu 50 let od jejího příjmu do organismu. Radiotoxicita je závislá nejen na fyzikálních parametrech radionuklidu (poločas rozpadu, druh a energie záření), ale i na chemických vlastnostech kontaminantu, které určují jeho metabolismus, distribuci do jednotlivých orgánů, biologický poločas, způsob vylučování (viz níže §5.5, část "Vnitřní kontaminace").

Fyzikální a biofyzikální dozimetrické veličiny
Je třeba upozornit na rozdílnou povahu dozimetrických veličin. Dávka, kerma, expozice, lineární přenos energie a další jsou fyzikální dozimetrické veličiny, které mohou být (aspoň v principu) stanoveny na základě čistě fyzikálních měření. Dávkový ekvivalent a efektivní dávka jsou však biofyzikální dozimetrické veličiny, určené pro radiační ochranu - ze základních fyzikálních veličin vznikají přepočtem pomocí empirických fyzikálně-biologických koeficientů - jakostního faktoru Q a tkáňových váhových faktorů wT. Nejsou přímo měřitelné. Je třeba dále rozlišovat, které veličiny se vztahují na stochastické a nestochastické radiační účinky.

5.2. Biologické účinky ionizujícího záření

Mechanismy účinku záření na živou hmotu
Jak bylo již výše uvedeno, primárním působením ionizujícího záření na látku je excitace a ionizace atomů, která může vést k chemickým účinkům a v případě živé tkáně k biochemickým změnám. Základními stavebními jednotkami všech živých tkání jsou buňky. Pro pochopení biologických účinků ionizujícího záření jsou proto rozhodující mechanismy působení záření na buněčné a subcelulární úrovni. A to v návaznosti na chemické a biochemické účinky ionizujícího záření na molekulární úrovni.
   Účinky záření na živou tkáň a organismy se z biologického a medicínského hlediska zabývá speciální obor radiobiologie. Detaily tohoto oboru se zde zabývat nebudeme, leží většinou mimo rámec našeho fyzikálního pojednání. Zmíníme zde jen ty poznatky, které jsou důležité z fyzikálního hlediska, pro aplikace záření v medicíně a biologii a též z hlediska metod radiační ochrany.
Volné radikály 
Jedním ze základních chemických jevů při ozáření látek, zvláště látek obsahujících vodu a složitější sloučeniny, je tvorba volných radikálů. Volné radikály jsou takové atomy a molekuly, které mají na poslední orbitě elektronového obalu jeden nebo více nespárovaných elektronů. Takový atom či molekula je pak značně nestabilní a reaktivní*). Snaží se dostat do rovnovážného stavu tím, že získá z okolních molekul jiný elektron "do páru". Při této reakci se molekula, která elektron ztratila, může stát novým radikálem.
*) Kromě volných radikálů podobné vlastnosti vysoké reaktivity vykazjí i některé jiné látky, jejichž molekuly nemají nepárové elektrony. Je to např. peroxid vodíku H2O2, kyselina chlorná, nebo atomární kyslík O1. I tyto látky vznikají při ozáření a podílejí se na biologických účincích (zvláště za zvýšené přítomnosti kyslíku - viz niže "kyslíkový efekt").
  Volné radikály vstupují v biologickém prostředí do mnoha reakcí. Je to např. lipoperoxidace tuků (za vzniku aldehydů), oxidace proteinů, glykace proteinů s glukózou, změny v řetězcích RNA a DNA, které mohou vést k smrti buňky nebo k k mutacím (viz níže).
  Během miliónů let evoluce se organismy částečně "naučily" využívat volné radikály i ke svému prospěchu. Příkladem jsou bílé krvinky obsahující prekurzory a enzymy, které jsou schopné generovat volné radikály; ty se pak účastní likvidace bakterií ve fagocytech. Z hlediska biologických účinků záření se zde však budeme zabývat především takovými reakcemi volných radikálů, které vedou k poškození buněk.
  Určitými "protivníky" volných radikálů jsou antioxidanty. Tyto látky buď zabraňují vzniku volných radikálů, nebo volný radikál přednostně oxiduje tuto látku, což působí proti oxidaci uvnitř buňky. Nejznámějším antioxidantem je kyselina askorbová (vitamín C), kyselina močová (v krevní plazmě zabraňuje vzniku hydroxilových radikálů), cystein, kyselina listová; z prvků pak např. selén, hořčík, zinek, chrom, ...
Buňky - základní jednotky živých organismů 
Všechny živé organismy jsou tvořeny buňkami *) - drobnými útvary či "komůrkami" ohraničenými buněčnou stěnou (cytoplasmatická membrána - lipoproteinová se 2 vrstvami fosfolipidů) a uvnitř naplněnými viskózním vodním koloidním roztokem různých chemických látek, především složitých organických makromolekul. Obor bilogie, studující buňky, jejich stavbu a funkci, se nazývá cytologie (řec. cytos=dutina).
*) Poprve pozoroval buňky korku již v r.1665 R.Hooke pomocí jednoduchého mikroskopu, další buňky pak dokonaleji A.Leeuwenhoek. Název buňka (lat. cellula; cella=komora) vznikl z podobnosti s buňkami v plástvích včelího medu. O vznik nauky o buňkách - cytologie - se významně zasloužil i J.E.Purkyně. Teprve objev buněk a postupné poznávání složitých biochemických reakcí, probíhajících v buňkách na molekulární úrovni, přeměnilo koncem 19. a ve 20. stol. biologii a medicínu z popisné empirické nauky (popis druhů, "počítání okvětních lístků a tyčinek", vnější projevy nemocí, ...) na skutečnou vědu, umožňující na jednotném exaktním základě pochopit podstatu a fungování života, za fyziologických i patologických situací. Výzkum složitých biochemických pochodů na subcelulární úrovni bude ještě dlouho pokračovat.
   V základní náplni buňky, zvané cytoplasma (řec. cytos=dutina, plasma=výtvor), se "vznášejí" složitější struktury - organely. Tekutá část cytoplasmy, což je vodní gel velkých i malých molekul, se nazývá cytosol. Cytoplasma je tvořena především koloidním roztokem bílkovin (proteinů) - jsou to polypeptidové řetězce lineárních polymerů aminokyselin. Primární struktura proteinů je dána pořadím aminokyselin v polypeptidovém řetězci (peptidová vazba představuje spojení C-N mezi dvěma aminokyselinami, vedoucí k přítomnosti peptidové skupiny -CONH-). V proteinech se vyskytuje 20 druhů aminokyselin jak alifatických (alanin, glycin, leucin, valin, ...), tak aromatických (s benzénovým jádrem - fenylalanin, tyrosin, tryptofan, ...), dále kyselých (kys. asparágová, glutamová), zásaditých (lysin, histidin, arginin), s vázanou sírou (cystein, methionin) a několik dalších. Lineární polypeptidové řetězce se formují do prostorové (3D) struktury v důsledku vytváření vodíkových vazeb mezi skupinami hlavního řetězce proteinu - sekundární struktura buď pravidelná repetitivní (helikální, ohyb a skládání vláken), nebo nepravidelná a kompaktní, příp. složitější spojování různých vláken a sekvencí (terciální struktura). Některé druhy bílkovin jsou základními stavebními molekulami buněk, jiné druhy proteinů svými složitými chemickými reakcemi vykonávají specifické funkce buněk a tkání.
   Chemické reakce probíhající v buňkách jsou řízené a vysoce organizované, přičemž základní řídící úlohu hraje složitá molekula DNA (deoxiribonukleová kyselina, viz níže). Buňky mají schopnost látkové výměny, růstu a vytváření svých vlastních "kopií" rozdělením jedné buňky ve dvě (o asymetrickém dělení na kmenové a efektorové buňky viz níže). Nejjdnodušší formy života, jednobuněčné organismy, jsou tvořeny samostatnými buňkami. Vyšší mnohobuněčné organismy jsou tvořeny společenstvím velkého počtu buněk, zpravidla diferencovaných, kde různé buňky vykonávají své různé specifické funkce, koordinované chemickými regulačními mechanismy a "komunikačními systémy".
  Tak složitý fenomén jako je život prošel velmi dlouhým a komplikovaným vývojem, jehož řadu etap zatím neznáme (o evoluci žitota viz práci "Antropický princip aneb kosmický Bůh", pasáž "Vznik a evoluce života"). Z hlediska stavby a vývoje je možno buňky rozdělit na dvě základní skupiny:
   Prokaryota (řec. pro=před, karyon=jádro, buňky bez jádra), jejichž DNA cirkulárního tvaru je obnažena a volně plave v cytoplasmě v útvaru zvaném nukleotid. Prokaryoty jsou primitivní nejstarší vývojovou formou buněk, nyní se vyskutují jako bakterie. Rozeznáváme dvě skupiny bakterií: eubakterie, které sy vyskytují ve velkém množství v našem životním prostředí; archebakterie, žijící v prostředí pro jiné organismy nehostinném (horké prameny, mořské dno, kyselé či zásadité prostředí). Rozměry bakterií se pohybují v rozmezí cca 1-10mm. Tyto evolučně velmi staré druhy buněk tvoří jednobuněčné organismy, nevytvářejí žádné funkčně diferencované tkáně, mohou se pouze sdružovat do kolonií.
   Eukaryota (řec. eu=normální,správný, karyon=jádro - tedy "pravojaderné"), jejichž DNA (lineární, spirálového tvaru) je soustředěna především v buněčném jádře, kde je sdružena s histony v chromosomech, které jsou vícečetné a obsahují i další chromosomální proteiny. Enzymy zajišťující respiraci a látkovou výměnu jsou soustředěny v organelách, kteými jsou zvláště mitochondrie a lysosomy (viz níže). Tyto buňky mají dále tzv. cytoskelet - soustavu pružných vláken (tvořených mikrofilamenty a tenkými dutými trubicemi - mikrotubuly) v protoplasmě, poskytujících strukturám buněk mechanickou oporu; zprostředkovávají též intracelulární přesun složitých molekul mezi jádrem a dalšími organelami (při dělení buněk pak vytvářejí mitotické vřeténko). Eukaryotické buňky mají relativně větší rozměry, cca 5-100mm. Vedle jednobuněčných organismů vytvářejí organizovaná společenství mnohobuněčných organismů s buňkami funkčně specializovanými do tkání a orgánů, včetně člověka. V dalším textu budeme uvažovat pouze buňky eukaryotické, především somatické buňky začleněné do tkání a orgánů. Na obrázku je znázorněno jen velmi zjednodušené schéma stavby buňky, se zvětšenými výřezy z buněčné stěny (cytoplasmatické membrány), cykloskeletu (mikrotubulus), jádra (DNA nesená histonem) a struktury DNA (některé nukleotidy).
  
DNA, RNA, proteiny, chromosomy, telomery
  Veškerý mechanismus organizace života buněk je založen na spolupracující soustavě nukleových kyselin DNA, RNA a proteinů: v DNA je uložena informace, která se přepisuje do RNA, která následně slouží jako matrice pro výrobu proteinů. Různé druhy proteinů jsou nejen základními stavebními prvky v buňkách a tkáních, ale jsou i nositeli funkce buněk a tkání (enzymy). Z chemického hlediska je život velmi složitá soustava molekul, která se umí sama organizovat, metabolizovat s využitím chemické vazbové energie, růst, reprodukovat se a v delších časových obdobích se i vyvíjet.
   DNA je velmi složitá dlouhá makromolekula, která má u eukaryotických buněk tvar dvojité spirály (obr.5.2.2). Z chemického hlediska má DNA polymerní strukturu - je tvořena řetězcem opakujících se a vzájemně spojených podobných stavebních jednotek zvaných nukleotidy, které jsou tvořeny fosfátem, deoxyribózou (druh cukru s 5 uklíky - pentóza), purinovou a pyrimidinovou bází (dusíkaté heterocyklické sloučeniny). Nukleotidy se liší zastoupením 4 různých bazí: adenin A, guanin (purinová báze) G, cytosin C, thymin (pyrimidinová báze) T, jejichž jedinečné seskupení v řetězci je podkladem dědičné informace uložené v DNA - genetického kódu. Tvoří triplety, z nichž každý kóduje jednu aminokyselinu. DNA tak obsahuje informaci o struktuře bílkovin složených z těchto aminokyselin. Obě koncové části DNA jsou opatřeny tzv. telomery (řec. telos=konec, meros=část) - okrajovými "zakončovacími" komplexy opakujících se sekvencí (např. TTAGGG), které chrání konce chromosomů před nežádoucími chemickými vazbami, jakož i před "falešným" vyhodnocením koncové části jako zlomu DNA (a nastartování reparačních mechanismů či apoptózy).
   Úseky DNA se specifickou funkcí, nazývané geny, jsou při dělení buňky schopny vytvářet své vlastní přesné kopie, které se tak přenáší do dalších generací. DNA je tvořena dvěma navzájem spirálovitě obtočenými řetězci, které jsou navzájem komplementární, jejich baze jsou přesně spárovány vodíkovými můstky. Páry bazí C-G, A-T (Watsonovo-Circkovo párování) vytvářejí jakési "stupínky žebříku" DNA. Tato struktura umožňuje replikaci: ke každému z řetězců je možno utvořit řetězec nový, zcela totožný s původním. Při buněčném dělení je DNA schopna přesně reprodukovat samu sebe a přenášet tak genetickou informaci na další generace buněk. O dělení buněk a buněčném cyklu je pojednáno níže v části "Účinek záření na buňky", pasáž "Radiační účinky během buněčného cyklu".
   Při většině běžných replikací však nedochází k úplné syntéze konců DNA obsahujících telomery - dochází ke zkracování telomerů. Vede to při každém dělení k postupnému snižování ochrany konců DNA, což nakonec vyústí ve ztrátu mitotické schopnosti buněk. Při přílišném zkrácení již telomery nechrání dostatečně konce chromozomů, což buněčné kontrolní mechanismy vyhodnotí a zastaví buněčný cyklus (takové buňky zůstávají v G1 fázi buněčného cyklu). Mitotické zkracování telomerů u DNA je hlavním mechanismem procesu "stárnutí" buněk, zvaného senescence *) - viz též níže "Radiační účinky během buněčného cyklu". Zkracování telomerů funguje jako "mitotické počítadlo" - eukaryotické buňky mohou dosáhnout jen určité hranice v počtu svých dělení, tzv. Hayflickův limit (cca 40-60 cyklů); pak již schopnost dělení ztrácejí, dochází ke stárnutí (senescenci) buněk. Prokaryotické buňky, které mají kruhově uspořádanou DNA bez telomerů, se však mohou dělit neomezeně.
*) Stárnutí buněk je patrně multifaktoriální proces, zahrnující jak nitrobuněčné "programové" molekulární mechanismy, tak i časově se kumulující exogenní škodlivé faktory ovlivňující životaschopnost buněk. Uplatňuje se progresívní poškozování buněk reaktivními formami kyslíku a dusíku v průběhu života tkání, při stále se snižující kapacitě antioxidačních mechanismů.
   Existuje však speciální enzym zvaný telomeráza (je to komplex složený z RNA a proteinů, obsahující sekvence sloužící jako předloha pro syntézu sekvencí telomeru u DNA - reverzní transkriptáza), který je schopen dosyntetizovat koncové sekvence telomerů a zabránit tak jejich zkracování při dělení buněk. Takové buňky jsou pak schopné neomezeného dělení (immortilizace - "nesmrtelnost" buněk), což fyziologicky probíhá pouze v dělících se embryonálních buňkách, zatímco patologicky se uplatňuje u buněk nádorových (§3.6 "Radioterapie").
   Pozn.: K mitotickému zkracování telomerů dochází pouze u eukaryotických buněk s lineárně uspořádanou DNA, kde polymeráza není schopna zajistit úplnou replikaci koncových částí. U prokaryotických buněk (bakterií) s kruhově uspořádanou DNA bez telomerů se limit v počtu dělení neuplatňuje.
   Tzv. genová exprese, při níž se v genu DNA uložená informace převádí a realizuje na konkrétní buněčné struktuře nebo funkci, probíhá ve dvou etapách. Nejprve nastane transkripce (přepis, kopie), kdy se vytvoří informační RNA (mRNA - messenger RNA), jejíž vlákno je kopií sekvence bazí jednoho z vláken dvojšroubovice DNA. Jednovláknová lineární molekula mRNA se po ukončení transkripce oddělí a putuje do cytoplasmy. Pak proběhne translace (překlad, přepis) mRNA do proteinu, jehož sekvence aminokyselin je kódována mRNA jako matricí; tato druhá etapa - syntéza proteinů - probíhá v ribosomech. Při této dvoustupňové proteosyntéze vzniklé bílkoviny pak realizují příslušnou funkci v buňce nebo organismu.
  DNA je lokalizována v buněčném jádře v chromosomech (řec. chromos = barva, soma = tělo) - specifických strukturách, po obarvení (klasickými barvivy Giemsa-Romanowského, nebo fluorescenčními barvivy) pozorovaných v optickém mikroskopu. Chromozomy jsou složeny z bílkovinových nosičů, tzv. histonů (jsou to malé bazické nukleoproteiny s vysokým obsahem kladně nabitých aminokyselin, vytvářejících komplexy s DNA), kolem nichž je "omotána" molekula DNA. Chromozomy v buňkách jsou uspořádány v sadách, přičemž počet chromozomů v jedné sadě (tzv. monoploidní číslo x) je za normálních okolností stejný pro každou buňku v určitém organismu; u člověka je to x=23 chromozomů. Počet homologních sad chromozomů v buňce, tzv. ploidie, je u různých druhů organismů odlišná. U člověka je většina buněk diploidní (2 sady chromozomů, 23 od matky a 23 od otce), pohlavní buňky jsou však haploidní (jen jedna sada 23 chromozomů). Vyšší počet chromozomových sad než 2 se označuje jako polyploidie (triploidie-3, tetraploidie-4, hexaploidie-6, ...); vyskytuje se často u rostlin, sehrála pravděpodobně důležitou úlohu při evoluci.
  Některé chemické látky mohou proniknout do buněčného jádra, vstupovat do interakce s DNA a modifikovat ji takovým způsobem, že nemůže úspěšně předávat genetické informace při dělení buněk. Takové látky mohou zpomalit nebo zastavit buněčné dělení - nazývají se cytostatika. Takto postižené buňky posléze podléhaí mitotické smrti, především formou apoptózy. Podobný účinek má i ionizující záření, což bude níže podrobněji diskutováno.
Buněčná stěna 
poskytuje ochranu buňkám, separuje buňky od okolního prostředí a od ostatních buněk, odděluje pochody v buňce probíhající a zprostředkovává regulace buněčných funkcí tím, že působí jako selektivní bariéra - membrána. U eukaryotických buněk je buněčná stěna tvořena dvouvrstvou fosfolipidovou membránou. Buňky přijímají chemické "signály" ze svého okolí (a příp. od ostatních buněk) a reagují na ně. U jednoduchých bakterií se to omezuje na vnímání zvýšené koncentrace živin, avšak u mnohobuněčných organismů fungují složitější a rozvinutější formy komunikace s prostředím, včetně mezibuněčné komunikace. Mezibuněčná komunikace zahrnuje celý řetězec: vyloučení signální molekuly (např. hormonu) vysílající buňkou ® transport signální molekuly k povrchu cílové buňky ® registrace molekuly receptorem na povrchu buňky ® přenos signálu dovnitř cílové buňky ® odpověď buňky - vyvolání biochemických nebo biofyzikálních změn v cílové buňce. Malé hydrofobní molekuly podobné aminokyselinám (jako je acetylcholin, dopamin, histamin, ...) mohou do buňky pronikat přímo difuzí přes fosfolipidovou dvojvrstvu plasmatické membrány. K výměně některých iontů mezi buňkou a okolím slouží transmembránové proteiny, které vytvářejí tzv. iontové kanály. Na povrchu buněk se nacházejí tzv. receptory - specifické molekuly, které jsou schopny rozeznat jiné určité molekuly v okolí, chemicky je navázat a transportovat dovnitř buňky, nebo iontovým kanálem ovlivnit tok iontů skrz plasmatickou membránu. Látka (molekula), která je schopna se vázat na buněčný receptor, se nazývá ligand (lat. ligo=vázat).
Cytoskelet - kostra a nositel funkcí buňky 
Cytoskelet - "buněčná kostra" (buněčná "mřížka" či matrix) - je systém mechanické opory a "výztuže" eukaryotických buněk. Je tvořen složitým pletivem vláknitých proteinových struktur v cytoplasmě. Tyto struktury jsou trojího druhu:
- Mikrofilamenty (lat. filamentum=nit,vlákno) jsou nejtenší vláknité struktury (tloušťky cca 5-7nm), které svou kontraktilitou vykonávají pohyb buněk jako celku, s použitím energie získávané štěpením ATP (viz níže). Mikrofilamenty jsou ve zvýšené míře obsaženy např. ve specializovaných buňkách svalových vláken.
- Intermediální filamenty jsou tvořeny o něco tlustšími proteinovými vlákny (cca 10-15nm) a zajišťují mechanickou stabilitu buněk a tkání vůči mechanickému namáhání.
- Mikrotubuly (lat. tubulus=trubice,rourka) jsou nejtlustší a nejsložitější struktury cykloskeletu (průměr cca 20-30nm). Jsou to tenké duté trubice složené z proteinu zvaného tubulin, uspořádaného do dlouhých řetězců dimerových jednotek, v nichž se střídají molekuly alfa- a beta-tubulinu. Tato vlákna se šroubovicově stáčejí (13 dimerů alfa a beta tubulinu tvoří jeden úplný závit) a jednotlivé závity jsou "bočně" vázány do trubice. Molekuly tubulinu obsahují vazná místa pro guanosintrifosfát (GTP). Polymerace tubulinu, spojená s prodlužováním mikrotubulů, se děje postupným navazováním na tom konci mikrotubulu ("+" konec), který obsahuje beta-tubulin s navázaným GTP. Hydrolýzou GTP vzniká GDP (guanosindifosfát) a další růst vlákna se přeruší. Opačný proces k polymeraci - disociace, spočívající v oddělování dimerů tublinu z konce vlákna obsahujícího alfa-tubulin ("-" konec), vede k postupné depolymeraci a zkracování mikrotubulů. Sestavování a rozklad mikrotubulů je řízen proteiny zvanými MAP (Microtubule Associated Proteins). Podél mikrotubulů dochází k transportu řady důležitých molekul v buňce. Je to prostřednictvím speciálních látek (zvaných kineziny), které mají vazebná místa pro různé molekuly, pohybují se po dutých vláknech mikrotubulů (pomocí vazeb "molekulových motorů" dineinu, které se tyčinkovými výběžky kontaktují s mikrotubuly) jako po "lanovce" a přenášejí tak dočasně navázané molekuly. Mikrotubuly jsou svými konci ("-") "ukotveny" v centrální části buňky v tzv. centrozomu, tělíska v těsné blízkosti jaderné membrány, které hraje důležitou úlohu při dělení buněk.
  Na rozdíl od obvyklého pojetí sketetu (kostra člověka, skelet stavby) není cytoskelet neměnnou pevnou s tuhou strukturou, ale vysoce pružným a dynamickým systémem, který je neustále podle potřeb buňky přestavován. Změny struktury a velikosti jednotek cytoskeletu jsou způsobeny polymerací a depolymerací (rozkladem, disociací) proteinů do podoby řetězců a vláken (s příp. šroubovitou prostorovou strukturou - u mikrotubulů). V buňce je neustálá zásoba cytoskeletálních proteinů (tubulin, aktin); tyto monomery pak polymerizují do struktur cytoskeletu, nebo se naopak rozpadají zpět na monomery. Cytoskelet transformuje chemickou energii v mechanickou - je zodpovědný za všechny druhy buněčných pohybů, vnitrobunečných (přesun organel, dělení buněk) i extrabunečných (pohyb buněk, bičíků, řasinek...). Dále cytoskelet propojuje navzájem jednotlivé bunečné struktury. A to nejen mechanicky. Podél vláken cytoskeletu, především mikrotubulů, dochází k interakcím různých proteinů a přenosu chemických signálů, nezbytných pro regulaci buněčných pochodů. Zprostředkovává intracelulární přesun složitých molekul mezi jádrem a dalšími organelami, podílí se i na dělení buněk (při dělení buněk vytváří mitotické vřeténko).
  U somatických buněk, které jsou součástí tkání a orgánů, na cytoskelet navazuje vně buňky tzv. extracelulární matrix: systém proteinových fibrových a kolagenních vláken (lat. fibra=vlákno, řec. kolla=klíh), spojujících buňky a držících je pohromadě v tkáních a orgánech. Zajišťuje spojení mezi buňkami, udržuje integritu a tvar tkání, přenáší pohyb. Samotný mezibuněčný prostor je vyplněn kapalinou gelové konzistence (intersticiální tekutina, "tkáňový mok"), sloužící k přenosu živin a kyslíku k buňkám a odvodu odpadních látek metabolismu.
Buněčné organely 
Důležitými organelami v buňce jsou mitochondrie (řec. mitos=vlákno, chondros=zrno - mívají rozmanitý tvar od protáhlých vláken až po kompaktní zrna), jejichž hlavní funkcí je produkce chemické energie ve formě molekul ATP (adenosin-tri-fosfát) C10H8N4O2NH2(OH)2(PO3H)3H. Molekuly ATP, které jsou "přenašeči energie" v buňkách, vznikají v mitochondriích oxidací citrátů a mastných kyselin (Krebsův cyklus, oxidace vodíku, oxidační fosforylace). V místě potřeby se ATP oxidací mění na ADP (adenosindifosfát+P), nebo AMP (adenosinmonofosfát+2P) za uvolnění značné energie (cca 57J/g). Mitochondrie se někdy označují za "elektrárny" buňky, v nichž probíhá oxidace živin, především glukózy, za vzniku oxidu uhličitého, vody a výstupního ATP, jehož energie je v buňkách využívána pro endotermické procesy - syntézu makromolekul, transport molekul proti gradientu, buněčný pohyb (včetně svalové kontrakce), tvorba elektrických potenciálů v membránách, produkci tepla. Mitochondrie vznikají v buňkách průběžně binárním dělením ("pučením", podobně jako bakterie) nezávisle na buněčném cyklu; obsahují svou vlastní mitochondriální DNA, úplně jinou než jaderná DNA. Mitochondrie mají zajímavý evoluční původ: vyvinuly se patrně před asi 1,5 miliardou let z bakteriálních předků při endosymbióze prvotních eukaryotických buněk s určitým druhem bakterií (podobných protobakteriím řádu Rickettsiales), které fagocytovaly. Buňka získávala z okolí kyslík a živiny, ty předávala bakteriím - budoucím mitochondriím - které je metabolizovaly na energetické molekuly pro vlastní potřebu i potřeby celé buňky. Taková symbióza se ukázala oboustranně výhodná. Kruhová DNA, podobná prokaryotním nukleotidům, je v mitochondriích dosud a zajišťuje jejich částečnou genetickou autonomii.
  U rostlinných eukaryotických buněk se místo mitochondrií vyskytují chloroplasty (jakési fotoelektrické "baterie"), jejichž obdobný evoluční původ se odvozuje od sinic.
  Dalšími organelami v buňce jsou lysosomy ("rozkladná tělíska" - "trávicí měchýřky"), v nichž probíhá chemický rozklad - hydrolýza- různých složitějších organických látek (cukrů, tuků, nukleových kyselin, bílkovin) v kyselém prostředí s mnoha různými enzymy. Produkty tohoto rozkladu mohou být pak zpracovány v mitochondriích za vzniku energetických molekul ATP, které "roznášejí" kinetickou energii potřebnou k syntéze složitých látek a k dalším funkcím buněk.
  Ribosomy (ribonukleonproteinové částečky) jsou drobné organely nacházející se ve velkém počtu v cytoplasmě buněk a též na povrchu endoplastického retikula. Jsou složeny z RNA a proteinů, probíhá v nich syntéza proteinů z řetězce RNA pomocí translace - dekódování informace z mRNA, podle níž je sestavován výsledný řetězec aminokyselin. Ribosomy jsou jakési "linky na výrobu bílkovin".
  Poměrně velkým útvarem v buňce je endoplasmatické retikulum (v mikroskopu se jeví jako jakási "sraženina" v cytoplasmě) tvaru stočeného membránového listu. Skládá se ze dvou typů: drsného (granulárního) retikula, jehož povrch je posetý ribosomy (tyto granule způsobují "drsnost") a hladkého endoplasmatického retikula se sítí kanálků spojených s drsným retikulem. Tyto útvary hrají ústřední roli v syntéze proteinů, lipidů, steroidů a dalších látek v buňce. Golgiho komplex je soustava endomembránových váčků (vezikul) v blízkosti endoplasmatického retikula, sloužících k transportu a úpravě proteinů.
Další podrobnosti stavby buněk a jejich chemických a biologických funkcí leží již mimo rámec tohoto fyzikálně zaměřeného pojednání.
Dominantní účinek záření na DNA, genotoxicita 
Jak bylo výše zmíněno, ionizující záření způsobuje v živé tkáni chemické a biochemické změny, které obecně mohou poškozovat všechny části buněk, jednotlivé organely. O reakci buněk na ozáření však rozhoduje především chování DNA. Jaderná deoxiribonukleová kyselina (DNA) je biochemicky nejdůležitější makromolekulou v buňce - jsou v ní obsaženy základní informace o struktuře a funkci buňky.
  Makromolekuly DNA jsou dominantními "terči" pro biologické účinky ionizujícího záření - může zde docházet především ke zlomům cukro-fosfátového řetězce a ke změnám bazí. Např. oxidací na aminoskupině jako je adenin vzniká skupina OH, na kterou se místo thyminu váže cytosin - vzniká chyba v řazení aminokyselin do řetězce. Na dvojšroubovici DNA tak záření může způsobovat řadu poškození (viz obr.5.2.2b), z nichž hlavní jsou dva druhy přerušení či "zlomů":
× Jednoduché zlomy (SSB - single strand break),
poškozující pouze jedno vlákno DNA. Tyto zlomy si buňka zpravidla snadno opraví.
× Dvojité zlomy (DSB - double strand break),
postihující obě vlákna DNA. Zde je oprava podstatně obtížnější a často je neúspěšná. Dvojitý zlom struktury DNA vede často k zániku buňky - k jejímu letálnímu poškození.
O mechanismech oprav poškození DNA bude pojednáno níže - pasáž "Reparační procesy".
Fragmenty DNA, mikrojádra 
Při vzniku dvojitých zlomů DNA se často nepodaří tyto zlomy opravit. Může pak dojít k oddělení většího fragmentu DNA od původní dvoušroubovice DNA, který zůstává v cytoplasmě a při dělení buňky může přejít do cytoplasmy jedné z dceřinných buněk. Mikrojádra jsou fragmenty chromosomů, obalené jadernou membránou. Mívají velikost cca 1/10 jádra buňky a po chromatimovém obarvení jsou dobře pozovatelná v mikroskopu.
  Při radiační expozici sice dochází v buňkách k poškozování i jiných biochemických molekul v cytoplasmě, cytoskeletu či organelách - lipidů, sacharidů, proteinů a dalších. Těchto molekul je však v buňkách obsažen velký počet (a jsou průběžně doplňovány syntézou dalších molekul) a výraznější účinek záření by nastal až při poškození většího procenta těchto molekul; to nastává až při poměrně vysokých dávkách desítky a stovky Gy. K výraznému poškození DNA však dochází i při nižších dávkách (desetiny až jednotky Gy), kdy vliv na ostatní biochemické molekuly je ještě malý. Proto se při výkladu mechanismů účinků ionizujícího záření na buňky soustředíme především na účinky na DNA.
  Jelikož poškození DNA vede k narušení či změně genetických informací v buňce, hovoříme o genotoxických účincích ionizujícího záření a jím indukovaných chemických látek v buňkách. Pro škodlivé účinky ionizujícího záření na organismus, jednotlivé tkáně a orgány, se používá souhrnný název radiotoxicita.

Základní stádia účinku ionizujícího záření na organismus
Proces účinku ionizujícího záření na živou tkáň probíhá ve čtyřech význačných etapách lišících se svou rychlostí a druhem probíhajících procesů (příslušné procesy jsou schématicky zobrazeny na obr.5.2.1) :


Obr.5.2.1. Schématické znázornění význačných procesů a jejich časové posloupnosti při účincích ionizujícího záření na živou tkáň.
Pozn.: Měřítko na časové ose je v zásadě logaritmické, avšak v některých úsecích je poněkud upraveno tak, aby bylo možno přehledně zakreslit jednotlivé děje.

Z obr.5.1.1 je mimo jiné vidět, že ve většině případů interakce kvant ionizujícího záření s živou tkání nedochází k žádnému účinku. Je to tehdy, když:
J Dojde k rekombinaci volných radikálů dříve, než tyto stačí reagovat s biologicky důležitými látkami;
J Reaparační mechanismy na úrovni buňky úspěšně opraví poškození DNA či jiných látek;
J Buňky usmrcené zářením jsou rychle nahrazeny dělením zdravých buněk;
J Imunitní mechanismy organismu rozpoznají a zlikvidují geneticky zmutované buňky.
K radiačním účinkům na organismus dochází především za dvou okolností: 
N Když je organismus ozářen vysokou dávkou záření a zanikne příliš mnoho buněk, které organismus není schopen včas nahradit;
N Když reparační mechanismy na úrovni buněk neopraví úspěšně a správně všechna poškození a imunitní systém organismu včas nerozpozná a neeliminuje mutované buňky, které se dále dělí.
Všechny tyto situace, které vyústí nebo nevyústí v biologické účinky, budou rozebírány níže. 

Zásahová a radikálová teorie radiačního účinku
Snaha o vysvětlení účinků ionizujícího záření na živou tkáň vedla k vyslovení dvou základních teorií (či spíše představ) - starší zásahová a novější radikálová teorie :


Obr.5.2.2. Radiobiologické účinky na subcelulární úrovni. a) Zásahový a radikálový mechanismus účinku záření na živou tkáň.
Nahoře: Při vniknutí záření do makromolekuly DNA dojde k ionizaci a přímému destrukčnímu účinku. Dole: Ionizující záření interaguje s molekulou vody, dochází k radiolýze vody : H2O ® H+ + OH- - vzniku volných radikálů. Vysoce reaktivní radikály H+ a OH- napadají složité organické molekuly a chemicky je mění. Dochází k narušení DNA v jádrech buněk.
b) Různé typy poškození DNA vlivem záření a chemických vlivů (hrubé schématické znázornění). c) Radiační účinky během buněčného cyklu.

   Ve vodním prostředí (roztoku, suspenzi) závisí podíl přímého a nepřímého účinku na koncentraci molekul biologicky důležitých látek. Při ozařování vysušených vzorků se uplatňuje hlavně přímý účinek, u vodních roztoků je podíl nepřímého účinku zpravidla dominantní a tím větší, čím je nižší koncentrace. Uvnitř buněk se nachází vodní prostředí s poměrně vysokou koncentrací biologicky důležitých molekul - nepřímý mechanismus je zde sice dominantní, ale je nutno brát v úvahu i přímý účinek. Podíl přímého a nepřímého účinku dále záleží na tom, zda se jedná o řídce či hustě ionizující záření. Radikálový mechanismus nepřímého účinku převažuje u řídce ionizujícího záření. Hustě ionizující záření vytváří natolik vysokou koncentraci radikálů, že dochází k jejich časté rekombinaci dříve, než by tyto radikály mohly vstupovat do reakcí s biologicky důležitými molekulami - zvýšenou váhu proto může nabývat přímý účinek.
   Účinek ionizujícího záření závisí též na přítomnosti kyslíku - tzv. kyslíkový efekt. Za přítomnosti kyslíku vznikají při radiolýze vody silně oxidující peroxydové radikály, které reagují nevratně s atomy v DNA. Přítomnost kyslíku tedy zvyšuje radiační účinky, především u řídce ionizujícího záření (u hustě ionizujícího záření je v důsledku rekombinací radikálů kyslíkový efekt málo významný).

Teorie duální radiační akce, molekulárně-biologická teorie
Radikálová teorie byla později dále zdokonalena a upřesněna na základě poznatků molekulární biologie. Pro výsledný biologický účinek je významná nejen celková energie (dávka) předaná tkáni, ale i prostorová distribuce této energie v elementárních objemech, jakž i časové rozložení dávky. Mikrodozimetrickým rozborem distribuce dávky záření a sledováním chromozomálních aberací se zjistilo, že radiační poškození buňky závisí na hustotě ionizace v kritickém místě. Ukázalo se, že k poškození buňky je zapotřebí dosažení určité kritické hodnoty lokální hustoty energie v daném místě a čase (prokázali to v r.1972 H.H.Rossi a A.M.Keller). K poškození buňky dochází při kombinaci dvou primárních dějů *) odehrávajících se na dvojvláknech nukleové kyseliny DNA, tvořící jádro buňky, přičemž pravděpodobnost poškození je závislá na počtu vzniklých zlomů a na působení reparačních procesů - jedná se o komplexní molekulárně-biologický děj.
*) Porušení jen jednoho vlákna DNA mohou reparační mechanismy buňky (viz níže) zpravidla snadno opravit - jedná se o subletální ("potenciálně letální") poškození. Současné poškození obou řetězců DNA v blízkých místech vede většinou k letálnímu účinku na buňku. Buněčné reparační procesy na DNA neproběhnou okamžitě , ale mají určitou dobu trvání (cca desítky minut). Při vyšší intenzitě (dávkovém příkonu) i řídce ionizujícího záření se proto zvyšuje pravděpodobnost případů, že i zlom druhého vlákna DNA nastane dříve, než proběhne oprava prvního vlákna, čímž dochází zpravidla k letálnímu poškození buněk - jednotlivá subletální poškození se kumulují v letální. Biologický účinek pak závisí nejen na celkové radiační dávce, ale i na jejím časovém rozvržení - tzv. efekt dávkového příkonu (diskutovaný níže v části LQmodel); při vyšším dávkovém příkonu nastává větší radiobiologický účinek.
  Částice "řídce" ionizujícího záření, tj. beta a gama, vytvářejí při svém průchodu kritickým místem většinou pouze po jednom primárním narušení (zlomu), takže k definitivnímu vzniku poškození je třeba průchodu dvou jednotlivých částic daným místem rychle po sobě (tzv. b-proces) - počet těchto poškození pak závisí převážně na druhé mocnině dávky, pro menší dávky je poškození výrazně nižší. Částice "hustě" ionizujícího záření (alfa, neutrony, protony) jsou schopny při jediném průchodu kritickým místem vyvolat dvě a více primárních poruch (tzv. a-proces), což stačí ke vzniku reálného poškození, takže počet poškození, tj. radiační účinek, je zde přímo úměrný dávce záření; poškození zde vzniká snadněji, tyto druhy záření mají vyšší biologickou účinnost, což odráží výše uvedený jakostní faktor Q. Z matematické analýzy těchto dějů (a- a b-procesů, jakož i procesů buněčné reparace a repopulace) vychází tzv. lineárně-kvadratický LQ-model závislosti radiačního účinku na dávce; je odvozen a podrobně diskutován níže - pasáž "Vztah dávky a radiačního účinku", část LQmodel.

Účinky záření na buňky
Výše zmíněné mechanismy radiačních účinků na subcelulární úrovni vyúsťují v účinky na základní stavební jednotky všech živých tkání - na buňky. Při ozáření buňky příslušnou dávkou záření může dojít v zásadě ke dvěma význačným typům poškození (obr.5.2.1 vpravo):

  Ozáření buněk vede tedy k řadě škodlivých změn (radiotoxicita), z nichž sice značná část může být reparačními mechanismy organismu napravena, avšak část může vést ke zničení buněk a některé změny (např. v kódu DNA) mohou být trvalé nebo se mohou reprodukovat. Na účinky ionizujícího záření jsou citlivé zejména tkáně s intenzívním dělením buněk, jako jsou např. krvetvorné nebo nádorové, vyvíjející se plod (zvláště v počátečních stádiích vývoje).

Radiační účinky během buněčného cyklu
Účinek záření na buňky závisí, vedle zmíněných fyzikálně-chemických faktorů, i na druhu buněk a na časové fázi v buněčném cyklu, kdy k ozáření došlo.
Dělení buněk - buněčný cyklus 
Buněčný cyklus je posloupnost časově uspořádaných dějů, kterými buňka prochází v periodě mezi svými děleními - je to období od vzniku určité buňky předchozím dělením mateřské buňky na dvě dceřinné, až do stádia, kdy dojde opět k rozdělení na dvě buňky dceřinné (jen velmi schématicky je znázorněno na obr.5.2.2c). Doba trvání cyklu (tzv. generační doba) je různá pro různé druhy buněk: u rychle se dělících buněk je to jen 20-24 hodin, u jiných probíhá dělení jen 2-krát do roka (např. hepatocyty), některé se nedělí vůbec (neurony, buňky oční čočky). Základní rozdělení buněčného cyklu je na "klidové" období interfáze G mezi dvěma děleními (fáze G - angl. gap=mezera) a fázi M vlastního buněčného dělení, mitózu (řec. mitos=nit,vlákno). Podrobněji se buněčný cyklus eukaryotických buněk dělí na několik fází (obr.5.2.2c):
¨ G1 fáze - postmitotická - po proběhlém dělení nastává období růstu buňky (angl. Growth=růst), syntéza RNA, proteinů. V buňce probíhají fyziologické procesy, dané typem konkrétní buňky a její funkcí v organismu. Trvá asi 10-12 hodin.
¨ G0 fáze - klidová. Na počátku G1 fáze může buňka tuto fázi (a celý buněčný cyklus) opustit a vstoupit do klidové tzv. G0 fáze, kde se již dále nedělí. Dochází k tomu zvláště u plně diferencovaných buněk jako jsou neurony. Některé buňky jsou schopny v případě potřeby stav G0 opustit, přejít do G1 fáze a opět se začít dělit (např. hepatocyty), zatímco neurony zůstávají ve stavu G0 trvale a již se nedělí.
¨ S fáze - syntetická - DNA se replikuje na dvojnásobný počet (zdvojení genetického materiálu). Doba trvání je cca 6-10 hodin.
¨ G2 fáze - premitotická - dochází ke zdvojování organel a tvorbě struktur potřebných pro dělení buňky. Trvá asi 2-4 hodiny.
¨ M fáze - mitotická - dochází k jadernému dělení (karyokineze) a posléze dělení celé buňky (cytokineze). Mitotická fáze, která trvá cca 1-2 hodiny, se celkově dělí na 5 navazujících etap:
× Profáze - přípravná fáze karyogeneze, během níž se rozpustí jaderná membrána a rozbalují se chromosomy (chromosomy jsou již po S-fázi zdvojené, ale jsou ještě spojené v centromeře). Cytoplasmatické mikrotubuly depolymerují a uvolněný tubulin je použit k polymeraci tří druhů nových mikrotubulů v oblasti jádra: - astrální mikrotubuly, rozbíhající se radiálně od obou centrosomů; - polární mikrotubuly, vytvářející mezi centrosomy dělicí vřeténko; - kinetochorové mikrotubuly, zúčastňující se tahu rozdělených chromosomů k pólům vřetémka.
× Metafáze - chromosomy se seřazují do ekvatoriální roviny vřeténka, vzniká tah na opačné strany k pólům vřeténka.
× Anafáze - dochází k roztržení chromosomů na dvě stejné části zkracováním mikrotubulů dělicího vřeténka.
× Telofáze - zaniká dělicí vřeténko, chromosomy se soustřeďují do dvou nových jader, kolem nichž vzniká jaderná membrána. Tím je zakončena karyogeneze.
× Cytokineze - vzniká cytoplasmatická přepážka mezi oběma částmi. Dochází k tomu buď zaškrcením vlivem kontraktilního prstence (u živočišných buněk; u kvasinek je to pučením, u rostlinných buněk vyroste přehrádka mezi buňkami od středu k okraji).
Mateřská buňka se tak rozdělí na dvě identické dceřinné buňky *), které vstupují do fáze G1; ® cyklus se opakuje.
  Podstatně jednodušším způsobem probíhá dělení prokaryotických buněk (bakterií): jedná se o binární dělení, při němž se buňka nejprve prodlouží do protáhlého tvaru, replikuje svou DNA, začne uprostřed vytvářet přepážku, čímž se posléze mateřská buňka rozdělí na dvě stejné buňky dceřinné.
*) Buňky kmenové a efektorové
U mnohobuněčných organismů s různými diferencovanými tkáněmi je mechanismus dělení složitější. Zde se tkáně skládají z buněk kmenových (mateřských, klonogenních) a buněk dceřinných, efektorových. Kmenové buňky jsou schopné neomezeného dělení, přičemž jsou schopny produkovat jak identické buňky kmenové, tak buňky dceřinné, nesoucí vlastnosti dané diferencované tkáně - asymetrické dělení na dvě různé buňky, identickou kmenovou a odlišnou dceřinnou buňku. Díky svému dělení jsou kmenové klonogenní buňky radiačně citlivější než efektorové buňky dceřinné (které jsou kromě toho průběžně doplňovány dělením buněk kmenových).
  Asymetrické dělení zajišťuje proces diferenciace, při němž se buňky svou stavbou a funkcí přizpůsobují specifické roli, kterou mají v organismu vykonávat. Všechny buňky v organismu jsou totiž opatřeny stejnou genovou výbavou, avšak v důsledku tohoto procesu v konkrétní buňce dochází k realizaci pouze určité části genetické informace (vlivem specifických transkripčních faktorů jsou v buňce přepisovány jen určité geny, jiné se neuplatňují). Dceřinné efektorové buňky zpravidla vstupují do klidové G0 fáze buněčného cyklu.
  Složitý proces buněčného dělení je řízen několikastupňovou regulací. V klíčových místech buněčného cyklu se nacházejí určité "kontrolní uzly" (check point), v nichž se "vyhodnocuje" stav buňky v dané fázi a její schopnost pokračovat v cyklu (obr.5.2.2c). První kontrolní bod (G1-checkpoint, zvaný též startovní) se nachází na konci fáze G1. Zde se rozhoduje, zda bude buňka pokračovat v cyklu dělení, nebo přejde do klidové G0 fáze. Druhý kontrolní uzel se nachází v S-fázi a kontroluje transkripci DNA. Třetí kontrolní uzel, umístěný na konci fáze G2 (G2-checkpoint), kontroluje řadu faktorů rozhodujících o tom, zda je buňka připravena k úspěšnému vstupu do mitózy. Poslední kontrolní uzel (M-checkpoint) přichází ke slovu až při mitóze v anafázi a kontroluje správný průběh a zakončení mitózy.
  Pokud kontrolní mechanismy najdou nesrovnalost v některém z kontrolních uzlů, buněčný cyklus se přeruší: spustí se buď reparační procesy, nebo v případě závažnějšího neopravitelného poškození (dvojitý zlom DNA) se zahájí apoptóza - "programovaná" buněčná smrt (obr.5.2.2c uprostřed).
Mechanismy buněčné smrti 
Žádné organismy nežijí věčně - jsou "smrtelné". Příčiny zániku (smrti) organismů mohou být vnější (mechanické zničení, chemické či radiační poškození, nepříznivá změna vnějších podmínek, nedostatek živin) i vnitřní (fyziologické poruchy a onemocnění, "opotřebování" orgánů a životních funkcí). Na buněčné úrovni se setkáváme se čtyřmi základními typy zániku a inaktivace: apoptóza, autofagie, nekróza a senescence buněk. Jako zvláštní kategorie se někdy uvádí "mitotická katastrofa". Za fyziologických okolností je smrt buněk jedním z mechanismů udržování tkáňové homeostázy, rovnováhy v produkci nových buněk a zánikem buněk starých, nadbytečných, poškozených.
Apoptóza buněk 
Základní způsob řízeného (programovaného) zániku poškozených, nefunkčních či jinak nadbytečných buněk u mnohobuněčných organismů se nazývá apoptóza (řec. apoptosis = padání - název pochází z opadávání listí, způsobeného zánikem buněk v řapících) - jakási buněčná "sebevražda". Je to složitý řetězec procesů ovlivňovaný řadou faktorů a řízený mnoha složitými biochemickými molekulami, především proteiny a enzymy. Apoptóza může být vyvolána dvěma druhy podnětů:
Vnitřní (intracelulární) aktivace apoptózy - neopravitelné poškození DNA, toxické látky v buňce (např. produkty oxidace), nedostatek živin...
Vnější (extracelulární) aktivace apoptózy - vazba určitých látek (ligandů) na receptorech cytoplasmatické membrány...
 
  Důležitou úlohu v apoptóze, zvláště v procesu vnitřní aktivace apoptózy, má protein p53 (má molekulovou hmotnost 53 kilodaltonů). V počátečních fázích může aktivovat opravu DNA a zpomalit buněčný cyklus tak, aby stačila proběhnout reparace. Pokud p53 zjistí poškození DNA přesahující možnosti opravy, zvýší se jeho exprese, čímž se indukuje syntéza dalších proteinů, navazujících se na mitochondrie. Membrány mitochondrií ztrácejí potenciál a stávají se propustné; z mitochondrií se uvolňuje cytochrom c, protein DIABLO (direct IAP binding protein with low pI), AIP (Apoptosis-Inducing Protein). Vlastní fáze nevratné apoptózy je způsobena aktivací proteinů ze skupiny cysteinproteáz, zvaných kaspázy (ang. zkratka caspase = cysteinyl aspartate-specific protease), které rozkládají intracelulární proteiny (proteolytická degradace).
  Po spuštění apoptického procesu se DNA rozštěpí na menší úseky, probíhá hydrolýza buněčných proteinů, degradace cykloskeletárních struktur a membrán organel. Dále dochází k membránové depolarizaci buněčné stěny, k odkrytí fosfolipidů na povrchu buněk, ke zvýšené permeabilitě plasmatické membrány, posléze k porušení integrity buněčné stěny. V konečné fázi dojde ke smrštování a rozpadu buňky na několik menších fragmentů (apoptických tělísek), na jejichž povrch se z vnitřní stěny dostanou molekuly (např. fosfatidylserin) stimulující jejich fagocytózu - "pozření" okolními buňkami, fagocyty nebo imunitními buňkami (makrofágy). Na rozdíl od nekrózy dochází tedy i k regulovanému a šetrnému "odklizení" produktů buněčného zániku.
Inhibice apoptózy
V buňkách a tkáních se mohou uplatňovat i antiapoptické mechanismy. Některé mutace genu p53 mohou způsobit inhibici apoptózy. Apoptóza může být též zablokována na úrovni mitochondrií. Byl nalezen antiapoptický gen Bcl-2 (B lymfoma cell protein - byl izolován z nádorových buněk lymfomu B), který se nachází v mitochondriích a jehož zvýšená koncentrace chrání membrány mitochondrií - zabraňuje průniku cytochromu c a spuštění kaspázového řetězce proteolytické degradace v cytoplasmě (blokuje efekt proteinu p53).
Autofagie buněk 
Jedná se o jakési "sebe-pozření" buňky. Při autofagii (autofagocytóze) dochází k porušení stěn lysosomů a následné degradaci (rozkladu, "natrávení") buněčného obsahu. V buňce vznikají autofagické vakuoly, posléze proces autofagie může postihnout celou buňku. Autofagie může být indukována cytotoxickými látkami nebo ozářením, za fyziologických podmínek funguje jako adaptační mechanismus na nedostatek živin či kyslíku.
Nekróza buněk 
Přímý zánik (odumření) buněk, který prakticky není řízen buněčnými mechanismy, se nazývá nekróza (řec. nekros=mrtvý). Vzniká následkem těžkého nevratného poškození buněk - mechanické poškození, chemické poškození, silné přehřátí či podchlazení, hypoxie, silné ozáření. Dochází k zastavení oxidační fosforilace, k nahromadění iontů v buňce, edému (zvětšení) buněk, prasknutí membrán organel a uvolnění proteolytických enzymů do cytoplasmy. Nastane štěpení bílkovin a DNA, porušení buněčné stěny a vylití degradovaného buněčného obsahu do extracelulárního prostoru, což je v tkáni doprovázeno zánětlivou reakcí. Nekróza může postihovat celé skupiny vzájemně sousedících buněk (tkáňová nekróza).
Senescence buněk 
Stárnutí buněk, zvané senescence, je dlouhodobý multifaktoriální proces, zahrnující jak nitrobuněčné "programové" molekulární mechanismy, tak i časově se kumulující exogenní škodlivé faktory ovlivňující životaschopnost buněk. Uplatňuje se progresívní poškozování buněk reaktivními formami kyslíku a dusíku v průběhu života tkání, při stále se snižující kapacitě antioxidačních mechanismů. Buňky mohou dosáhnout jen určité hranice v počtu svých dělení, tzv. Hayflickův limit (cca 40-60 cyklů); pak již buňky schopnost dělení ztrácejí. Omezenost replikačního potenciálu buněk je dána především zkracováním tzv. telomer - jsou to okrajové komplexy v DNA, které chrání konce chromozomů před nežádoucími reakcemi a vazbami a před jejich vyhodnocením buněčnými mechanismy jako zlomy DNA. Při replikaci DNA nedochází ke kompletní syntéze konců DNA, takže při každém buněčném dělení jsou na dceřinné DNA okrajové konce - telomery - zkracovány. Při přílišném zkrácení již telomery nechrání dostatečně konce chromozomů, což buněčné kontrolní mechanismy vyhodnotí a zastaví buněčný cyklus. Zkracování telomer tak funguje jako "mitotické počítadlo". Po dosažení Hayflickova limitu dochází ke stárnutí buněk, k senescenci. Existuje však speciální enzym zvaný telomeráza (je to komplex složený z RNA a proteinů, obsahující sekvence sloužící jako předloha pro syntézu sekvencí telomeru u DNA - reverzní transkriptáza), který je schopen dosyntetizovat koncové sekvence telomerů a zabránit tak jejich zkracování při dělení buněk. Takové buňky jsou pak schopné neomezeného dělení (immortilizace - "nesmrtelnost" buněk), což fyziologicky probíhá pouze v dělících se embryonálních buňkách, zatímco patologicky se uplatňuje u buněk nádorových (§3.6 "Radioterapie").
  Senescenci mohou urychlit některé škodlivé faktory chemické, jakož i expozice ionizujícím zářením (stárnutí buněk pokožky urychluje nadměrná expozice slunečním zářením).
Mitotická katastrofa 
Takto se někdy označuje složitější kombinovaný mechanismus vyúsťující v buněčný zánik. Nastává jako důsledek chybné mitózy, především když se buňka pokouší dělit bez náležité opravy poškozené DNA (jako je na obr.5.2.2c). Tato situace může vést k "sekundární" mitotické buněčné smrti, především mechanismem apoptózy či autofagie. Pokud však dojde k inhibici procesu apoptózy, může docházet k asymetrickému multipolárnímu dělení za vzniku aneuploidních buněk s genovými mutacemi.
Poznámka: K chybné mitóze může docházet též působením některých chemických látek, které se navazují na mikrotubuly a brání jim v polymeraci či depolymeryci. Depolymerace cytoplasmatických mikrotubulů a polymerace nových mikrotubulů (astrálních, polárních, kinetochorových) kolem centrosomů při jaderné membráně, vytvářejících dělicí vřeténko, je jedním z klíčových článků při mitóze buněk. Příslušné anti-tubulinové látky (inhibitory mikrotubulů) se proto označují jako mitotické jedy. Z přírodních rostlinných látek je to např. kolchicin (alkaloid obsažený v ocúnu), který způsobuje inhibici polymerace mikrotubulů, nebo taxol (alkaloid paclitaxel obsažený v tisu) který způsobuje inhibici depolymerace. Cíleného zásahu mikrotubulárních inhibitorů do dělení buněk však lze využít pro zastavení růstu nádorových buněk (§3.6 "Radioterapie", pasáž "Chemoterapie").
  Největší radiosenzitivita se projevuje při zasažení buňky v pozdní G1 a premitotické G2 fázi, kdy mechanismy kontrolních bodů mohou zastavit průběh buněčného cyklu. Poněkud menší citlivost je v M fázi a v přechodu mezi fází G1 a S, nejmenší citlivost pro buňky ve fázi G0.
  Živá tkáň je tvořena směsí buněk v nejrůznějších stádiích buněčného cyklu. Průměrná doba, během které se buňky nacházejí v určitých fázích, závisí na druhu tkáně. Tkáně rychle rostoucí s krátkým buněčným cyklem mají vyšší časové zastoupení buněčných fází G2 a M, takže jsou citlivější na záření. Pomalu rostoucí dobře diferencované tkáně (jako jsou nervové, svalové, vazivové) jsou relativně radiorezistentní, neboť většina buněk setrvává poměrně dlouho ve fázi G1 a část je dokonce v klidovém stadiu G0. Různá radiační citlivost jednotlivých druhů tkání je důležitá z hlediska radiační ochrany a hraje klíčovou úlohu při léčbě zářením v radioterapii (§3.6 "Radioterapie"), kde se používá frakcionované ozařování a někdy též kombinace chemoterapie a radioterapie, m.j. pro dosažení určité synchronizace buněčného cyklu s cyklem ozařovacím.

Radiační poškození ~Ţ otrava organismu chemickým jedem
Z výše uvedeného popisu mechanismu škodlivého účinku ionizujícího záření na živou tkáň vyplývá, že radiační účinky nejsou žádnými "tajemnými" neobvyklými jevy vyvolanými neviditelným zářením. Konečný účinek je chemický či chemicko-biologický: záření pouze dodá do tkáně energii (ve specifické formě ionizace), která nakonec vede k produkci "jedu" (volných radikálů) a k vnitřní chemické "otravě" buněk - úhrnně hovoříme o radiotoxicitě. Je to konec konců podobné, jako kdybychom do tkáně difuzně aplikovali např. peroxyd vodíku či jinou vysoce reaktivní chemikálii, mající denaturační či genotoxické účinky. Mezi otravou chemickým jedem a radiotoxicitou jsou tři charakteristické rozdílnosti:
1. Molekuly chemického jedu jsou do tkáně dodány zvenčí, zatímco ionizující záření dodává pouze energii a toxické látky vznikají uvnitř buněk a tkání.
2. Rozdíl je v charakteru závislosti účinku na dávce. Při aplikaci menších koncentrací chemických toxických látek přežívají téměř všechny buňky a teprve při překročení určité prahové koncentrace dojde k zániku prakticky všech buněk v populaci. Při expozici ionizujícím zářením již malé dávky mohou mít za následek zničení určitého malého procenta buněk, avšak i po obdržení značně vysokých dávek určitá část buněčné populace přežívá (viz níže "LQ model"). Radiobiologický účinek má statistický pravděpodobnostní charakter, řídí se Poissonovým rozdělením *) pravděpodobnosti. Po ozáření množiny N0 buněk přežívá N buněk, přičemž N/N0 ~ e-(počet letálních poškození). Tato závislost je matematicky realizována v lineárně-kvadratickém modelu, odvozeném níže.
*) Poissonovo rozdělení obecně modeluje náhodné děje v souboru velkého počtu elementů za situace, kdy pravděpodobnost daného procesu je relativně malá vzhledem k celkovému počtu elementů. Máme-li soubor elementů (atomů, buněk) o okamžitém počtu N, v němž je daný stochastický proces (rozpad jader, poškození buněk) způsoben řídícím faktorem f (čas, dávka) s pravděpodobností l, pak element faktoru Df způsobí úbytek členů souboru o DN = -l.Df elementů. Vede to k diferenciální rovnici pro závislost počtu zbylých elementů N na působícím faktoru f: dN/df = -l , jejímž řešením za okrajové počáteční podmínky N(f=0)=No je exponenciální funkce N = No.e-l.f. Podrobněji je odvozeno a diskutováno v §1.2, část "Obecné zákonitosti přeměny atomových jader" pro případ radioaktivního rozpadu.
3. Další rozdíl v poškození DNA způsobený běžnými faktory (jako jsou oxidanty z metabolismu) a ionizujícím zářením spočívá v tom, že po ionizačním ozáření dochází ke zvýšenému výskytu shluků poškození DNA (zvláště u hustě ionizujícího záření); u běžných neradiačních poškození je toto rozložení rovnoměrnější.

Biochemické interakce buněk. Dálkově indukované radiační účinky - bystander efekt
Pohled klasické radiobiologie je do značné míry mechanistický: k poškození dochází pouze u buněk, které jsou zasaženy ionizujícím zářením nebo chemickým činidlem a dojde k poškození DNA (nebo jiné důležité struktury) dané buňky. Tak tomu skutečně je při ozáření množiny izolovaných buněk (jako je kolonie bakterií). U vyšších organismů jsou však buňky začleněny do tkání, v nichž dochází k vzájemné biochemické interakci buněk řadou složitých procesů (především regulačních). Některé z těchto procesů (repopulace, redistribuce, reoxygenace) jsou zmíněny níže v souvislosti se závislostí biologických účinků na radiační dávce a jejím časovém průběhu. Vzhledem k těmto interakcím buněk lze očekávat, že na (radiční) poškození jedné konkrétní buňky mohou určitým způsobem reagovat i další okolní buňky v tkáni.
  Tento proces byl skutečně pozorován při experimentech s velmi úzkými ostře kolimovanými svazky (micro-beam) záření a, kterými byly ozařovány buňky v tkáňové kultuře. Zjistilo se, že po ozáření cílových buněk i okolní buňky jevily známky poškození, i když samy nebyly ozářeny. K podobným výsledkům vedly i experimenty, kdy vzorek ozářených buněk byl přenesen do kolonie buněk neozářených. Tento pozoruhodný efekt by mohl být způsoben zmíněnými biochemickými interakcemi buněk v tkáni. Primárně ozářené a letálně poškozené buňky mohou do svého okolí (mezibuněčného prostředí) "vysílat chemické signály" - uvolňovat biochemické molekuly, řídící apoptózu nevratně poškozených buněk (uvažuje se protein p53), či molekuly toxické. Tyto látky mohou difundovat a vstupovat do okolních buněk, v nichž mohou způsobovat podobnou reakci, jako u přímo zasažené buňky. Pro tento efekt radiačních účinků indukovaných "na dálku" se používá název bystander efekt (angl. bystander = divák, okolostojící), "efekt nezůčastněného diváka" - okolní přímo nezasažené buňky zde nejsou "nezůčastněným pozorovatelem" radiačního poškození ozářených buněk, ale jsou též "vtaženy" do tohoto procesu. Bystander efekt poněkud zvyšuje celkový počet radiačně poškozených buněk v ozářené tkáni (obr.5.2.4b).

Reparační procesy
Buňky nejsou proti radiačním poškozením úplně bezbranné, při ozáření živé tkáně nedochází pouze k jednosměrným a nevratným změnám vedoucím k poškození buněčných struktur a jejich funkcí. V biologickém stádiu radiačního účinku probíhají též procesy protichůdné - procesy reparace a regenerace, které vedou k obnově schopnosti buněčného dělení a funkce tkání a orgánů. Radiační změny v živých tkáních tedy mohou být reverzibilní.
V raných etapách evoluce buňky žily pod vlivem krátkovlnného záření, především ultrafialového. Během evoluce se musely vyvinout mechanismy, které udržují integritu DNA (relativní stabilitu genetické informace). Enzymatické reparační systémy, které jsou schopné eliminovat poškození DNA (radiačně či chemicky indukované), byly pro buňky pozitivním evolučním faktorem a většinou se zachovaly v buňkách dosud. Za zmínku stojí též okolnost, že reparační systémy nejsou úzce specifické jen pro jednu škodlivinu.
Probíhají v podstatě dva druhy reparačních procesů na dvou různých úrovních: 

  Pro konkrétní "radiační akci" (zásah buňky kvantem ionizujícího záření) závisí pravděpodobnost biologického účinku především na dvou okolnostech:
      1. Druh poškození DNA (obr.5.2.2b).   2. Fáze buněčného cyklu, v níž k poškození došlo (obr.5.2.2c).
Jednoduché zlomy vlákna DNA dokáží reparační mechanismy zpravidla bezchybně opravit (pokud na to mají "dostatek času"). Dvojité zlomy DNA, pokud k nim dojde ve fázi G1 a G2, jsou rozpoznány v "check pointech" a vedou většinou k zániku buňky (obr.5.2.2c uprostřed). Poškození DNA, vzniklé ve stádiu po "check-pointech", však nemusí být buněčnými regulačními mechanismy rozpoznáno a může s ním dojít k mitóze - zde je zvýšené riziko dělení buněk se změněmým genomem, které může vyústit v mutace (stochastické účinky) - obr.5.2.2c dole. Při praktickém ozáření organismu jsou jednotlivé buňky v tkáních v nejrůznějších fázích svého buněčného cyklu a zároveň dochází k poškození DNA různého druhu. Jednotlivé mikroskopické děje se proto v průměru skládají ve výsledný radiobiologický účinek - deterministický či stochastický.
  Reparační a regenerační procesy vedou mimo jiné k tomu, že rozdělení dávky na menší dílčí dávky v dostatečných časových intervalech vede k menším biologickým účinkům ve srovnání s toutéž dávkou absorbovanou jednorázově, resp. při stejné celkové absorbované dávce se biologický účinek snižuje, pokud jí bylo dosaženo při nižším dávkovém příkonu (čemuž samozřejmě odpovídá delší čas expozice) - viz níže "LQ model".

Vztah dávky a biologického účinku
Je samozřejmé, že biologický účinek záření je v prvé řadě závislý na velikosti absorbované dávky, že s dávkou roste. Z hlediska vztahu dávky a účinku rozlišujeme dva základní typy radiobiologických účinků:

  U stochastických účinků závažnost postižení a průběh vzniklého onemocnění nejsou závislé na výši dávky; na absorbované dávce závisí pouze pravděpodobnost výskytu nádorového či genetického poškození. Jde přitom o chorobné stavy, které i bez vlivu záření se "samovolně" (bez zjevné příčiny) vyskytují v populaci. V jednotlivých konkrétních případech není možné radiačně indukované nádory a genetické změny odlišit od samovolně vzniklých případů, jejich klinický obraz je stejný (neexistují žádné příznaky specifické pro nádory vzniklé v důsledku ionizujícího záření). Ionizační ozáření pouze zvyšuje pravděpodobnost vzniku těchto onemocnění, příslušné riziko je přídavné k ostatním rizikům. Průměrný koeficient rizika vzniku radiačně indukovaného maligního onemocnění se odhaduje na 0,005 Sv-1 (tj. pokud 1000 osob obdrží dávku 1Sv, lze očekávat, že u 5 z nich to vyvolá fatální zhoubný nádor).
Závislost stochastických účinků na věku 
Při stejné dávce záření je pravděpodobnost stochastických účinků v obráceném poměru k věku ozářeného jedince. Je to způsobeno dvěma okolnostmi:
¨ Časový faktor - stochastické radiační účinky mají dlouhou dobu latence, pravděpodobnost jejich manifestace roste s časem od ozáření. Při ozáření organismu v mladším věku je pravděpodobně k dispozici více času na projevení pozdních stochastických účinků. Při ozáření ve starším věku se stochastické účinky často již do konce života nestačí uplatnit.
¨ U dětí probíhá v důsledku růstu intenzívnější dělení buněk, což vede k vyšší radiosenzitivitě.
Lineárně-kvadratická závislost stochastických účinků na dávce 
Podle teorie duální radiační akce je pravděpodobnost radiačního poškození buňky - a tedy i pravděpodobnost neúspěšné opravy DNA ® pravděpodobnost mutací a výskytu stochastických účinků, především maligních transformací, závislá na hustotě ionizace v daném místě. Podobně jako u deterministických účinků, (kde radiační hubení buněk má lineárně-kvadratickou dávkovou závislost - odvození viz níže "LQ model"), i u stochastických účinků má pravděpodobnostní rozdělení výskytu maligních transformací na efektivní dávce lineárně-kvadratický charakter. Při nízkých dávkach do cca 1Sv má křivka lineární tvar přímé úměrnosti četností malignit na dávce (černá přímka na obr.5.2.3a), při vyšších dávkách je výskyt radiačně indukovaných malignit úměrný druhé mocnině efektivní dávky - kvadratická závislost. Teoreticky očekávaná kvadratická závislost stochastických účinků pro vyšší dávky se však obtížně prokazuje vzhledem k tomu, že při vysokých dávkách téměř všechny buňky v populaci rychle hynou deterministickými účinky.
  Při nízkých dávkách se tedy pro stochastické účinky většinou předpokládá, že míra účinku, tj. pravděpodobnost výskytu radiačně indukovaných poškození (nádorových či genetických) je lineárně závislá na dávce (černá přímková čára na obr.5.2.3a) a že stochastické účinky jsou bezprahové - mohou být vyvolány i velmi malými dávkami, třebas i na úrovni přírodního radiačního pozadí, byť s nepatrnou pravděpodobností.
  Na tomto předpokladu, tzv. lineární bezprahové teorii stochastických účinků, je založen "konzervativní přístup" k radiační ochraně, který se promítá do řady norem a předpisů pro práci se zdroji záření. Novější radiobiologické studie však ukazují, že závislost stochastických účinků na dávce není lineární, ale že v oblasti velmi nízkých dávek jsou účinky nižší než by odpovídalo lineární závislosti *) - modrá křivka na obr.5.2.3a.
*) Toto chování by mohlo souviset s tzv. hyper-radiosenzitivitou k nízkým dávkám (viz níže "Odchylky od LQ modelu"), kdy ozářené buňky (s rizikem změněného genomu) se zvýšenou pravděpodobností zanikají. Názory radiobiologů se zde liší, diskutuje se i o relativně zvýšené pravděpodobnosti stochastických účinků v oblasti nízkých dávek, např. v souvislosti s výše zmíněným bystander efektem.
   Pokud by se navíc potvrdily některé alternativní názory (zmíněné v následujícím odstavci), mohla by v budoucnu křivka závislosti stochastických účinků na dávce záření mít tvar zelené křivky na obr.5.2.3a - i pro stochastické účinky by existoval práh(!) (podobně jako je tomu u účinků deterministických), jenže mnohonásobně nižší. Radiobiologické výsledky se budou jistě zpřesňovat, avšak co se týče malých dávek záření, srovnatelných s přírodní hladinou na niž jsou naše organismy "přizpůsobeny", v současné době neexistuje přímý důkaz, že nízká úroveň záření je zdraví škodlivá.


Obr.5.2.3. Závislost biologického účinku na velikosti absorbované dávky záření.
a) Pravděpodobnost výskytu pro stochastické účinky. b) Závažnost poškození pro deterministické účinky.
c) Závislosti přežívající frakce buněk N/N0 na dávce podle lineárně-kvadratického modelu.

  Deterministické účinky se projevují až po dosažení určité prahové dávky, přičemž s rostoucí dávkou roste jednak pravděpodobnost vzniku poškození (tj. při ozáření souboru osob roste počet jedinců, u nichž lze poškození prokázat; při vyšších dávkách se účinky projeví u každého), jednak u daného jedince se zvyšuje závažnost poškození. Závislost radiačního účinku na absorbované dávce pro deterministické účinky je znázorněna na obr.5.2.3 uprostřed. Základním patogenním mechanismem je snížení počtu buněk v ozářené populaci. Na škodlivém účinku se podílejí i toxické látky, vznikající při zániku a rozkladu velkého počtu buněk. Esovitý tvar křivky, začínající od určitého dávkvého prahu, je odrazem skutečnosti, že v ozařované tkáni (buněčné populaci) je určitá funkční rezerva, zpravidla dosti značná. Pokles počtu buněk se stoupající dávkou proto zpočátku nezpůsobuje v ozařované tkáni žádné funkční potíže, teprve při vyšších dávkách vede deficit buněk k somatickým projevům. Hodnota prahové dávky kolem 1Gy podle obr.5.2.3b je jen průměrná (celotělová) a orientační. Každá tkáň má obecně jinou prahovou dávku projevu deterministických účinků, závislou na radiosenzitivitě buněk a funkční rezervě v tkáni - např. přibližně: kůže 3Gy, plíce 5Gy, spermie 0,3Gy, oční čočka 1,5Gy, vyvíjející se zárodek in utero 0,1Gy, .....
Upozornění: Je třeba mít na paměti, že spolu s časnými účinky deterministickými se latentně mohou uplatňovat i pozdní účinky stochastické, pokud organismus přežije deterministické účinky.
Terminologická poznámka:
V dalším textu často používáme označení "deterministický radiační účinek" v poněkud slabším a obecnějším významu - ve smyslu letálního poškození a zániku buněk, bez nutnosti manifestace somatických projevů pro organismus.

Radiobiologické modelování
Radiobiologické účinky záření na buňky a tkáně obecně závisejí především na absorbované dávce, na druhu záření, druhu buněk v tkáni a též na časových faktorech. Tyto obecně složité závislosti byly měřeny v řadě radiobiologických experimentů a ověřovány i na klinických studiích, především v radioterapii. Vznikla přirozená snaha popsat tyto empirické zákonitosti pomocí matematických modelů a funkcí, které by vyjadřovaly závislost radiobiologické odezvy na dávce, její časové distribuci a vlastnostech ozařované tkáně. Do 70.let spočívalo toto modelování v konstrukci empirických matematických funkcí, obsahujících vhodné mocniny dávky, ozařovacího času a počtu frakcí (mocniny byly většinou neceločíselné, např. T0,33 či T0,11, n0,24 a pod. - tak postupovali např. M.Standquist v r.1946, nebo F.Ellis v r.1969); tyto funkce se prokládaly empiricky zjištěnými závislostmi.
  Zásadní pokrok v radiobiologickém modelování nastal v 80.letech, kdy na základě podrobnějších mikrodozimetrických měření a vyhodnocování chromozomových aberací byl zformulován tzv. lineárně-kvadratický (LQ) model - viz níže. Tento přístup již není čistě empirický, ale vychází z rozboru mechanismů procesu poškození a usmrcení buněk ionizujícím zářením na subcelulární a molekulární úrovni. Parametry tohoto modelu (koeficienty a,b a časové faktory) lze odvodit z měřených dat (experimentálních a klinických), čímž lze v rámci jednoho modelu odlišit chování a odezvy různých druhů tkání.

Lineárně-kvadratický (LQ) model radiobiologického účinku
Deterministický radiační účinek, spočívající ve zničení většího počtu buněk, je zapříčiněn především zlomem obou vláken DNA v jádrech buňek. Jak bylo diskutováno shora (viz část "Zásahová a radikálová teorie radiačního účinku"), podle teorie duální radiační akce závisí radiační poškození buňky na hustotě ionizace v kritickém místě. Dvojný zlom DNA může být způsoben dvěma druhy procesů:
¨ a-proces
- zásah jedné ionizující částice, která zlomí zároveň obě vlákna DNA (projevuje se především u hustě ionizujícího záření, avšak i u řídce ionizujícího záření mohou sekundární elektrony poškodit obě větve DNA). Počet ireverzibilně poškozených buněk je zde přímo úměrný dávce - lineární závislost na dávce D. Je-li počáteční počet buněk N0, pak po ozáření bude počet přežívajících buněk možno vyjádřit exponenciálním vztahem N = N0.e-a.D, kde a je průměrná pravděpodobnost a-poškození na jednotku dávky (odvození z Poissonova statistického rozložení je analogické jako u exponenciálního zákona radioaktivního rozpadu - viz §2.2, část "Obecné zákonitosti přeměny atomových jader", místo času t by zde vystupovala dávka D). Hodnoty koeficientu a se pohybují v rozmezí cca 0,1¸0,8 Gy-1.
¨ b-proces
- časově blízké zásahy dvou nezávislých ionizujících kvant, při nichž každé z nich zlomí jedno vlákno DNA (porušení jednoho vlákna DNA umožňuje reparaci - subletální poškození, poškození obou vláken je zpravidla letální). Počet radiačně poškozených buněk je zde úměrný druhé mocnině dávky - kvadratická závislost na dávce D. Příslušný exponenciální zákon poklesu počtu buněk v tomto případě bude N = N0.e-b.D2, kde b je průměrná pravděpodobnost b-poškození na čtverec jednotky dávky. Závislost je zpočátku pozvolná, téměř lineární (možnost reparace buněk po subletálním poškození), pak přechází v prudší exponenciální průběh, způsobený kumulací subletálních účinků v letální. Koeficient b nabývá pro lidské buňky hodnot cca 0,01¸0,1 Gy-2.
   Celková pravděpodobnost přežití buňky při uplatnění obou procesů bude pak dána součinem jednotlivých pravděpodobností, což vede k výslednému exponenciálnímu zákonu: N = N0.e-(a.D+b.D2). Závislost buněčného přežití na dávce se často vyjadřuje pomocí křivky přežívající frakce buněk N/N0 v (semi)logaritmickém měřítku:
                          -ln(N/N0) = a.D + b.D2 - lineárně-kvadratická závislost, obr.5.2.3c nahoře.
   V aplikacích LQ modelu se často zavádí poměr a/b [Gy] vyjadřující dávku, při které je poškození a-mechanismem stejné jako b-mechanismem (lineární a kvadratická komponenta jsou biologicky ekvivalentní z hlediska výsledného letálního efektu pro buňky). V grafickém vyjádření hodnota poměru a/b charakterizuje zakřivení grafu závislosti přežívající frakce buněk ln(N/N0) na dávce podle obr.5.2.3c. Hodnoty a/b závisejí na relativním zastoupení jednotlivých fází buněčného cyklu. Pro rychle se dělící buňky (např. nádorové) jsou vyšší hodnoty poměru a/b » 10 Gy, pro normální (pozdně reagující) tkáně je a/b » 2¸4 Gy. Poměr a/b vystupuje v odvozené biofyzikální dávkové veličině, kterou je tzv. biologická efektivní dávka (biologický ekvivalent dávky) BED ş -ln(N/N0)/a = D.[1 + D/(a/b)]. BED má význam v radioterapii při posuzování vlivu frakcionace celkové ozařovací dávky D na n dílčích frakcí d, kdy BED = D.[1 + d/(a/b)] (viz §3.6 "Radioterapie", část "Fyzikální a radiobiologické faktory radioterapie").
Časový faktor 
Takovéto jednoduché závislosti platí v případě jednorázového ozáření. V případě časově protrahovaného ozařování - kontinuálního či opakovaného (frakcionovaného), se kromě zmíněných mechanismů uplatňují i časové faktory reparace buněk (především u b-poškození) a repopulace buněk dělením v tkáni. Při ozáření dávkou D během ozařovací doby T se pak v LQ modelu do výchozí lineárně-kvadratické závislosti zavádějí dvě další veličiny - faktory buněčné regenerace RG a repopulace RP :
1. Reparace
Za každý elementární časový interval Dt, během něhož buňky obdrží dávku DD=D.Dt/T a poškodí se přitom N.b.DD2 buněk, se zároveň stačí zregenerovat N.l.Dt buněk, kde parametr l je rychlost buněčné reparace (l = ln2/T1/2, kdeT1/2 je poločas reparace). Integrací od 0 do T se získá modifikovaný exponenciální zákon N = N0.e-RG.b.D2, v němž u kvadratického exponentu vystupuje přídavný časový koeficient regenerace, tzv. Lea-Catchesidův faktor*) RG = 2.[(1-e-l.T).(1-1/l.T)]/l.T, který je funkcí rychlosti buněčné reparace l a ozařovací doby T. Rychlostní koeficient reparace l se pohybuje v rozmezí od cca 0,4hod-1 pro normální tkáně až do cca 1,5hod-1 pro rychle se dělící tkáně (např. nádorové).
*) Lea-Catchesidův dávkově-časový integrál: V obecném případě lze uvažovat kontinuální ozařování množiny N(t) buněk časově proměnnou dávkou D(t) s okamžitým dávkovým příkonem R(t)=dD(t)/dt. Pak za každý elementární časový interval Dt, během něhož buňky obdrží dávku DD=R(t).Dt a poškodí se přitom N(t).b.DD2 buněk (subletálně), se zároveň stačí zregenerovat N(t).l.Dt buněk, kde parametr l je rychlostní koeficient buněčné reparace. Integrací příslušné diferenciální rovnice od t=0 do průběžného času t, za okrajové podmínky při t=0 N(0)=N0, získáme řešení pro časovou závislost počtu buněk N(t), kterou lze rovněž zapsat v původním (kvadraticky)exponenciálním tvaru N(t) = N0.e-RG(t).b.D(t)2, kde modifikující veličina RG(t,l) = [2/D(t)2]. 0ňtR(t).dt . 0ňt'R(t').e-l.(t-t')dt' je zobecněná tzv. Lea-Catchesidova funkce (závislosti tohoto druhu již v letech 1942-45 empiricky zjistili D.E.Lea a D.G.Catcheside při zkoumání buněčných aberací na Drosophile), vyjadřující "balanci" mezi poškozováním buněk dávkovým příkonem R(t) a jejich průběžnou reparací s rychlostním koeficientem l. Funkce RG závisí na časovém průběhu dávkového příkonu R(t) během celé expozice. V mezních případech krátké expoziční doby T<<1/l je RG®1 (reparace se během ozařování neuplatní), v opačném případě dlouhé ozařovací doby T>>1/l je RG®0 (téměř všechna potenciálně letální poškození se stačí zreparovat).
  b-proces, v koprodukci s buněčnou reparací, způsobuje tedy tzv. efekt dávkového příkonu: že totiž biologický účinek ionizujícího záření závisí nejen na celkové absorbované dávce, ale i na dávkovém příkonu *), jak je schématicky znázorněno v dolní části obr.5.2.3c. Pro nízký dávkový příkon (LDR) je vysoký počet reparací a křivka přežívající frakce buněk je poměrně plochá - menší biologický účinek (modrá křivka). Čím vyšší je dávkový příkon, tím je větší pravděpodobnost případů, že i zlom druhého vlákna DNA nastane dříve, než proběhne oprava prvního vlákna, čímž dochází zpravidla k letálnímu poškození buněk. Pro vysoký dávkový příkon (HDR) je proto křivka přežívající frakce strmější - větší biologický účinek, výrazně rostoucí s dávkou (červená křivka na obr.5.2.3c dole).
*) V exponenciálním zákonu pro b-proces N = No.e-RG.b.D2 vystoupí dávkový příkon explicitně, když z kvadrátu dávky D2=D.D jednu veličinu dávky D přeneseme do Lea-Catchesidova faktoru RG: RG.D = 2.[(1-e-l.T).(1-1/l.T)].D/l.T a uvědomíme si, že D/T je dávkový příkon R. V obecném Lea-Catchesidově integrálu vystupuje dávkový příkon R přímo.
2. Repopulace
Vedle exponenciálního poklesu počtu buněk v důsledku radiačního poškození dochází průběžně k náhradě zaniklých buněk dělením buněk přežilých. Za časový interval Dt vzroste počet N stávajících buněk o N.n.Dt, kde n je rychlost buněčné repopulace; často se používá čas zdvojení T2r= ln2/n počtu buněk repopulací. Integrací se získá exponenciální zákon růstu počtu buněk repopulací N = N0.en.T. V logaritmickém tvaru to vede k dalšímu aditivnímu členu RP = ln2.T/T2r, vyjadřující poměr ozařovacího času T a času T2r zdvojení počtu buněk repopulací. Buněčná repopulace ještě zvýrazňuje výše uvedený efekt dávkového příkonu.
  Při zahrnutí těchto časových vlivů nabývá lineárně-kvadratická závislost výsledný tvar (v semilogaritmickém měřítku):
             -ln(N/N0) = a.D + {2.[(1-e-l.T).(1-1/l.T)]/l.T}.b.D2 - ln2.T/T2r .
   Tyto vztahy mezi biologickým účinkem a radiační dávkou, včetně jejího časového průběhu (dobou ozáření T), hrají důležitou úlohu především v radioterapii, kde se používá frakcionace ozařovacích dávek za účelem optimalizace výsledné radiační odezvy nádorové tkáně vzhledem ke zdravé tkáni - viz §3.6 "Radioterapie". Zajímavým důsledkem uvedených závislostí LQ modelu může být absence deterministického účinku i u poměrně vysokých celkových dávek záření (podstatně vyšších než prahových pro jednorázové ozáření podle obr.5.2.3b), pokud je ozařování dlouhodobé s dávkovým příkonem nižším, než je rychlost buněčné reparace a repopulace. V takovém případě se mohou vyskytnout jen účinky stochastické.
Odchylky od LQ modelu 
Lineárně-kvadratický model je jen zjednodušeným mechanistickým popisem složitých dějů, odehrávajících se při ionizačním ozařování tkání a buněčných populací. V praxi se od standardního (idealizovaného) LQ modelu vyskytují určité odchylky. Vedle druhé mocniny je někdy třeba zahrnout menší opravy obsahující i vyšší mocniny dávky (obr.5.2.4a). Mohly by mít částečně svůj původ ve vícečetných interakcích (současných či jdoucích rychle za sebou) kvant ionizujícího záření, resp. jejich zplodin, s buněčnými jádry, které jsou reparační mechanismy tím obtížněji schopny opravit. Ve skutečnosti se zde však uplatňuje mnoho různých vlivů. Projevuje se to zvláště u hustě ionizujícího záření (s vysokou hodnotou lineárního přenosu energie LET), kde navíc předávaná energie je rozložena nerovnoměrně (zvláště v oblasti Braggova maxima u záření a, protonů a dalších těžkých nabitých částic). Závislost [ln(N/N0)](D) lze pak rozvést do Taylorova rozvoje podle různých mocnin dávky D.
   Ještě významnější jsou některé individuální biologické vlivy. Každá tkáň je ve skutečnosti heterogenní buněčnou populací, obsahující buňky v různých fázích buněčného cyklu a buňky s různou radiosenzitivitou - s různými koeficienty a,b: výsledná křivka přežití [ln(N/N0)](D) je pak superpozicí několika různých LQ křivek. Kromě toho během vlastní expozice může nastávat tzv. redistribuce buněk (změna v relativním zastoupení buněk s různou radiosenzitivitou: snížení zastoupení buněk ve fázi G1 a G2 a celkově kmenových klonogenních buněk, zatímco buněk ve fázi M a S a efektorových dceřinných buněk bude relativně vyšší zastoupení) během ozařování, nebo reoxygenace (změna obsahu kyslíku - výše zmíněný "kyslíkový efekt"). Tyto biologické procesy mohou mít za následek změny v radiační citlivosti buněk a tkání během expozice, což vede k dalším odchylkám od závislostí LQ modelu. Diskutuje se i tzv. bystander efekt dálkové indukce radiačních účinků v tkáni, zmíněný výše (v části "Účinky záření na buňky"), který může poněkud zvyšovat počet poškozených buněk (obr.5.2.4b).


Obr.5.2.4. Některé odchylky od LQ modelu závislosti biologického účinku na dávce.
a) Vícečetné interakce záření s buňkami vedou k přítomnosti členů s vyšší mocninou dávky D. b) Bystander-efekt poněkud zvyšuje celkové množství poškozených buněk (snižuje frakci přežilých buněk). c) V oblasti nízkých dávek se na grafu přežilé frakce buněk pozoruje relativně zvýšená citlivost buněk - hyperradiosenzitivita.

Hyper-radiosenzitivita k nízkým dávkám
Čím vyšší je absorbovaná dávka ionizujícího záření, tím větší množství volných radikálů vzniká - tím větší by mělo být i poškození buněk v tkáni či buněčné populaci. A tím větší procento usmrcených buněk: závislost N/N0 přežilé frakce buněk na dávce by měla být monotónně klesající. Některé radiobiologické experimenty však ukázaly, že v oblasti velmi nízkých dávek (cca 0,1-0,5Gy) má jinak pozvolně klesající, téměř přímková závislost N/N0 přežilé frakce buněk (podle obr.5.2.3c), výraznou "dolinku", ukazující na relativně zvýšenou citlivost buněk, než by odpovídalo těmto nízkým dávkám (obr.5.2.4c) - tzv. hyper-radiosenzitivita k nízkým dávkám pro deterministické účinky. Detailní mechanismus tohoto paradoxního chování zatím není znám. Na buněčné úrovni se zdá, že buňky by mohly potřebovat jistou malou úroveň poškození, aby zpětnovazebnými procesy nastartovaly produkci reparačních enzymů. Pokud při nízkých dávkách tato úroveň není dosažena, reparace by neprobíhala a v check-pointech by byla další mitóza zastavena ® smrt buněk ® vyšší senzitivita k nízkým dávkám. Při vyšší dávce (a tedy větším poškození v DNA) by produkce reparačních enzymů již probíhala ® účinnější reparace ® relativně nižší senzitivita - závislost se vrátí na standardní křivku LQ modelu.
Pozn.: Uvažuje se též neurčitě o jakémsi "fyziologickém obranném mechanismu" proti mutagenním účinkům záření v oblasti zvýšené pravděpodobnosti přežití buněk s částečně poškozenou genetickou informací; tyto buňky vlivem hypersenzitivity zahynou (v duchu výše zmíněného hesla pro poškozené buňky "mrtvá buňka = dobrá buňka") a neohrožují organismus pozdějšími stochastickými účinky.
  Všechny tyto složité procesy na úrovni buněk, buněčných populací a tkání (jejichž mechanismy nejsou dosud detailně prozkoumány) způsobují, že v praxi koeficienty a,b v LQ modelu ztrácejí svůj jednoznačný fyzikální či radiobiologický význam a nabývají charakter empirických konstant. V oblasti nízkých dávek (jednotky až desítky Gy) sice dobře modelují skutečnou závislost N/N0 přežilé frakce buněk na dávce, avšak samotný LQ model se stává spíše sumárním fenomenologickým popisem biologického účinku záření.

Porovnání charakteru deterministických a stochastických účinků záření na organismus
Vlastnosti: Deterministické účinky Stochastické účinky
Patogeneze: Smrt buněk - snížení jejich počtu Změna cytogenetické informace - mutace
Specifičnost: Specifický klinický obraz,
typický pro účinky ioniz. záření		 Nespecifický obraz,
neodlišitelný od spontánních případů
Závislost na dávce: Účinek se projeví až od určité
prahové dávky, pak roste s dávkou		 Pravděpodobnost výskytu roste
s dávkou od nuly (bezprahová závislost)
Časová závislost: Většinou poměrně rychlý nástup Pozdní účinky, dlouhá doba latence

Malé dávky záření: - jsou škodlivé či prospěšné?
aneb
Změní se základní paradigma radiační ochrany?
"Každé ozáření zdravé živé tkáně ionizujícím zářením, a to i velmi malou dávkou, může být pro organismus potenciálně nebezpečné svými pozdními stochastickými účinky. Proto je nutno všemi dosažitelnými prostředky snížit dávky záření na minimum."
V krajním případě dokonce i jediné kvantum ionizujícího záření, které pronikne do organismu, může poškodit DNA v buňce a vést nakonec ke vzniku nádorového onemocnění ..?!..

   Toto je základní východisko nynější radiační ochrany, "kanonizované" ve všech normách a předpisech pro práci s ionizujícím zářením, včetně našeho "Atomového zákona". V tomto odstavci se pokusíme tak trochu "kacířsky" zpochybnit toto základní paradigma radiační ochrany - budeme diskutovat některé alternativní názory na rizika z ozáření nízkými dávkami.
   Na jakých faktických údajích je toto základní východisko radiační ochrany založeno? Kromě experimentů na malých zvířatech (krysách), se zdrojem údajů o biologických účincích záření stala zločinná zneužití jaderných sil v Hirošimě a Nagasaki a též řada radiačních havárií. Při těchto tragických událostech bylo mnoho osob ozářeno různými dávkami záření, včetně velmi vysokých a letálních dávek. Radiobiologie a radiační medicína tak získala vcelku dobrou představu o deterministických účincích záření, průběhu nemoci z ozáření a možnostech jejího léčení. Dlouhodobým sledování řady osob, které dostaly nižší dávky než odpovídají akutní nemoci z ozáření, byly získány i důležité informace o stochastických účincích záření a jejich závislosti na velikosti dávek. Další údaje o deterministických a stochastických účincích záření byly získány sledováním rozsáhlých souborů pacientů ozářených při medicínských terapeutických a diagnostických aplikacích.
"Lineární bezprahová teorie" je pouze neprokázaná hypotéza 
Společným znakem většiny studií o biologických účincích ionizujícího záření je to, že se jedná o střední, vyšší a vysoké dávky (od několika desetin Sv až do mnoha desítek Sv). Pro tyto hodnoty lze sestrojit vcelku objektivní závislost mezi hodnotou dávky a biologickými účinky (obr.5.2.3). Co se týče nejnižších dávek (na úrovni desítek mSv), je nutno přiznat, že je to "terra incognita", kde chybí spolehlivé údaje; nelze se tomu divit, neboť samo označení "stochastické účinky" říká, že je obtížné najít zde nějaké kauzální zákonitosti.
   Konzervativní radiobiologové a odborníci v radiační ochraně tedy vezmou bod [0,0] jako výchozí (nulová dávka = nulový účinek), proloží přímkovou závislost od nuly do skutečně prokázaných hodnot a chybějící hodnoty v oblasti nejnižších dávek bez rozpaků nahradí extrapolovanými hypotetickými hodnotami (přímka na obr.5.2.3 vlevo). A hned tu máme tvrzení o škodlivých stochastických účincích i nejnižších dávek záření, neboli o bezprahovosti stochastických účinků. Tvrzení často opakované (a proto obecně přijímané), avšak neprokázané! Lineární bezprahová teorie není hypotéza radiobiologická, ale je výsledkem zpracování a aproximace dostupných dat.
   Pečlivou analýzou nashromážděných údajů o vztazích dávek a biologických účinků se ukazuje, že závislost účinku na dávce pravděpodobně není lineární. Účinky v oblasti nízkých dávek jsou zřejmě menší než by odpovídalo dříve předpokládané lineární závislosti (blíže skutečnosti je možná modrá nebo zelená křivka na obr.5.2.3 vlevo). Předpoklad lineární závislosti a bezprahovosti stochastických účinků, na němž je budována dosavadní koncepce radiační ochrany, představuje konzervativní přístup, nadhodnocující rizika v oblasti malých dávek.
   Obraťme se k argumentaci z jiného směru - vývoje života na Zemi a úloze reparačních procesů v jádrech buněk. Základní mechanismus genetického předávání informací v prvotních buňkách se vyvinul před stovkami milónů let, kdy úroveň přírodního ionizujícího záření byla mnohem vyšší než dnes (vyšší zemská přírodní radioaktivita, nižší stínící schopnost atmosféry vůči kosmickému záření). Tato vysoká úroveň radiačního pozadí byla jednak důležitou hybnou silou evoluce života (mutace + přírodní výběr ® vývoj nových druhů), jednak přinutila buňky, aby si vyvinuly dostatečně účinné reparační mechanismy proti radiačnímu poškození. A tyto mechanismy si pravděpodobně zachovaly svou účinnost dodnes. I nyní je náš organismus v důsledku přírodní radioaktivity a kosmického záření každou sekundu ozařován několika tisíci kvanty ionizujícího záření.
   Velké množství reaktivních radikálů a oxidantů vzniká jako zplodiny běžného metabolismu v organismu; je jich dokonce mnohem více než při ozáření nízkými či středními dávkami ionizujícího záření (odhaduje se na statisíce poškození nukleotidů DNA v každé buňce za den). Lze proto očekávat, že škodlivé radikály vyvolané malou dávkou ionizujícího záření se ztratí "jako kapka v moři" velkého množství škodlivých zplodin běžného metabolismu.
Pozn.: Toto zhruba platí pro "řídce" ionizující záření. "Hustě" ionizující záření vyvolává dvojité zlomy DNA, které jsou hůře opravitelné, což vede k jeho vyšší radiobiologické účinnosti včetně vyššího rizika stochastických účinků.
Radiační hormeze a adaptivní odezva 
Někteří odborníci se navíc domnívají, že přiměřené množství poruch vyvolaných malou dávkou záření může v organismu iniciovat a stimulovat reparační mechanismy na úrovni chromozomů, které "opraví" nejen tyto radiační poruchy, ale "přiberou" i řadu dalších defektů vzniklých při metabolismu, které by jinak mohly zůstat neopraveny. Tato radiační hormeze, či adaptivní odezva na ozáření buněk a organismů, je jakási obdoba "imunizace" v organismu.
Pozn.: Slovo hormeze pochází z řec. "hormaein" = "vybudit, excitovat".
   Podle těchto názorů (dosud však též spolehlivě neprokázaných) by tedy malé dávky záření mohly být pro organismus dokonce prospěšné! Nízká dávka záření spustí "signál" vydávaný poškozenými DNA a následný reparační proces opraví veškeré nalezené chyby (a odstraní ty nukleotidy, jež opravit nelze). Je-li množství poškození způsobených zářením menší než je "kapacita" reparačního systému, opraví se i další chyby; po ozáření malou dávkou je v DNA méně chyb než před ním - dochází k pozitivnímu účinku. Při vyšší dávce, kdy rozsah radiačního poškození překročí "reparační kapacitu", je již účinek ozáření negativní.
Při radiační adaptivní odezvě se může uplatňovat několik mechanismů:
¨ Časový - zpomalení buněčného cyklu, takže do začátku další mitózy se některá poškození stačí opravit;
¨ Chemický - neutralizace a tím detoxikace reaktivních radikálů;
¨ Biochemický - aktivace enzymů podílejících se na reparaci;
¨ Imunitní - stimulace obranných mechanismů na úrovni celého organismu, které by mohly napomoci eliminaci buněk změněných nejen vlivem radiace.
   Určitá malá "přípravná" či "preventivní" dávka záření může tak chránit buňky proti poškozením vyvolaným následnou mnohem vyšší dávkou. Malá dávka aktivuje v buňce enzymy určené k opravě genetické informace, díky čemuž se buňka snáze vypořádá s případnými následky silnějšího ozáření. Co se týče vlivu záření na složité mnohobuněčné organismy, vyskytuje se i názor, že malá dávka záření nebo některých toxinů zbavuje organismus buněk, které mají oslabené reparační mechanismy a u kterých by v budoucnu hrozilo, že propadnou zhoubnému bujení.
   Tyto (zatím) nekonformní názory byly ověřovány i experimentálně. Bylo by samozřejmě eticky nepřípustné provádět takové experimenty na lidech, a dokonce ani ne na vyšších zvířatech. Byly však prováděny zajímavé experimenty na bakteriích. Kultura bakterií (.......) byla rozdělena na dvě části, z nichž jedna byla umístěna do dobře stíněného boxu, kde byla úroveň radiačního pozadí nižší než v přírodě. Druhá skupina bakterií byla za stejných ostatních podmínek (teplota, tlak, vlhkost, živiny) vystavena slabému poli ionizujícího záření. Byl zjištěn překvapivý výsledek: bakterie vystavené záření prosperovaly po všech stránkách poněkud lépe než bakterie z druhé skupiny stíněné před zářením! Jednalo se zde však o sledování celé kultury bakterií (při jejíž reprodukci se mohly projevovat výběrové efekty), nikoli o sledování individuálních vlivů na jednotlivé bakterie.
   Je jasné, že nelze nijak přímočaře přenášet tyto experimentální výsledky a spekulativní úvahy na biologické účinky záření pro člověka. Teprve další bádání v oblasti molekulární biochemie a cytologie, jakož i rozsáhlejší studie epidemiologické, snad pomohou otázku účinku malých dávek záření blíže objasnit. Dokud toto není spolehlivě objasněno, je z hlediska spolehlivosti radiační ochrany nutno v praxi aplikovat lineární bezprahovou teorii, která je v oblasti malých dávek spojena spíše s mírným nadhodnocením rizika a malou pravděpodobností možného podhodnocení.
   Pokud se však výše uvedené závěry prokáží v dalších experimentech a následně i v klinických studiích, lze v budoucnu očekávat změnu konzervativního paradigmatu současné radiační ochrany v oblasti nízkých dávek záření a následně pak i revizi příslušných norem a předpisů. Radiofobie, která je vlivem masmédií hluboce zakořeněna v západní společnosti, však bude asi přetrvávat velmi dlouho...

Časový průběh a druhy biologických účinků záření
Z hlediska doby nástupu a časového průběhu účinků záření na organismus či jeho části rozlišujeme dvě skupiny:

× Časné účinky ozáření
se vyvíjejí během poměrně krátké doby (dny až týdny) po jednorázovém ozáření větší dávkou záření. Jsou způsobeny zánikem významné části buněk ozářené tkáně, především kmenových buněk, u rychle proliferujících tkání, v nichž je potřebná průběžná rychlá obnova dceřinných efektorových buněk, které mají krátký životní cyklus. Deplece kmenových buněk se záhy projeví v úbytku buněk efektorových, což se odrazí ve zhoršení funkce ozářené tkáně. Tyto tkáně (např. krvetvorná tkáň či buňky sliznic) mají vysokou radiosenzitivitu a rychlou reakci na ozáření. Jedná se o akutní účinky deterministické a platí zde pravidlo, že čím vyšší je dávka, tím dříve nastupují účinky a tím jsou též závažnější. Pokud není poškozeno příliš mnoho kmenových buněk, po překonání těchto časných účinků nastává též poměrně rychlé zotavení tkáně buněčnou repopulací (akcelerovaným dělením kmenových buněk, s příp. přechodnou ztrátou asymetrie dělení ve prospěch efektorových buněk) a její návrat k normální funkci. S delším časovým odstupem se však mohou vyskytnout pozdní radiační účinky (deterministické a stochastické), diskutované níže.
Mezi časné účinky ozáření - časnou radiotoxicitu - patří:

× Pozdní účinky ozáření
se mohou projevit po několika měsících, letech až desítkách let latence od ozáření. Vznikají buď jako deterministické účinky po intenzívním ozáření, dlouhodobé či opakované expozici menšími dávkami záření (nenádorová pozdní poškození - pozdní radiotoxicita), nebo jako stochastické účinky (nádorová a genetická postižení). Pozdní deterministické účinky jsou způsobeny poškozením tkání s pomalou obnovou efektorových buněk a tedy s nízkou proliferační aktivitou kmenových buněk. Poškození kmenových buněk ozářením se projeví až při potřebě jejich mitózy pro doplnění buněk efektorových, což zde bývá s odstupem řádově měsíců. Pak teprve poškozené kmenové buňky hynou a v tkáni se začne projevovat nedostatek efektorových buněk. Tkáně tohoto typu (jako jsou pojivové tkáně, svalové tkáně, ledviny) s pomalým buněčným dělením mají nízkou radiosenzitivitu a pomalou reakci na ozáření. Účinky však přetrvávají dlouho, někdy jsou i trvalé.
Kombinace časných a pozdních radiačních účinků
Jednotlivé orgány jsou často tvořeny různými druhy funkčně propojených tkání - rychle i pozdně reagujících, v rámci jednoho orgánu. Při ozáření proto nejdříve nastoupí časná akutní radiotoxicita, po jejím odeznění se pak s časovým odstupem může projevit následná (konsekvenční) pozdní radiotoxicita. Např. při ozáření plic může po akutní radiační pneumonitidě postupně dojít k rozvoji pozdní plicní fibrózy.
Mezi pozdní účinky záření zařazujeme následující druhy radiačního poškození (první dva jsou deterministické, druhé dva stochastické):

Lokální radiační účinky tkáňové a orgánové
Biologické radiační účinky jsme nejprve rozebírali na molekulárně-buněčné a obecně tkáňové úrovni (viz výše "Účinky záření na buňky", "Radiační účinky během buněčného cyklu"). Ukázali jsme si různou citlivost buněk v jednotlivých fázích buněčného cyklu a z toho plynoucí rozdílnost radiosenzitivity pro buňky kmenové a efektorové, jakož i pro různé tkáně a orgány. Analyzovali jsme dále závislost biologických účinků na velikosti absorbované dávky a jejím časovém průběhu ("Lineárně-kvadratický model deterministického radiačního účinku"). Pak jsme se věnovali radiačním účinkům na organismus především při celotělovém ozáření.
   Častým případem radiační expozice však je dominantní ozáření jen určité části těla, určitého orgánu nebo tkáně. Zvláště v případě radioterapeutického využití ionizujícího záření (§3.6 "Radioterapie") je exponována určitá pečlivě vybraná část - nádorové ložisko (cílový objem), přičemž určité dávky obdrží i okolní zdravé tkáně a orgány. V těchto případech jsou velmi důležité specifické aspekty radiační citlivosti a odezvy různých druhů tkání a orgánů na různou prostorově-časovou distribuci dávky. Z hlediska charakteru citlivosti na prostorové rozložení radiační dávky v tkáních a orgánech je důležité "organizační uspořádání" a velikosti jednotlivých funkčních částí. Obecně jsou organismy složeny z buněk, sdružujících se do tkání a funkčních celků - orgánů. Orgány se skládají z menších skupin buněk, které zajišťují funkci v jednotlivých částech orgánu - z tzv. funkčních podjednotek. Funkční podjednotky mívají různé velikosti a jsou různě vzájemně propojeny a organizovány v rámci daného orgánu, příp. jeho návaznosti na další tkáně a orgány. Podle uspořádání funkčních podjednotek můžeme biologické orgány rozdělit na dva základní typy:
¨ Sériový orgán
je tvořen řadou lineárně uspořádaných buněčných struktur (funkčních podjednotek), které jsou funkčně řazeny za sebou (sériově). Specializovaná činnost buněk jednoho úseku funkčně navazuje na činnost buněk předchozího úseku. Lokální poškození i jednoho poměrně malého místa (úseku) může vést k "výpadku" funkce celého navazujícího zbytku orgánu. Příkladem seriového orgánu je mícha, zrakový nerv, jícen, ureter, střevo a pod.
¨ Paralelní orgán
sestává z mnoha buněčných struktur (funkčních podjednotek) zhruba stejné funkce, které zaujímají větší prostor a jsou řazeny vedle sebe (paralelně), pracují "společně". Lokální poškození menšího objemu takové tkáně se neprojeví výrazně v činnosti celého orgánu, zbylé buňky stačí funkčně pokrýt jeho činnost pro organismus - tyto orgány mají značnou funkční rezervu. Příkladem paralelních orgánů jsou játra, plíce, ledviny, štítná žláza, slezina atd.

  Při detailním pohledu je sériové a paralelní uspořádání částečně kombinováno - např. paralelně propojené části s lokálním sériovým uspořádáním elementárních funkčních podjednotek. A orgánové systémy či trakty (GIT, močové ústrojí) jsou složitým sério-paralelním uspořádáním mnoha různých částí a funkčních podjednotek.
  Sériové a paralelní orgány mají rozdílné radiobiologické chování z hlediska prostorové distribuce radiační dávky. Sériové orgány mohou poměrně dobře tolerovat dávku rovnoměrně rozloženou na celý svůj objem, popř. celotělovou dávku, ale jsou velmi citlivé k vysoké lokální dávce, která je může "vyřadit z činnosti". Opačně se chovají paralelní orgány, které dobře tolerují i velmi vysokou lokální dávku na malý objem (jehož likvidace sníží funkci jen nevýznamně), avšak poškozuje je úhrnná dávka na celý jejich objem, resp. záleží na celkovém objemu ozářené tkáně. Tento rozdílný charakter radiační citlivosti sériových a paralelních orgánů na prostorovou distribuci dávky má velký význam v radioterapii, kde zvláště sériové orgány často vystupují v roli tzv. kritických orgánů, u nichž by se neměla překročit toleranční dávka (viz §3.6 "Radioterapie").

Zdroje ozáření ionizujícím zářením
Po celou dobu trvání a evoluce života na Zemi jsou všechny organismy vystaveny ionizujícímu záření z přírodních zdrojů - z kosmického záření a z přírodních radionuklidů. Stejně je tomu i po celou dobu existence člověka. Od začátku 20.stol., po objevu rtg záření a radioaktivity, přistupuje k přírodním zdrojům i řada umělých zdrojů ionizujícího záření, které se stále častěji využívají v mnoha oborech medicíny, výzkumu i průmyslu. Podle svých fyzikálních a chemických vlastností způsobují zdroje ionizujícího záření buď vnější nebo vnitřní ozáření. Vnější ozáření způsobují zdroje nacházející se vně organismu, vnitřní ozáření je způsobeno zářením z radionuklidů, nacházejících se v lidském těle. Způsob ozáření a konkrétní dávky záření dále závisejí na výskytu a pohybu jednotlivých zdrojů (přírodních i umělých) v životním prostředí.

P
ř
í
r
o
d
n
í
---

U
m
ě
l
é
 Zdroj záření Efektivní dávka
[mSv/rok]		 Podíl
[%]



88%


-----



12%
Radon (a jeho rozpadové produkty) 1,3 48
Zemské (terestrální) záření 0,45 17
Vnitřní ozáření přírodními radionuklidy v těle 0,25 9
Kosmické záření (sekundární) 0,4 14
-------------------------------------------- ------------- ----
Lékařská ozáření (diagnostika, terapie) 0,3 11
Profesní ozáření 0,002 0,08
Technické a spotřební předměty 0,005 0,02
Jaderná energetika (mimo havárie) 0,001 0,04
Radioaktivní spad (jaderné zbraně a havárie) 0,005 0,02
Přibližné hodnoty průměrné radiační dávky z jednotlivých zdrojů záření vztažené na 1 člověka za 1rok

Průměrná roční dávka z ozáření z přírodních zdrojů pro člověka činí zhruba 3 mSv, z umělých zdrojů se odhaduje na cca 0,3 mSv/rok. V současné době tedy v průměru zhruba 90% radiační zátěže představují přírodní zdroje a 10% zdroje umělé; v každém případě se v průměru jedná o velmi malé dávky záření.

Přírodní zdroje ionizujícího záření
Přírodní zdroje způsobující radiační dávku v živých organismech a člověku můžeme podle jejich charakteru a významnosti rozdělit na tři složky:

Umělé zdroje ionizujícího záření
Ionizující záření z umělých zdrojů můžeme podle jeho povahy a radiační významnosti rozdělit do tří kategorií:

5.3. Cíle a metody ochrany před zářením

Základní cíle radiační ochrany
Prokázané škodlivé deterministické účinky silného záření *), jakož i riziko škodlivých stochastických účinků slabého záření (odhlédneme-li zde od shora zmíněných alternativních možností účinků nízkých dávek záření), vede k nutnosti ochrany před ionizujícím zářením. Tato radiační ochrana či radiační hygiena představuje systém technických a organizačních opatření k omezení nežádoucího ozáření fyzických organismů (především osob) a k ochraně životního prostředí před tímto zářením.
*)Máme zde samozřejmě na mysli škodlivé účinky záření na zdravou tkáň, nikoli cílené deterministické účinky na patologická ložiska v radioterapii, které jsou pro organismus prospěšné (viz kapitola 3.6 "Radioterapie")!
Základní cíl radiační ochrany můžeme tedy formulovat takto:

Cílem radiační ochrany je vyloučení deterministických účinků ionizujícího záření a snížení pravděpodobnosti stochastických účinků na rozumně dosažitelnou úroveň.

Riziko z ionizujícího záření je přídatné k ostatním rizikům, kterým jsme během života vystaveni - škodliviny v životním prostředí a potravinách, kouření, genetické vlivy, infekční a jiné nemoci atd.
Ze statistického hlediska se tato rizika někdy vzájemně srovnávají podle určitých nominálních koeficientů rizik. Tyto nominální koeficienty rizik jsou stanovovány statisticky z určité přídatné četnosti výskytu onemocnění či úmrtí v závislosti na rizikových faktorech. Přesnost takových stanovení je však neurčitá a diskutabilní, vystupuje zde řada faktorů a výběrových efektů, často neznámých. V našem fyzikálně zaměřeném pojednání o účincích záření a radiační ochraně se proto těmito otázkami nezabýváme.

Principy radiační ochrany
Z obecného hlediska se při zajišťování cílů radiační hygieny používají tři základní principy:

  Tyto obecné principy radiační ochrany mají svou specifickou formu při lékařských aplikacích ionizujícího záření, viz §5.7 "Radiační ochrana při radiační diagnostice a terapii".
  Součástí radiační ochrany je dále i zajištění fyzické bezpečnosti zdrojů ionizujícího záření, které by měly být zabezpečeny tak, aby nemohlo dojít k nekontrolovanému ozáření nebo kontaminaci prostředí - aby zdroje byly náležitě skladovány a evidovány, aby nedošlo ke ztrátě či odcizení zdroje, aby zářiče byly svěřovány jen osobám a organizacím, které jsou pro příslušné činnosti vyškoleny a mají povolení.

Základní způsoby ochrany před zářením
Úkolem radiační ochrany je snížení absorbované dávky ionizujícího záření v organismu na co nejnižší míru (rozumě dosažitelnou - "ALARA") a tím podstatné omezení rizika nežádoucích deterministických či stochastických účinků záření. Obdržená dávka záření je určena několika základními faktory: intenzitou, druhem a energií emitovaného záření s nímž pracujeme, dobou expozice a geometrickými podmínkami (vzdálenost, stínění). Jsou tedy tři základní způsoby ochrany před vnějším ionizujícím zářením (+ čtvrtý způsob při práci s otevřenými zářiči) :

Neopodstatněnost radiofobie při práci se zářením :
Při erudované práci se znalostí věci a dodržování uvedených zásad radiační ochrany lze dosáhnout toho, že práce s ionizujícím zářením není o nic nebezpečnější a škodlivější než práce s jakýmikoli jinými materiály, stroji a zařízeními.

  K praktické realizaci uvedených zásad radiační ochrany může výrazně napomáhat používání ochranných pomůcek při jednotlivých pracovních úkonech s ionizujícím zářením. Jsou to jednak pomůcky stínící - olověná pouzdra, kryty, nádobky či kontejnery na zářiče, stínící stěny, zástěry, brýle a pod. Dále pomůcky manipulační - pinzety, pipety, dálkové manipulátory, dopravníky a pod. Při práci s otevřenými zářiči jsou to pak pomůcky proti kontaminaci - gumové rukavice, pláště, roušky, neprodyšná obuv a další.

Limity radiačních dávek
Jakákoliv dávka ionizujícího záření může být spojena s určitým rizikem škodlivých účinků, takže je třeba dbát aby dávky byly co nejnižší. Pro účely hodnocení a usměrňování expozice záření byly stanoveny určité hraniční hodnoty dávek za čtvrtletí, rok a 5 let – tzv. limity (nejvyšší přípustné dávky) pro pracovníky se zdroji ionizujícího záření, které jsou stále ještě spojeny s velmi malou pravděpodobností poškození zářením. Nynější hodnota ročního limitu pro pracovníky činí 50 mSv, pětiletý limit 100 mSv. Základní limity pro ostatní obyvatelstvo jsou stanoveny ve výši 1 mSv/rok.
...................
...........

5.4. Radiační monitorování a osobní dozimetrie
Radiační monitorování je cílené měření veličin charakterizujících záření za účelem zajištění optimální úrovně ochrany osob a pracovního či životního prostředí před škodlivými účinky ionizujícího záření. Monitorování se provádí na pracovištích s ionizujícím zářením a příp. i v okolí zdrojů ionizujícího záření. Základními veličinami, měřenými při radiačním monitorování, je radiační dávka a dávkový příkon. Jejich přímé měření se provádí pomocí tzv. dozimetrů, což jsou speciálně upravené radiometry, cejchované v jednotkách dávky (Gray, Sievert). Vedle toho se používají metody odvozeného stanovení dávek na základě jiných veličin, např. aktivity radionuklidů.

Referenční úrovně
Pro hodnocení výsledků měření při monitorování se stanovují učité význačné hodnoty, jejichž dosažení signalizuje určitou anomální radiační situaci a je příp. pokynem pro zahájení příslušných opatření radiační ochrany. Zavádějí se tři druhy referenčních úrovní:

Radiační monitorování se zpravidla skládá ze tří částí: monitorování osob, monitorování pracoviště, monitorování radioaktivních odpadů a příp. monitorování okolí pracoviště s ionizujícím zářením.

Monitorování osob - osobní dozimetrie
Osobní monitorování spočívá v měření osobních dávek záření jednotlivých radiačních pracovníků, ať již se jedná o zevní ozáření, nebo příp. o vnitřní ozáření z radioaktivní kontaminace. Monitorování zevního ozáření se provádí pomocí osobních dozimetrů, které radiační pracovníci nosí během všech prací s ionizujícím záření a pobytu v kontrolovaném pásmu. Tyto dozimetry jsou ve stanovených časových intervalech (zpravidla 1 měsíc) centrálně vyhodnocovány, výsledkem jsou hodnoty dávek (v mSv).
Pozn.: Je třeba si uvědomit, že přímé měření absorbované dávky je velmi obtížné, mimo laboratorní metody obecně dozimetrické veličiny nejsou přímo měřitelné. Dávky se stanovují nepřímo a přibližně, na základě určitých modelových předpokladů. Z údajů na dozimetrech se odvozuje povrchová dávka a dávka v určité hloubce.
Jsou používány následující druhy osobních dozimetrů:

Radiační monitorování pracovního a životního prostředí
Pro zajištění optimální úrovně radiační ochrany a radiační prevence je důležité sledování intenzity ionizujícího záření a příp. přítomnost radioaktivní kontaminace v prostorách pracovišť, jejich okolí i v životním prostředí obyvatel - tzv. radiační monitorování.
..........................
Měření dávky a dávkového příkonu v laboratořích, vyšetřovnách a na lůžkových odděleních. Systém monitorovacího programu pracovišť........................

5.5. Otevřené radionuklidy. Vnější a vnitřní kontaminace
Uzavřené a otevřené zářiče
Z hlediska materiálové povahy a technického provedení se zdroje ionizujícího záření dělí na dvě skupiny:

Podle závažnosti radiačního rizika se dále zdroje ionizujícího záření dělí na 5 kategorií:
Nevýznamné zdroje
(např. drobné uzavřené etalony pro spektrometrickou kalibraci, ionizační hlásiče požáru, radioaktivní látky s aktivitou nižší než je zprošťovací úroveň a pod.);
Drobné zdroje
(jako jsou silnější uzavřené zářiče a nízké aktivity otevřené);
Jednoduché zdroje
(např. zařízení pro rentgenovou diagnostiku a defektoskopická zařízení);
Významné zdroje
(např. uzavřené zářiče pro radioterapii, urychlovače, vysoce aktivní otevřené zářiče); a nakonec
Velmi významné zdroje
(jako jsou jaderné reaktory nebo zařízení pro výrobu radionuklidů).

Laboratorní práce s otevřenými radionuklidy a jejich skladování, radioaktivní odpady, aplikace radionuklidů pacientům.
Radiační hygiena při použití otevřených zářičů - ochrana pracovníků před vnějším zářením a vnitřní kontaminací.

Radioaktivní kontaminace
Při manipulaci s otevřenými radioaktivními látkami může dojít k jejich úniku a následné kontaminaci (zamoření) předmětů, pracovního prostředí a osob těmito radioaktivními látkami.

Povrchová kontaminace
Nejčastěji dochází k  povrchové kontaminaci pracovních ploch, pomůcek, oděvů nebo osob. Povrchová kontaminace může vést k vyšším dávkám záření především na kontaminované oblasti kůže, v některých případech však může vyústit i ve vnitřní kontaminaci, viz níže.
K průběžné kontrole povrchové kontaminace během práce a po jejím skončení se používají především radiometry s velkoplošnými sondami, které by se měly nacházet na všech exponovaných pracovištích a v hygienických smyčkách.
Citlivou metodou kontroly kontaminace je i metoda stěrů, kdy štětičkou z vaty namočenou ve vhodném rozpouštědle (lihobenzin) setřeme příp. kontaminaci z definované plochy exponovaného místa a pak ji ve zkumavce přeměříme studnovým scintilačním detektorem.

Dekontaminace
Při kontaminaci pracovního prostředí je pracovník povinen zamezit šíření kontaminace, označit viditelně kontaminovanou plochu, nahlásit tuto příhodu vedoucímu nebo dohlížejícímu pracovníkovi a pod jeho vedením spolupracovat při dekontaminaci. Při dekontaminaci je třeba nejprve filtračním papírem nebo buničinou odsát co největší část aktivní tekutiny a dále kontaminovanou plochu omývat a otírat vhodným čistícím či dekontaminačním prostředkem. Vzniklé odpady je nutno ukládat do igelitových sáčků a kontaminované předměty odmořit nebo je uložit v igelitových sáčcích k vyzáření. Kontaminovanou vodu je nutno vylévat do odpadu napojeného na vymírací jímky. Účinnost dekontaminace se průběžně kontroluje přeměřováním radiometrem. Nepodaří-li se zcela odstranit aktivitu, je třeba dané místo označit a přikrýt ochranným papírem či fólií; o dalším postupu a opětném obnovení provozu pak rozhodne vedoucí či dohlížející pracovník.
  Při kontaminaci osob musí pracovník svléci kontaminované části oděvu nebo ochranných pomůcek, prověřit kontaminaci povrchu těla a podle potřeby provést očistu omýváním nebo osprchováním. Dále je nutno prověřit, zda nedošlo k vnitřní kontaminaci pracovníka. Při podezření na vnitřní kontaminaci a překročení nejvyšší přípustné dávky záření je třeba učinit potřebná zdravotnická opatření ve spolupráci s SÚJB a s hygienickými orgány, včetně dočasného vyřazení pracovníka z prostředí s ionizujícím zářením.
  Rozsáhlejší radioaktivní kontaminace je již radiační havárií - viz následující §5.6.

Vnitřní kontaminace
Při manipulaci s vyššími aktivitami otevřených zářičů může dojít k nežádoucímu průniku radioaktivních látek dovnitř do organismu - k vnitřní kontaminaci a následnému vnitřnímu ozáření. Speciálním případem "vnitřní kontaminace" je záměrná aplikace radioaktivní látky - radioindikátoru, radiofarmaka - do organismu za účelem diagnostiky nebo terapie v nukleární medicíně ("Scintigrafie", "Radioisotopová terapie").
  Po proniknutí do organismu radioaktivní látka vstoupí do metabolismu a může se distribuovat v jednotlivých tkáních a orgánech v závislosti na svém chemickém složení - část se může hromadit v tzv. cílových orgánech, zbytek se rozloží v celém těle. Většina radioaktivity je posléze metabolizována a po určité době odchází (většinou močí, v menší míře stolicí, někdy i potem) ven z organismu. Část radioaktivity však může zůstat trvale vázána např. v kostech.
  Radioaktivní kontaminace se do organismu může dostat v zásadě čtyřmi způsoby:

Monitorování vnitřní kontaminace
Zjišťování vnitřní kontaminace g-radionuklidy lze provést měřením záření gama pomocí citlivého scintilačního detektoru nad kritickými (cílovými) orgány. Např. u 131I je to štítná žláza, takže na pracovištích provádějících terapii štítné žlázy radiojodem je třeba periodicky měřit aktivitu štítné žlázy u všech pracovníků podílejících se na těchto terapiích. Speciální metodou měření vnitřní kontaminace je použití celotělových detektorů záření, osazených scintilačními nebo polovodičovými detektory, které jsou instalovány na některých pracovištích s extrémně vysokými radioaktivitami (jaderné reaktory, výroba radionuklidů). Tyto metody zevního monitorování se uplatňují především u vnitřní kontaminace radionuklidy emitujícími záření g, které proniká tkání ven z těla. U čistých zářičů b lze zevní monitorování použít jen tehdy, pokud v důsledku vysoké energie vytvářejí v tkáni tvrdší brzdné záření (např. 32P nebo 90Sr-90Y). U zářičů s nízkou energií b má brzdné záření nízkou intenzitu a energii, z těla ven nepronikne a zevní detekci nelze použít.
  Další metodou monitorování vnitřní kontaminace je měření aktivity vzorků krve a moči.

Stanovení radiační dávky z vnitřní kontaminace. Metoda MIRD.
Přesné stanovení radiačních dávek v jednotlivých tkáních a orgánech při vnitřní radioaktivní kontaminaci je obecně úkol velmi složitý a nesnadný. Absorbovaná dávka závisí nejen na fyzikálních charakteristikách radionuklidu (druhy a energie emitovaného záření, poločas rozpadu), ale i na jeho chemické formě (a to velmi podstatně!), normální či patologické farmakokinetice - rychlosti hromadění a vylučování látky v orgánech, na anatomických faktorech (velikostech, rozmístění a hustotách orgánů a tkání).
  Podrobnější rozbor distribuce dávek ve tkáních a orgánech bude uveden níže. Z hlediska rizika stochastických účinků se pro přibližné a globální posouzení radiační zátěže z vnitřní kontaminace používá tzv. konverzní faktor radiační kontaminace h [Sv/Bq]: je to koeficient, udávající efektivní dávku v těle (resp. úvazek efektivní dávky), způsobenou přijetím jednotkové aktivity 1Bq dané radioaktivní látky. Hodnoty konverzního faktoru závisejí nejen na druhu radionuklidu, ale i na tom, v jaké sloučenině se radionuklid nachází a na způsobu, jakým radionuklid do organismu vnikl; nejčastěji se udávají hodnoty pro požití hing a pro vdechnutí hinh. Konverzní faktory se udávají pro tzv. "referenčního člověka" s anatomickými a fyziologickými charakteristikami typickými pro průměrnou populaci, např. hmotnost 70kg. Přesnější hodnoty dávek z vnitřní kontaminace se stanovují na základě následujících modelů:
  Radiační dávka D [Gy] v orgánu, v němž je obsažena radioaktivní látka (předpokládá se pro jednoduchost rovnoměrné rozložení), je dána součinem dvou veličin
                                            D   =   S . AS   :
¨ Kumulovaná aktivita AS
udává celkový počet radioaktivních přeměn, k nimž dojde v uvažovaném orgánu za celou dobu přítomnosti radionuklidu. Hodnotu kumulované aktivity AS stanovíme jako integrál či plochu pod křivkou časové závislosti aktivity A v orgánu od času t=0 vstupu radionuklidu do jeho úplného vymizení (teoreticky do Ą): AS = 0ňĄA(t) dt (prostřední část obr.5.1.1).
  Vylučování (exkrece) dané radioaktivní látky z orgánu (popř. celého těla) má přibližně exponenciální časovou závislost a jeho rychlost se charakterizuje tzv. efektivním poločasem T1/2ef. Tento efektivní poločas je dán kombinací fyzikálního poločasu rozpadu T1/2 daného radionuklidu a tzv. biologického poločasu T1/2biol, tj. doby potřebné k vyloučení poloviny vstřebaného množství dané látky metabolismem. Efektivní poločas potom je T1/2ef = T1/2biol.T1/2/(T1/2biol+T1/2).
¨ Dávková konstanta S
představuje dávku vztaženou na jednotkovou aktivitu daného radionuklidu v orgánu [Gy/Bq]. Konstanta S v sobě zahrnuje vliv všech druhů záření emitovaného daným radionuklidem - částice b a a, záření g, charakteristické a brzdné X-záření, konvezní a Augerovy elektrony.
  Částice alfa a beta (jakož i konverzní a Augerovy elektrony) se ve zdrojovém orgánu zcela absorbují a přispívají jen k dávce v tomto orgánu, která pro tento případ činí D = Ea,b. AS/M, kde Ea,b je střední energie emitovaných částic a nebo b, AS kumulovaná aktivita, M hmotnost daného orgánu či tkáně (dávková konstanta je tedy v tomto případě S = Ea,b/M).
  Pronikavé záření gama a X může prozařovat i do okolních tkání a orgánů (obr.5.5.1 vlevo). Jeho příspěvek ke konstantě S závisí na energii záření, vzdálenostech, velikosti a tvaru zdrojových a terčových orgánů, částečně i na druhu tkáně mezi nimi.
  Hodnoty dávkové konstanty pro jednotlivé orgány a radionuklidy se stanovují pomocí mikrodozimetrických metod zahrnujících modelování a simulaci za pomoci fantomů; ve zjednodušené verzi se uvádějí v tabulkách radiační ochrany (jedná se o průměrné hodnoty vztažené na člověka hmotnosti 70kg).


Obr.5.5.1. Vlevo: Zdrojové a terčové orgány v organismu. Uprostřed: Časová závislost aktivity ve zdrojových orgánech. Vpravo: Časová závislost pro stanovení dávek z vnitřní kontaminace metodou MIRD.
Obrázek zhruba simuluje situaci po vniknutí radiojódu 131I do organismu.

  Tkáň či orgán, v němž potřebujeme stanovit radiační dávku, se označuje jako terčový, ostatní orgány a tkáně v těle jsou pro něj považovány za zdrojové - levá část obr.5.5.1. Radiační dávka DT v terčovém orgánu T se rovná součtu dávky z "vlastní" kumulované aktivity AST obsažené v tomto orgánu a dávkových příspěvků pronikajícího záření z aktivit ASi kumulovaných v okolních zdrojových orgánech:
                       DT   =   ST . ATS   + i=1SN (Si.ASi )   ,
kde Si jsou dávkové konstanty pro ozařování terčového orgánu z aktivity ASi obsažené v okolních orgánech "i" (které jsou zdrojovými pro terčový orgán T; obecně lze každý orgán považovat jak za terčový, tak zdrojový pro ostatní orgány). Konstanty Si zahrnují mimo jiné i absorbci záření v tkáních a úbytek intenzity záření se vzdáleností. V prvním přiblížení platí úměrnost Si ~ e-m.d/d2, kde m(Eg,r) je lineární součinitel zeslabení tkání hustoty r pro záření o energii Eg, d je vzdálenost zdrojového orgánu od orgánu terčového. Přesný výpočet by však měl zahrnovat integraci přes celý prostor mezi zdrojovým a terčovým orgánem, jakož i přes vlastní objem obou orgánů.
  Komplexní metoda, zahrnující výše uvedené fyzikální a biologické faktory pro stanovení radiačních dávek v jednotlivých orgánech z vnitřní distribuce radioaktivních látek, se označuje zkratkou MIRD (Medical Internal Radiation Dose). Základní metoda MIRD využívá některé paušální údaje o anatomických poměrech v tzv. "standardním člověku" hmotnosti 70kg. Upřesnění těchto údajů lze dosáhnout použitím volummetrie na denzitních obrazech rentgenové CT - tzv. voxelová metoda. A upřesnění konkrétních údajů o distribuci a farmakokinetice dané radioaktivní látky lze v principu získat pomocí kvantitativní scintigrafie. Takto zdokonalená, zatím nejkomplexnější a nejpřesnější metoda stanovení radiačních dávek v orgánech a tkáních v 3D radiofarmaceutické dozimetrii, má význam při plánování a monitorování průběhu radionuklidové terapie v nukleární medicíně - podrobnější rozbor je uveden v pasáži "Radioisotopová terapie" kap.3 "Aplikace ionizujícího záření". Je třeba upozornit, že vzhledem ke značné variabilitě zvláště biologických faktorů, ani při zahrnutí zmíněných komplexních metod nelze dosáhnout vysoké přesnosti stanovení radiačních dávek v orgánech - chyba se pohybuje kolem 30% i výše.
  V praxi je pro výslednou radiační dávku v terčovém orgánu dominantní dávka z vlastní kumulované radioaktivity v orgánu, zatímco příspěvek z ostatních vzdálenějších zdrojových orgánů je většinou zanedbatelný. Platí to zvláště tehdy, když radioaktivní látka je čistým zářičem b (či a), nebo podíl pronikavého g-záření není vysoký. A tak je tomu v naprosté většině případů radiačně významné vnitřní kontaminace.

5.6. Radiační ochrana na pracovištích s ionizujícím zářením
Kategorie pracovišť, kontrolované pásmo, ukládání a likvidace radioaktivních odpadů.

Uspořádání pracovišť a jejich kategorie
Stavba, uspořádání a vybavení pracoviště musí být provedeny tak, aby byla zajištěna dostatečná radiační ochrana pracovníků, ostatních osob a životního prostředí. V případě nehody musí být umožněna co nejrychlejší a nejúčinnější dekontaminace osob i pracoviště. Projekty a způsobilost pracovišť pro ionizující záření schvalují pracovníci SÚJB.

Pracoviště se dělí podle toho, zda jsou určena k práci s uzavřenými zářiči (jako jsou rentgenologická nebo radioterapeutická pracoviště) nebo se zářiči otevřenými. Podle závažnosti radiačního rizika se pracoviště dělí do 4 kategorií, u pracovišť s otevřenými zářiči je to podle zpracovávaných aktivit (vyhláška č.184 SÚJB, §6, §40).
Pracoviště I.kategorie jsou pouze pro práci s nízkými aktivitami radionuklidů s malou radiotoxicitou (drobné zdroje IZ) a po stavební stránce ani vybavením se neliší od chemických laboratoří.
Pracoviště II.kategorie zpracovávají střední aktivity otevřených radionuklidů, mají kontrolované pásmo a jsou vybaveny ochrannými pomůckami vč. digestoře, příp. oddělená kanalizace aktivních odpadů.
Pracoviště III.kategorie je určeno pro nejnáročnější práce se silnými uzavřenými zářiči (urychlovače, ozařovače v radioterapii a průmyslu) a s vysokými aktivitami otevřených radionuklidů (např. terapie radiojódem, těžba a zpracování uranové rudy, radiochemické provozy). Proto jsou kladeny značné požadavky na jeho stavební úpravy i vybavení, aby v případě kontaminace byla zajištěna co nejrychlejší a nejúčinnější očista. V kontrolovaném pásmu by zde měly být 3 typy místností: pro náročné práce s vysokými aktivitami, pro běžné laboratorní práce a měřicí místnosti. Kromě toho speciální místnosti či prostory pro skladování radionuklidů a radioaktivních odpadů. Podlahy a stěny laboratoří musí být hladké a omyvatelné, podlahy dále vyspádované a opatřené odpadem. Mělo by být též zajištěno intenzívní větrání s filtrací aktivního vzduchu s vývodem nad střechu. Kapalné radioaktivní odpady se vedou do vymíracích nádrží. Pracoviště musí být vybaveno vhodným stíněním, manipulátory, digestořemi a přístroji pro ochrannou dozimetrii. Kontrolované pásmo je zde odděleno od ostatních prostor hygienickými smyčkami s měřícím přístrojem a umývárnou.
Do IV.kategorie pracovišť jsou zařazeny provozy jaderných reaktorů, výrobny radionuklidů a úložiště radioaktivních odpadů o vysokých aktivitách a dlouhých poločasech rozpadu. Vedle ozáření a kontaminace přímo na pracovišti zde existuje riziko kontaminace životního prostředí, z čehož plyne nutnost monitorování okolí pracoviště.

Kontrolované pásmo
Kontrolovaným pásmem jsou nazývány ty prostory pracoviště, kde se pracuje s ionizujícím zářením (radioaktivními látkami nebo jinými zdroji ionizujícího záření) a kde je třeba dodržovat režim ochrany osob před ionizujícím zářením *). Vchody do kontrolovaného pásma musí být označeny varovnými znaky. Mají tam volný přístup jen poučení radiační pracovníci vybavení ochrannými pomůckami a osobními dozimetry, jiné osoby jen se svolením vedoucího příslušného pracoviště a jejich pobyt se eviduje.
*) Ve stávajících normách radiační ochrany se specifikuje: "Kontrolované pásmo se vymezuje všude tam, kde se očekává, že za běžného provozu nebo za předvídatelných odchylek od běžného provozu, by radiační dávka pracovníků mohla překročit 3/10 limitu pro radiační pracovníky".
Na některých pracovištích, zvláště I.kategorie, se zavádí tzv. sledované pásmo, což je prostor, kde za běžného provozu radiačních zdrojů by radiační dávka mohla překročit obecné limity pro obyvatelstvo.

Radiační nehody (havárie)
Při každé lidské činnosti - v oblasti průmyslu, zemědělství, zdravotnictví, vědy a techniky, laboratorní práci, jakož i v běžném životě, se občas něco "nepovede", rozbije, pokazí - dojde k nehodě. To se samozřejmě může stát i na pracovištích s ionizujícím zářením.
Pod radiační nehodou rozumíme neplánovanou událost, která zvýší ohrožení osob ionizujícím zářením. Na pracovištích s uzavřenými zářiči se jedná především o nežádoucí ozáření osob. Na pracovištích s otevřenými zářiči se zejména jedná o nekontrolovaný únik radioaktivní látky do pracovního prostředí (např. rozlitím, rozstříknutím, rozbitím lahvičky s radioaktivním roztokem a pod.) s následnou kontaminací pracovního prostředí nebo pracovníků. K takovým událostem může dojít při manipulaci s otevřenými zářiči v procesu jejich přípravy, transportu, skladování, aplikaci a likvidaci.
  Pro radiační nehody (zvláště drobnější) se někdy používá i název mimořádná událost. Rozsah radiační nehody či mimořádné události se rozlišuje 1.-3.stupněm závažnosti :

Pro hodnocení radiačních nehod u jaderných reaktorů se též používá mezinárodní 7-stupňová tabulka: 1.stupeň = odchylka od normálního provozu; 2.stupeň = porucha; 3.stupeň = vážná porucha; 4.stupeň = havárie s účinky v jaderném zařízení; 5.stupeň = havárie s účinky na okolí; 6.stupeň = havárie s vážnými radioaktivními následky; 7.stupeň = velká havárie s rozsáhlými radioaktivními následky.
Níže zmíníme několik příkladů závažnějších radiačních nehod.

Jaderné havárie a nehody s otevřenými zářiči
Jednou z typických situací, kdy může dojít k vážné radiační nehodě s otevřenými zářiči, je neopatrná práce se štěpným materiálem (především uran 235U nebo plutonium 239Pu), zvláště pokud je ve vyšších koncentracích - je tzv. obohacený. Pokud je k dispozici větší množství takového materiálu, může dojít k překročení kritického množství a spuštění řetězové štěpné reakce, při níž vznikne velmi silný záblesk neutronového záření a záření g, načež dochází k vysoké kontaminaci štěpnými produkty. Osoby nacházející se v místě nehody obdrží velmi vysoké dávky záření, nezřídka letální. V laboratořích a jaderných provozech se stalo několik nehod tohoto druhu.
   V novější době se jednalo např. o havárii v závodě na obohacování jaderných materiálů Tokai-Mura v Japonsku 30.září 1999. Zde 3 pracovníci připravovali jaderný materiál v roztoku oxidu uranu (obohaceného na více než 18% 235U) a kyseliny dusičné. Nedopatřením přilili do reakční kádě více roztoku uranu, čímž vzniklo nadkritické množství. Modravý záblesk signalizoval zapálení řetězové reakce. Dva pracovníci stojící nejblíž zemřeli, třetí pracovník se léčil na akutní nemoc ze záření.
    Řada radiačních nehod vznikla u jaderných reaktorů. Středně těžká havárie (stupeň 5) vznikla 28.března 1979 v jaderné elektrárně Three Mile Island na říčním ostrově poblíž Harrisburgu v Pennsylvánii v USA. Vlivem poruchy čerpadla sekundárního chladicího okruhu došlo ke vzrůstu teploty a tlaku v primárním okruhu, otevřel se přetlakový ventil a reaktor byl nouzově zastaven. Pojistný ventil se však zablokoval v otevřené poloze, tlak v primárním okruhu klesl, některá náhradní čerpadla vodního chlazení selhala, zbylým teplem začala voda vřít, praklo několik palivových článků. Do okolí unikla radioaktivní voda, pára a plyny - bylo zamořeno široké okolí elektrárny, bylo evakuováno několik tisíc lidí. Podobně jako později v Černobylu, viníci nehodu několik dní zcela tajili; na rozdíl od Černobylu se však zainteresovaným kruhům i později skutečný rozsah havárie podařilo utajit, takže spolehlivé údaje o množství uniklých radioaktivních látek chybí.
Havárie v Černobylu
Dosud nejtěžší radiační havárie (7.stupně) se stala 26.dubna 1986 v jaderné elektrárně v Černobylu (princip činnosti jaderných reaktorů a jejich bezpečnost je stručně diskutována v §1.3 "Jaderné reakce", pasáž "Štěpení atomových jader"; zde je též popsán průběh a příčiny černobylské havárie). Při destrukci jaderného reaktoru došlo k rozsáhlé kontaminaci životního prostředí radioaktivními štěpnými produkty a k ozáření 232 osob vysokými dávkami záření (jednotky až desítky Sv), spojenými s deterministickými účinky a akutním poškozením zdraví; v 31 případech se jednalo dokonce o účinky letální (z toho 2 pracovníci byli usmrceni přímo při výbuchu reaktoru, avšak i kdyby se tak nestalo, obdrželi by letální dávku záření)! Dalších mnoho tisíc osob obdrželo dávku záření desítky až stovky mSv, u níž se dá očekávat zvýšený výskyt stochastických účinků.
   Přes veškerou závažnost a lokální tragičnost černobylské havárie se však její důsledky naštěstí ukázaly být podstatně menší, než se zpočátku zdálo. A samozřejmě mnohonásobně menší (přinejmenším 100-krát menší!), než tvrdily některé propagandistické materiály, zmanipulované ať již z politických důvodů (antikomunismus, antisovětismus), či z pohnutek partikulárních zájmů (boj proti jaderné energii, uhelná lobby a pod.). Černobylská havárie se však každopádně stala určitým mezníkem v jaderné energetice a radiační ochraně. Vedla k podstatnému zpřísnění bezpečnostních předpisů a norem radiační ochrany nejen v jaderné energetice, ale v celé oblasti aplikací ionizujícího záření. K tak rozsáhlé havárii, jaká byla v Černobylu, patrně již nikdy nedojde!

Radiační nehody s uzavřenými zářiči
I s uzavřenými zářiči může dojít k vážným radiačním nehodám, pokud je jejich intenzita záření (dávkový příkon) patřičně vysoká. Potenciálně nebezpečnými zářiči z tohoto hlediska jsou zvláště silné radioterapeutické ozařovače či průmyslové zářiče např. pro defektoskopii či sterilizaci. Při neopatrné manipulaci s takovými nechráněnými zářiči může dojít k vnějšímu ozáření organismu vysokými radiačními dávkami buď celotělově (Ţ nemoc z ozáření - někdy i letální, zvýšený výskyt stochastických účinků), nebo lokálně (Ţ radiační popáleniny).
   Tragická radiační nehoda tohoto druhu se stala v září r.1987 v městě Goiania oblasti Goias v Brazílii, kde z radioterapeutického ozařovače určeného k vyřazení byl neodborně a nekontrolovaně vyjmut cesiový zářič 137Cs o aktivitě cca 50 000 GBq. Neznalí pracovníci jej vzali domů, rozebrali a pak prodali do šrotu. Pracovníci skladu odpadových surovin dále rozdělali zářič a jeho jednotlivé části vzali domů (líbilo se jim modravé světélkování!), dokonce si s nimi hrály i děti. Výsledkem bylo 5 úmrtí na nemoc z ozáření, 20 osob mělo lokální radiační popáleniny (většinou na rukách).
   Další radiační nehody, některé s letálními následky, vznikly při krádežích zářičů. Je dokonce známo i několik případů kriminálního zneužití zářičů proti osobám (vraždy či pokusy o vraždu). Pachatelé a oběti těchto radiačních úkladů jsou většinou osoby podílející se na špionážní činnosti a organizovaném zločinu.
   Řada radiačních nehod se stala přeexponováním pacientů při radioterapeutickém ozařování v důsledku chybné kalibrace ozařovače či chybě v ozařovacím plánu. Vážná nehoda tohoto druhu se stala v prosinci r.1990 ve fakultní nemocnici v Zaragoze ve Španělsku, kde vinou špatné kalibrace lineárního urychlovače došlo k 2-7-násobnému přeexponování ozařovaných pacientů, vlivem čehož na nemoc z ozáření zemřelo 18 pacientů a dalších 9 utrpělo radiační poškození.

  Je třeba s uspokojením konstatovat, že v současné době k radiačním nehodám dochází poměrně zřídka. Oblast aplikací ionizujícího záření je sledována, koordinována a zabezpečena jako snad žádný jiný obor lidské činnosti. Pracují zde většinou odborně fundovaní lidé, dobře obeznámení se zásadami práce s radioaktivitou a ionizujícím zářením i s principy radiační ochrany.

Radioaktivní odpady
Radioaktivní odpad je takový již nevyužitelný*) materiál vzniklý při výrobě a používání zdrojů záření, který obsahuje radioaktivní látky. Podle výše uvedené klasifikace radioaktivních zářičů jsou tyto odpady zářiče otevřené. Radioaktivní odpad může být potenciálně nebezpečný pro životní prostředí - může způsobovat nežádoucí ozáření či kontaminaci.
*) Tato nevyužitelnost však může být relativní a podmíněná momentálním stavem technologií. S vývojem nových technologií se může původně obtížný odpad stát vítanou surovinou (viz např. pasáž "Jaderné odpady" v §1.3).

Jak lze zlikvidovat radioaktivitu?
Je známo, že téměř všechny škodliviny lze zlikvidovat spálením - při vysoké teplotě nad cca 600°C se rozloží chemické vazby, dojde k oxidaci a látka přestává být toxická (určitou výjimkou jsou sloučeniny těžkých kovů, které je někdy obtížné převést na neškodné sloučeniny). Pro radioaktivní látky toto neplatí - vlastní radioaktivitu nelze zlikvidovat spálením! - viz pasáž "Nezávislost radioaktivního rozpadu na vnějších podmínkách" v kap.1.2 "Radioaktivita". Běžným spálením pouze rozložíme či změníme chemické vazby, avšak počet radioaktivních atomů zůstává přesně stejný jako před spálením - část jich unikne v plynné formě v dýmu, část zůstane v pevné fázi v popelu. Ke zničení radioaktivních jader bychom museli látku zahřát na teplotu několika miliónů stupňů aby docházelo k jaderným reakcím. Tím bychom sice mohli zlikvidovat stávající radioaktivní jádra, avšak při jaderných reakcích by zase naopak z původně neaktivních jader mohly vznikat nová radioaktivní jádra... V §1.3 "Jaderné reakce" jsou diskutovány tzv. transmutační technologie likvidace radioaktivních odpadů ozařováním neutrony (ADTT), které mohou mít význam u dlouhodobých a vysoce aktivních odpadů z jaderných reaktorů.

  Pro manipulaci s radioaktivním odpadem a jeho likvidaci je rozhodující především aktivita a poločas rozpadu příslušných radionuklidů, dále pak chemická forma. V závislosti na poločasu rozpadu a radiotoxicitě je pro každý radionuklid (resp. kategorii radionuklidů) stanovena tzv. zprošťovací úroveň: je to taková hodnota aktivity (celkové nebo měrné hmotnostní aktivity), pod jejíž úrovní je ohrožení kontaminací zanedbatelné a látka může být uvedena do životního prostředí bez speciálních radiohygienických opatření. ........doplnit kategorie radionuklidů......
Podle skupenství radioaktivní odpad může být pevný, kapalný nebo plynný.

  Z hlediska radiační ochrany je tedy radioaktivní odpady nutno udržet pod kontrolou tak dlouho, dokud jejich radioaktivita neklesne v důsledku samovolného rozpadu na dostatečně nízkou úroveň, aby nemohlo dojít k žádnému ohrožení biosféry. Obtížným problémem to je pro vysoce aktivní odpady, obsahující radionuklidy s dlouhými poločasy rozpadu; do této kategorie patří především vyhořelé jaderné palivo ze štěpných jaderných reaktorů (§1.3, pasáž "Jaderné odpady").
  Další možností je řízené pomalé dlouhodobé zavádění radioaktivních látek do přírodního prostředí, při splnění dvou podmínek:
1. Nesmí být překročena aktuální sprošťovací úroveň radionuklidů, aby lokálně nedošlo k možnosti zvýšené radiační zátěže v místě vypouštění.
2. Celkové množství uvolněných radioaktivních látek nesmí překročit "objemovou kapacitu" distribučního volumu daných látek v přírodě, aby v budoucnosti nedošlo ke zvýšení přírodního radiačního pozadí.

5.7. Radiační ochrana při radiační diagnostice a terapii
Ochrana pacientů při radiačních diagnostických a terapeutických výkonech
Medicínská diagnostika a terapie patří k nejdůležitějším aplikacím ionizujícího záření; ve vyvinutých zemích též nejvíc přispívá k radiační zátěži obyvatelstva ze všech uměle vytvořených zdrojů záření.
  Metodika radiační ochrany při lékařských aplikacích ionizujícího záření - v rtg diagnostice, v radioterapii a v nukleární medicíně - vychází ze základních principů radiační ochrany uvedených v §5.3 "Cíle a metody ochrany před zářením", má však svá význačná specifika. Především se zde nestanovují závazné limity ozáření, aby nebyly omezovány některé diagnostické a terapeutické výkony potřebné pro zajištění zdraví či života pacientů. Místo toho jsou stanovovány určité doporučené hodnoty dávek, tzv. směrné hodnoty, jako vodítko při provádění konkrétních diagnostických nebo terapeutických metod (viz níže "Princip optimalizace").
Princip odůvodnění lékařského ozáření
Radiační ochrana pacientů vychází ze základního etického požadavku, aby riziko radiačního poškození při diagnostických nebo terapeutických výkonech bylo vyváženo (nebo lépe pokud možno převáženo) očekávaným zdravotním přínosem pro pacienta. Tento základní požadavek při medicínské aplikaci ionizujícího záření se v radiační ochraně nazývá princip odůvodnění lékařského ozáření.
Princip optimalizace
Dalším důležitým aspektem, který v praxi přispívá k vyváženosti radiačního rizika a přínosu, je analýza optimalizace radiační ochrany. Při diagnostice v nukleární medicíně je tedy třeba aplikovat takové nezbytně nutné množství radioaktivní látky (požadované kvality a čistoty), které zaručuje dostatečnou diagnostickou informaci při co nejnižší radiační zátěži pacienta. Pro optimalizaci množství aplikované radioaktivity různých radiofarmak u jednotlivých vyšetřovacích metod byly vypracovány tabulky směrných hodnot, nazývaných též diagnostické referenční úrovně, které umožňují i přepočet aplikované aktivity pro jednotlivé pacienty, většinou podle hmotnosti pacienta (i nestandardní – např. děti, osoby s nadváhou a pod.).

  Průměrná radiační zátěž pro nejčastejší metody rtg diagnostiky a radioisotopové diagnostiky v nukleární medicíně je uvedena v následující tabulce 5.7.1 (vychází se z materiálů IAEA). Jedná se o přibližné průměrné hodnoty za předpokladu, že jsou dodrženy směrné hodnoty energie, intenzity a doby expozice u rtg diagnostiky a směrné hodnoty aplikované radioaktivity u metod nukleární medicíny (zde se u všech uvedených metod jedná o radiofarmaka značená 99mTc):

Rentgenová diagnostika Radioisotopová diagnostika
Druh vyšetření Ef. dávka
[mSv]
Snímek plic 0,05
Páteř 1,8
Břicho 3 - 8
Urografie 2,1
Mamografie 0,5
Angiografie 3 - 9
CT hlava 1,1
CT tělo 9,2
Druh vyšetření Ef. dávka
[mSv]
Statická scintigrafie ledvin 1,5
Dynamická scintigrafie ledvin 2,2
Dynamická cholescintigrafie 2,3
Scintigrafie skeletu 3,4
Perfúzní scintigrafie plic 1,2
Scintigrafie štítné žlázy 2,2
Scintigrafie perfuze myokardu 7,5
   
Tab.5.7.1. Přibližná radiační zátěž pro nejčastější metody rentgenové a radioisotopové diagnostiky

Při terapeutických aplikacích radionuklidů se aplikuje přesně stanovené množství radioaktivity – stanovuje se buď podle ověřených empirických vzorců, nebo paušálně podle dané diagnózy a požadovaného terapeutického efektu (podrobnněji §3.6 "Radioterapie", pasáž "Radioisotopová terapie").

  Aktivita každé radioaktivní látky aplikované pacientovi (zvláště pak terapeutické aplikace) musí být změřena na správně kalibrovaném a metrologicky ověřovaném měřiči aktivity. Hodnota aplikované aktivity musí být zapsána v dokumentaci o diagnostice či terapii.
......................
Radiační riziko stochastických účinků - rozdělení radiofarmak podle radiačního rizika. Posouzení přijatelnosti radiačního rizika v kontextu ostatních rizik pracovního a životního prostředí.
Aplikace radiofarmak dětem - volba aktivity, radiační zátěž u dětí ve srovnání s dospělými osobami. Aplikace radiofarmak ženám v reprodukčním věku a v období gravidity. ....doplnit?

  U těhotných žen se provádí radiodiagnostické úkony spojené s ozářením jen v nezbytně nutných případech, přičemž se volí co nejšetrnější metody s ohledem na ochranu plodu.
.......... doplnit?

5.8. Organizační a legislativní zajištění radiační ochrany
Každý, kdo užívá zdrojů ionizujícího záření, je povinen v mezích své působnosti činit všechna potřebná opatření k ochraně zdraví svého, svých spolupracovníků i ostatních osob. Základním legislativním rámcem pro práci s ionizujícím zářením je v současné době tzv. "Atomový zákon" (zákon č. 18/1997 o mírovém využívání jaderné energie a ionizujícího záření) a související normy a předpisy. Je to především vyhláška SÚJB č. 184/1997 - novelizována vyhláškou SÚJB č.307/2002 a nakonec vyhláškou SÚJB č.499/2005, dále vyhlášky SÚJB č. 146/1997 a SÚJB č. 214/1997. Atomový zákon stanovuje nejobecnější pravidla pro práci se zdroji ionizujícího záření, zejména jsou důležité cíle radiační ochrany – vyloučení deterministických účinků a omezení stochastických účinků na minimum, dále principy práce s IZ – zdůvodnění činností (riziko versus profit), optimalizace (ozáření lidí versus náklady na jeho zmenšení), limitování (přírodní zdroje, lékařské expozice...).

  Pro dohled a koordinaci celého komplexu opatření pro bezpečné používání zdrojů ionizujícího záření byl zřízen Státní ústav jaderné bezpečnosti (SÚJB). Kromě legislativní činnosti SÚJB posuzuje projekty pracovišť se zdroji ionizujícího záření, vydává příslušná povolení a vykonává inspekční činnost na těchto pracovištích.

  Na každém pracovišti s ionizujícím zářením je kromě toho ustaven dohlížející pracovník, který se přímo na místě zabývá otázkami radiační ochrany a vede příslušnou dokumentaci. Dohlížející pracovník se účastní kursů a seminářů pořádaných SÚJB a dalšími organizacemi a odbornými společnostmi. Na větších pracovištích nukleární medicíny (jako je KNM FNsP Ostrava) je zřízen Technicko-fyzikální úsek (TFÚ), který spolu s ostatní fyzikální a technickou problematikou pracoviště po odborné stránce zajišťuje i metodiku ochrany před zářením. V některých velkých zdravotnických ústavech je zřízeno centrální Oddělení lékařské radiační fyziky a hygieny, které koordinuje veškeré otázky aplikace záření a radiační ochrany.

  Soubor hlavních zásad, opatření a metodika měřících postupů pro zajištění optimální úrovně radiační ochrany na konkrétním pracovišti, jsou sepsány v tzv. Monitorovacím programu pracoviště (co se měří, jak často se měří, kde se měří, jak a čím se měří, interpretace výsledků měření a jejich dokumentace). Součástí monitorovacího programu je stanovení referenčních úrovní – záznamová, vyšetřovací, zásahová.

  Dalším souvisejícím materiálem je Program zabezpečování kvality pro diagnostickou a terapeutickou činnost pracoviště, což je soubor kontrolních a adjustačních činností pro zajištění správné funkce přístrojů a potřebné kvality radiofarmak; toto je podmínkou přesných a spolehlivých výsledků měření a vyšetření. S problematikou ochrany před zářením to souvisí prostřednictvím optimalizace mezi přínosem a riziky aplikace ionizujícího záření: čím jsou validnější výsledky diagnostiky a lepší účinky terapie, tím více převažuje zdravotní profit pacientů nad rizikem nežádoucích účinků ionizujícího záření – a naopak.

  Soubor opatření včetně postupů dekontaminace a kontrolních měření při radiačních haváriích a jiných mimořádných událostech na pracovišti jsou shrnuty v Havarijním řádu pracoviště. Rovněž v Provozním řádu pracoviště je obsažena řada konkrétních zásad pro správnou a bezpečnou práci se zdroji ionizujícího záření.
....................
.........
Jelikož organizační a legislativní problematika je značně vzdálena profesnímu zaměření autora (fyzika), k podrobnostem bude vhodné odkázat přímo na www-stránky SÚJB: http://www.sujb.cz .

Pro podrobnější popis problematiky radiační ochrany (zvláště v oblasti otevřených zářičů a nukleární medicíny) můžeme dále odkázat na práce našeho předního specialisty v této oblasti Prof.Ing. Václava Hušáka, CSc. a dalších odborníků zabývajících se radiační ochranou:
Hušák V.: .............
Hušák V., Pašková Z.: Radiační ochrana v nukleární medicíně. In: Principy a praxe radiační ochrany. SÚJB, Praha 2002
............. - doplnit
Některé aspekty jsou stručně zmíněny i v sylabu "Radiační ochrana".

4. Scintigrafie  
Zpět: Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Jaderná a radiační fyzika Detekce a spektrometrie záření Aplikace záření
S c i n t i g r a f i e Počítačové vyhodnocování scintigrafie Radiační ochrana
Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu   |  Antropický princip aneb kosmický Bůh
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann