Biologické účinky ionizujícího záření - rizika a využití pro zdraví

AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

§ PAPRSKY ŽIVOTA §
i
N S M R T I N

Záření jako důležitý přírodní fenomén

Vliv ionizujícího záření na život

Využití záření v diagnostice a terapii

Přednáší: RNDr. Vojtěch Ullmann
fyzik

- sylabus přednášky -

Jak záření vzniká a jaké hlavní druhy záření známe ?
Která záření jsou nebezpečná a jak se před nimi chránit ?
Jaká onemocnění se dají ionizujícím zářením diagnostikovat nebo léčit ?

Záření - důležitý přírodní fenomén

Z Á Ř E N Í (radiace)	=	Přenos energie prostorem "na dálku" prostřednictvím fyzikálních polí nebo mikročástic
		Kromě energie při záření dochází i k přenosu hmoty a informace

Mechanismus přenosu energie:
Časové změny pole	Pohyb částic
(Vlny - elektromagnetické, gravitační)	(elektrony b, a-částice, protony, neutrony,...)
ë kospuskulárně-vlnový dualismus ě

Šíření záření v prostoru:
  ¨ Vakuum - volné šíření vln a pohyb částic - podle zákona setrvačnosti
  ¨ Látkové prostředí - částečný průchod
                                    - rozptyl - absorbce - re-emise ® zeslabení záření
                                                energeticky závislé          ®   změna spektra záření

(strukturovaný)
Přenos energie

® zprostředkovává ®

Přenos informace

Záření přenáší informace:
¨ O zdroji emitujícím záření (jeho povaze, složení, "síle", příp. proměnnosti atd)
¨ O látkovém prostředí, jímž záření prochází (hustota, tloušťka, chemické složení látkového prostředí)

Zakódování informace v:		Dekódování informace:
Intenzitě záření	®	Detekce záření
Energetickém rozložení	®	Spektrometrie záření

Záření pomáhá odhalovat:
  ¨ Tajemství složení hmoty
  ¨ Strukturu a evoluci vesmíru (především hvězd a galaxií, globální kosmologické otázky)
  ¨ Anatomickou stavbu a fyziologické děje v živých organismech

Energie záření:
¨ Pomáhá léčit některá onemocnění, především nádorová
¨ Je využívána v radiačních technologiích

Světlo - zdroj vizuální informace o světě

Co je to světlo?

Korpuskulární (emisní, emanační, výronová) teorie - I.Newton.
Světlo je proud rychle letících drobných pružných částic.
Vlnová (undulační) teorie - Ch.Huygens, později J.C.Maxwell.
Světlo je vlnění pružného světelného éteru.

Obě teorie mají částečně pravdu - popisují dvě různé stránky jednoho jevu :

Světlo je elektromagnetické vlnění o krátké vlnové délce, které se šíří ve vakuu i v látkovém optickém prostředí. Éter byl opuštěn!
Světlo je zároveň proud fotonů - kvant elektromagnetického vlnění.

Pozoruhodná vlastnost světla: nezávislost rychlosti světla (c = 300 000 km/s) na vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele Ţ Einsteinova speciální teorie relativity.

Záření obecně:

Korpuskulární (částicové)
V l n o v é

Avšak : Korpuskulárně – vlnový dualismus !

Rozhoduje klidová hmotnost m₀ kvanta záření :

m₀ > 0 Ţ korpuskulární , m₀= 0 Ţ vlnové

Záření korpuskulární :

a (jádra hélia – 2p⁺,2n⁰)
b^- (elektrony e^-), b⁺ (pozitrony e⁺)
neutronové (n⁰), protonové (p⁺) , těžší ionty, neutrinové (n ), mesonové, ....

Záření vlnové :

Elektromagnetické (radiovlny, infračerv., světlo, UV, X, g )
Gravitační - gravitační vlny ?
..... jiná záření ??- zatím neznáme -??

Energie a účinky záření :

“Měkké” záření – účinky mechanické a tepelné, elektrické (vnitřní a vnější fotoefekt), fotochemické (fotografie, fotosyntéza)
“Tvrdé” záření – ionizační účinky (popř. i jaderné reakce) ® následné účinky chemické

Ionizující záření:

Je to záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopny vyrážet elektrony z atomového obalu a tím způsobovat ionizaci látek.

Pro běžné druhy záření fotonového (X a g), elektronového (b^-) a a se za energetickou hranici ionizujícího záření bere energie 5 keV.
Složitější situace je u neutronového záření, kde i velmi pomalé neutrony vstupují do jader a prostřednictvím jaderných reakcí mohou vyvolávat sekundárně ionizaci (a to i zpožděně či dlouhodoběji - aktivace jader, vznik radionuklidů). Podobně není definována prahová energie u záření b⁺, kde i velmi pomalé pozitrony anihilují s elektrony za vzniku tvrdého ionizujícího záření g.

Fyzika ionizujícího záření - radiační fyzika - radiologie - dozimetrie

RADIOLOGIE = obecně věda o záření ; v medicíně: RADIOLOGIE = využití záření pro diagnostiku a terapii

Fyzika ionizujícího záření je též známá pod názvem radiační fyzika či radiofyzika. Zahrnuje širokou problematiku:
¨ Mechanismy vzniku záření
¨ Fyzikální vlastnosti záření
¨ Interakce záření s látkou (včetně radiobiologických účinů)
¨ Detekce a spektrometrie záření
¨ Matematická analýza a vyhodnocování výsledků
Speciální oblastí fyziky záření je radiologická fyzika, zabývající se fyzikálními aspekty záření pro diagnostiku a terapii v medicíně. 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") - §5.1 "Účinky záření na látku. Základní veličiny dozimetrie.". Studovanou látkou je především v živá tkáň, modelová měření dávek a dávkových příkonů se provádějí ve vodě, vzduchu a speciálních dozimetrických fantomech.
Radiologie - záření v biologii a medicíně
Z etymologického hlediska slovo radiologie značí obecně vědu o záření. Historickým vývojem se však jeho význam zúžil a specifikoval. Radiologie je nyní věda o významu a využití záření v medicíně a biologii, lékařský obor, který využívá ionizující záření k diagnostice a terapii. Zahrnuje především tři hlavní speciální obory:
l Rentgenová diagnostika zvaná též radiodiagnostika*) (§3.2 "Rentgenová diagnostika")
l Radioterapie (§3.6 "Radioterapie")
l Nukleární medicína (kapitola 4 "Radioisotopová scintigrafie")
*) Do radiodiagnostiky byly v průběhu vývoje začleněny i další diagnostické metody, nevyužívající ionizujícího záření - ultrazvuková sonografie (viz Ultrazvuková sonografie), nukleární magnetická rezonance (Nukleární magnetická rezonance) a termografie (Termografie).
Biologickými účinky ionizujícího záření se zabývá radiobiologie (viz §5.2 "Biologické účinky ionizujícího záření") - obor na pomezí radiační fyziky a biologie.

Vznik a zdroje záření : ( přírodní - umělé )

proměnné elektromagnetické pole: radiovlny
zahřátá tělesa: infračervené záření, viditelné světlo, ...
přeskoky elektronů v atomovém obalu : světlo, charakteristické X-záření
Zdroje X-záření - rentgenky : X-záření (brzdné + charakteristické)
Radioaktivita jader: záření a, b^-,+, g
Urychlovače: částice e^-, e⁺, p⁺, a, .... urychlené na vysoké energie; sekundární brzdné elektromag. záření o vysoké energii
Kosmické záření : primární - převážně p⁺ i velmi vysokých energií ; sekundární - spršky částic e^-, e⁺, g, m ...

R a d i o a k t i v i t a :

Fyzikální jev, při kterém se atomová jádra spontánně (samovolně) přeměňují, přičemž se emituje ionizující záření .

Radioaktivita a :

Vyskytuje se jen u nejtěžších jader - v oblasti uranů a transuranů. Záření a má v látce velmi krátký dolet - omezený význam.

Radioaktivita b^- :

Elektron b^- vzniká v jádře přeměnou neutronu: n⁰ ® p⁺ + e^- + n

Radioaktivita b⁺:

Pozitron b⁺ vzniká v jádře přeměnou protonu: p⁺ ® n⁰ + e⁺ + n

Spektrum záření b je spojité - energie přeměny se rozdělí mezi částici b a neutrino n.

Vnitřní mechanismus radioaktivity beta :
Transmutace kvarků "d" a "u" uvnitř neutronů a protonů díky vlivem slabé interakci zprostředkované intermediárními bosony W^-,+, které se následně rozpadají na elektrony nebo pozitrony a neutrina.

Záření g :

Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření vznikající deexcitací vzbuzených hladin atomového jádra.
U radioaktivity se jedná o deexcitaci vzbuzených hladin dceřinného jádra vzniklého po radioaktivní přeměně.

Záření gama nejaderného původu
Kromě deexcitací vzbuzených energetických hladin v atomových jádrech vzniká záření g i při anihilacích pozitronů s elektrony a dalších částic a antičástic, jakož i při interakcích vysokoenergetických částic (zde může vznikat záření g o energiích řádu GeV, TeV i vyšších). Do kategorie záření g patří i brzdné záření vznikající při dopadu rychlých elektronů na terčík.

Základní vlastnost záření gama: - Pronikavost

Interakce ionizujícího záření s hmotou :

Interakce záření alfa a beta

Interakce záření gama s hmotou čtyřmi způsoby:

1.Fotoefekt 2.Comptonův rozptyl 3.Tvorba elektron-pozitronových párů

Účinky ionizujícího záření

Vliv ionizujícího záření na hmotu:
Na prvky: Ionizace atomů ® rekombinace na tytéž atomy - žádné chemické účinky
Na sloučeniny: Ionizace atomů ® chemické reakce ® radiolýza sloučenin ® reakce radikálů ® vznik nových sloučenin.
Otevře se "brána" chemickým reakcím - čím složitější sloučenina, tím různorodější jsou radiačně indukované reakce.

Buňky - základní jednotky živých organismů

Vliv ionizujícího záření na živou tkáň:

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.

Schématické znázornění význačných procesů a jejich časové posloupnosti při účincích ionizujícího záření na živou tkáň.

Malé dávky záření
Nízká hustota iontů ® malý počet poškození DNA ® vysoká pravděpodobnost opravy reparačními mechanismy
® stochastické účinky

Vysoké dávky záření
Vysoká hustota iontů ® velký počet poškození ® reparační mechanismy selhávají ® část buněk hyne
® deterministické účinky ® nemoc ze záření

Lineárně-kvadratický (LQ) model: N = N₀.e^-⁽^a^.D+^b^.D^²⁾ Ţ -ln(N/N₀) = a.D + b.D² - lineárně-kvadratická závislost

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.

Bystander-efekt.
Radiační poškození jedné buňky může indukovat poškození i některých okolních buněk, které nebyly ozářeny.

Škodlivé účinky ioniz. záření Ţ nutnost radiační ochrany !

Využití ionizujícího záření v medicíně

Diagnostika
Prozařování organismu X-zářením - obraz hustoty tkání - Rentgenová diagnostika :

Aplikace radioindikátoru ® detekce vycházejícího záření gama ® diagnostika struktury a činnnosti orgánů - Radionuklidová scintigrafie - nukleární medicína : + Laboratorní metody in vitro - radioimunoanalýza (RIA)

Laboratorní metody in vitro - radioimunoanalýza (RIA)

Radioterapie
Cílené ozáření patologické tkáně velkou (letální) dávkou záření ® likvidace nádorových buněk.
Základní úkol: Dosáhnout co největší dávku v cílovém místě při co nejmenším poškození okolních tkání.
Teleterapie - ozařování vnějšími svazky záření ("na dálku")
- Isocentrická radioterapie - ozařování z několika úhlů:

Moderní metody vysoce přesné radioterapie - Stereotaktická radioterapie SBRT :

- Hadronová radioterapie : ozařování urychlenými protony (popř. a-částicemi) a využití ostrého maxima Braggovy křivky (udávající hloubkovou závislost efektivní dávky) ke konci brzdné dráhy částice:

- Brachyterapie - zavádění zářičů "nablízko" dovnitř nebo do okolí nádorů:

- Radioisotopová terapie otevřenými zářiči b - "nejbrachyovatejší brachyterapie" - úplně nablízko na buněčné úrovni:
(např. léčba štítné žlázy radiojódem ¹³¹J, paliativní radionuklidová terapie metastáz, hematologická terapie, radionuklidová synovektomie)

Záření a život v přírodním prostředí

Ionizující záření v přírodním prostředí:

Zemské záření - draslík ⁴⁰K, thorium ²³²Th, uran ²³⁸U, ²³⁵U, radon ²²²Rn, ...
Kosmické záření - primární, sekundární

Kosmické záření sehrálo pravděpodobně důležitou úlohu při vzniku a evoluci života, a to přinejmenším ve dvou směrech :

Syntéza biogenních sloučenin
Primární kosmické záření při interakci s mezihvězdnou hmotou, především s částečkami mezihvězdného prachu, stimulovalo chemické reakce mezi atomy uhlíku, vodíku, kyslíku a dusíku, při nichž ve velkém množství vznikly některé důležité biogenní sloučeniny (aminokyseliny, ..........), které se dostaly na Zemi a později sloužily jako výchozí "stavební materiál" pro vznik a vývoj živé hmoty.
Mutagenní účinky kosmického záření
Sekundární kosmické záření v raných stádiích vývoje života na Zemi způsobovalo pestré spektrum mutací, z nichž přírodním výběrem byly do dalších generací přenášeny "pozitivní" mutace jakžto nositelé evoluce.


Výbuch supernovy pozorovaný v r.1054 v Číně	Dnes je na tom místě pozorována Krabí mlhovina obsahující uvnitř pulsar - rychle rotující neutronovou hvězdu

Mohutné záblesky kosmického záření - smrtelné nebezpečí pro život !

Z á v ě r

§ Paprsky života - blahodárné účinky záření
- Bez záření by nebylo života - vznik, evoluce, udržení života
- Záření jako zdroj energie a informace
- Využití záření pro diagnostiku a terapii v medicíně

N Paprsky smrti - škodlivé a ničivé účinky záření
- Zločinné zneužití jaderné energie k válečným účelům
- Nesprávné a neopatrné zacházení se zdroji ionizujícího záření - radiační havárie
- Rizika z přírodních zdrojů záření

Neopodstatněnost radiofobie při práci se zářením :

Při erudované práci se znalostí věci a dodržování 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.

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