Biologické úcinky ionizujícího zárení. Radiacní ochrana.

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 základním 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. Výsledný 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".
Absorbovaná radiační dávka
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, která byla látce v daném objemu zářením předána.
Tato výchozí dozimetrická veličina, zvaná předaná či sdělená energie E představuje energii [J,eV], kterou ionizující záření předalo látce v určitém objemu. Je obecně daná třemi složkami: E = SE_in - SE_out + SE_nucl. Zde SE_in je součet energií všech ionizujících částic, které do daného objemu vstoupily, SE_out je součet energií všech částic, které daný objem opustily. SE_nucl je součet všech případných změn klidových energií jader a částic, k nimž došlo v uvažovaném objemu při event. jaderných přeměnách vyvolaných účinky záření (v praxi je tato třetí složka většinou nulová, s výjimkou vysokoenergetického záření cca 10MeV a vyšší). Tato veličina má jen "školní" význam a v dozimetrické praxi se nepoužívá...
Základní dozimetrickou veličinou, která nám charakterizuje fyzikálně-chemické a posléze i biologické účinky záření na látku, je absorbovaná radiační dávka :

Velikost dávky či dávkového příkonu závisí na intenzitě záření v ozařovaném místě (je přímo úměrná fluenci záření), druhu a energii kvant ionizujícího záření, jakož i na vlastnostech interakce a absorbce tohoto záření v dané látce. I když radiační dávka je fyzikální veličina v zásadě použitelná pro různé látky a materiály, v radiační dozimetrii se používá především v biologických aplikacích - stanovuje se hlavně pro měkké tkáně nebo vodu. A tak je tomu pro všechny níže uvedené dozimetrické veličiny.
Poznámka: Veličina radiační dávka se zavádí pro vyjádření míry obvyklých (zjevných, makroskopických) účinků záření na látku - tedy absorbovaná energie, která se projeví fyzikálně-chemickými změnami na úrovni elektronových obalů, či zvýšením kinetické energie pohybů atomů a molekul v látce. Ve vzácných případech však může být energie záření pohlcena atomovým jádrem způsobem, který se na úrovni atomu přímo neprojeví. Je to především u neutronového záření, kdy některé neutrony mohou být pohlceny jádry ozařované látky za vzniku těžšího isotopu. To se neprojeví na běžných fyzikálně-chemických vlastnostech látky, ale jen na zvýšení hmotnosti některých atomů. Je diskutabilní, zda tuto část absorbované energie máme započítat do radiační dávky. Situace je zde ještě složitější: jádra která absorbovala neutrony jsou často radioaktivní (dochází k aktivaci) a při jejich přeměnách je následně uvolňovaná značná energie, způsobující radiační zátěž.

Expozice, kerma, terma
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 uvolněné přímo ionizující částice, nedávala informaci o tom, co se děje v okolí sledovaného objemu látky, zvláště v případě sekundárního nepřímo ionizujícího záření. Pro nabité primární částice není mezi kermou a dávkou rozdíl (pro záření tvořené nabitými částicemi se kerma ani nedefinuje). 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. Mezi dávkou a kermou platí vztah D = K.(1-g), kde g je frakce energie uvolněných nabitých částic, která se ztrácí při radiačních procesech v materiálu. Pro záření X a gama o energii menší než 3MeV hodnoty obou veličin (kermy a dávky) prakticky splývají, hodnota g činí pouhé zlomky procenta.
*) Elektronová rovnováha je stav, kdy energie uvolněná primárním zářením v daném elementárním objemu látky je stejně velká jako energie, kterou tam předají sekundární elektrony. Tato rovnováha je narušena při povrchu látky a v okolí rozhraní dvou různých prostředí. Při proniknutí primárního nepřímo ionizujícího kvanta (fotonu) do prostředí je uvolněná energie odnášena sekundárními elektrony a může se absorbovat ve větší hloubce. Při nízkých energiích (X-záření) je doběh sekundárních elektronů velmi malý a energie je absorbována prakticky ihned v místě uvolnění z interakce primární částice - elektronová rovnováha je splněna a hodnota dávky je číselně stejná jako kerma. U vysokoenergetického g-záření odnášejí sekundární elektrony uvolněnou energii do větší hloubky - dávka vykazuje počáteční stoupání a teprve ve větší hloubce nastává elektronová rovnováha a dávka svou hodnotou sleduje kermu.
U nepřímo ionizujícího záření (fotony g, neutrony) kerma charakterizuje energii předanou nabitým částicím v látce (elektronům a protonům) především při první srážce. Kerma závisí pouze na interakcích primárního záření v materiálu hmotnostního elementu Dm, zatímco absorbovaná dávka závisí také na sekundárních částicích, které byly vytvořeny v okolí analyzovaného objemového elementu a vstoupily do tohoto hmotnostního elemenru Dm (kdy byly částečně nebo úplně absorbovány). U kermy je třeba specifikovat, k jaké látce se vztahuje (např. kerma ve vzduchu či kerma v tkáni).
Kerma prostřednictvím interakcí s látkovým prostředím vyjadřuje spíše vlastnosti svazku záření, zatímco dávka vyjadřuje účinek na ozářené prostředí. Pokud je kerma uvedena v tomtéž daném látkovém prostředí, většinou ve vzduchu, může být použita ke kvantifikaci "vydatnosti" zdrojů záření, kermový příkon je úměrný fluenci záření.
V novější literatuře se vyskytuje, i když velmi zřídka, veličina terma:
¨ TERMA (Total Energy Released per unit MAss - celková energie uvolněná v jednotce hmotnosti materiálu) má prakticky stejnou definici T = DE/Dm a stejnou jednotku [Gy] jako absorbovaná dávka. Je to násobek hmotnostního koeficientu zeslabení (m/r) a primární fluence [MeV/cm²] energie záření v daném místě.
Pokud je při interakci svazku záření dosaženo rovnováhy nabitých částic, není rozdíl mezi veličinami terma a dávka (resp. jejich vztah je lineární). Avšak na rozhraní různých látek nebo na okrajích svazku mohou vznikat rozdíly.
¨ 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 v soustavě SI je coulomb na kilogram [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.
*) Rentgen R
Dřívější jednotkou expozice v soustavě jednotek CGS (Centimetr-Gram-Sekunda) byl rentgen R: Je to takové množství záření, při kterém se ionizací uvolní 1 elektrostatická jednotka (1esu » 3,3.10^-10C) náboje v 1cm³ suchého vzduchu (za normálních podmínek teploty a tlaku). Převodní vztah je 1R=0,258 C.kg^-1.
Z hodnoty expozice nelze zcela objektivně určit přesnou radiační dávku absorbovanou jinou látkou než vzduchem, protože absorbovaná radiační dávka závisí na vlastnostech materiálu a na typu a energii záření. Pro záření gama a X o běžných energiích desítky až stovky keV se při expozici 1 Rentgen v lidské tkáni absorbuje dávka přibližně 0,01 Gray (1 Rad). Zjednodušeně tedy platí převodní vztah: 1 Rentgen » 10 mSv. V různých radiačních tabulkách se přepočítávací faktor mezi Rentgeny a Sieverty uvádí v rozmezí 1 R = (0,0087-0,0096) Sv.
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. Pro monitorování X-záření v rtg diagnostice se používá např. "vstupní kermový příkon ve vzduchu".
Terminologická poznámka
Slovo "expozice" v našich materiálech z jaderné a radiační fyziky používáme v jeho obecném přírodovědném významu: osvětlení - míra ozáření nějakého objektu či materiálu, osvit (příp. doba osvitu) při fotografii nebo jiném radiačním zobrazení. S shora uvedenou starší opuštěnou dozimetrickou veličinou nemá téměř nic společného!

Radiační dávka z radioaktivity
Častými zdroji ionizujícího záření v praxi bývají radionuklidy (§1.2 "Radioaktivita"). Vzhledem k ozařovanému objektu se radioaktivní látka může nacházet buď vně - externí radionuklidový zářič, nebo může být obsažena přímo uvnitř zkoumaného objektu - vnitřní distribuce radioaktivity.
Externí radionuklidový zdroj
Externí radionuklidové zdroje jsou nejčastěji provedeny ve formě zapouzdřených uzavřených radioaktivních zářičů. Zdroji záření však mohou být i poblíž umístěné radioaktivní preparáty v lahvičkách či zkumavkách, jakož i pacient s aplikovanou aktivitou pro radionuklidovou diagnostiku nebo terapii. Radioaktivní zářič emituje své záření (dané druhem radioaktivních přeměn a aktivitou) v zásadě izotropně do všech směrů, do plného prostorového úhlu 4p. Se vzdáleností r od zdroje se záření "zřeďuje", je distribuováno na myšlené sféře o ploše S=4pr². Intenzita záření I (fluence kvant), emitovaného radioaktivním zdrojem, je tedy přímo úměrná aktivitě preparátu A a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti r od zdroje (přesně to platí pro bodový zářič, přibližně za situace, kdy vzdálenost je podstatně větší než rozměry zdroje) :
I = G .^A/₄_p_r2 ,
kde G je počet kvant emitovaných radionuklidem na 1 rozpad.

Totéž platí i o fluenci energie, určující radiační dávku. Množství energie W [J/s], vyzářené radioaktivním zářičem za jednotku času (1s.), je dáno součinem aktivity A [Bq] a střední energie <E> [eV] kvant emitovaných na 1 rozpad: W = G.A. <E> .1,6.10^-19 (koeficient 1,6.10^-19 je přepočítávací faktor mezi jednotkami energie [eV] a [J]). Radiační dávka, obdržená za čas t, v místě ve vzdálenosti r od radioaktivního zdroje, tedy bude :
                            D  = G. ^{(A.<E>.1,6.10}^{^-19}⁾/₍₄_p_r2₎ . t ,
což se obvykle vyjadřuje ve zkráceném tvaru D = G . ^A/_r2 . t, s použitím konstanty G= <E>.1,6.10^-19/4p (pro daný radionuklid).
  Radiační dávka D od vnějšího radioaktivního zdroje záření je tedy dána jednoduchým vztahem *)
                            D   =   G . ^A/_r2 . t   ,
kde A je aktivita zářiče, r je vzdálenost od zářiče, t je doba expozice. Koeficient G je tzv. dávková konstanta (gama-konstanta), udávající dávkový příkon [Gy.s^-1] ve vzdálenosti 1m od radioaktivního zdroje o aktivitě 1Bq.
*) Máme zde na mysli fotonové záření (gama) a bodový (nebo dostatečně malý) zářič, umístěný ve vakuu (či ve vzduchu), bez stínících materiálů. Pro záření a a b je problematické tento vztah použít, neboť část takového záření se absorbuje již v samotném zdroji a k další absorbci dochází ve vzduchu či jiném prostředí, ležícím mezi zdrojem a měřeným místem. Neuvažujeme zde poločas rozpadu radionuklidového zdroje - máme na mysli situaci, kdy doba expozice t je krátká ve srovnání s poločasem rozpadu (v opačném případě by bylo nutno provést časovou integraci, podobně jako je v následujícím odstavci pro distribuovanou radioaktivitu).
G-konstanta má základní jednotku [Gy.m².Bq^-1.s^-1], v praxi se však používá nejčastěji [mGy.m².GBq^-1.h^-1] - dávkový příkon [mGy/hod] ve vzdálenosti 1m od radioaktivního zdroje o aktivitě 1GBq. Dávková G konstanta v sobě zahrnuje vlastnosti radionuklidu - počet emitovaných fotonů na rozpad a jejich energie, ve vztahu k absorbci v ozařované látce (ve vodě či v měkké tkáni); má rozdílné individuální hodnoty pro každý radionuklid. V obvykle používaných jednotkách [mGy.m²/GBq.hod] má dávková gama-konstanta pro některé nejčastěji používané radionuklidy hodnoty :

Radionuklid :	pozitron.radionuklidy ¹⁸F,¹⁵O,¹¹C	⁶⁰Co	^99mTc	¹³¹I	¹³⁷Cs	¹⁹²Ir	²²⁶Ra	²⁴¹Am
G-konstanta : [mGy.m².GBq^-1.h^-1]	0,138	0,308	0,016	0,052	0,077	0,109	0,201	3,8.10^-3

V praxi je pro stanovení dávky od radionuklidových zářičů potřeba brát v úvahu efekty absorbce záření v samotném zdroji či jeho obalu, jakož i v prostředí mezi zdrojem a měřeným místem- výsledná dávka bude nižší : I = G .^A/₄_p_r2 . e^-m^.^r, kde m je lineární absorpční koeficient látkového prostředí.
Energie fotonového záření ® radiační dávka
Energie dopadajících fotonů gama nebo X je určující pro způsoby interakce s látkou (§1.6, část "Interakce záření gama a X") a tím i pro obdrženou radiační dávku, která je způsobena především absorbovanou energií sekundárních elektronů. Fotonové záření vyšších energií má sice nižší absobční koeficient (lineární součinitel zeslabení), avšak pokud dojde k absobci, je předaná energie - dávka - vyšší. Celkový trend je: vyšší energie fotonového záření vede k vyšší radiační dávce. Týká se to i výsledného radiobiologického účinku. První vyražené elektrony mohou být vysokoenergetické, avšak dalšími a dalšími elektronovými interakcemi se rozrůstají ve spršku nakonec nízkoenergetických elektronů. Tvrdší záření gama tedy produkuje i větší počet elektronů nízkých energií, které mají vyšší LET a "více času" na tvorbu radikálů ® vyšší radiobiologická účinnost.
Vnitřní distribuce radioaktivity
Do jisté míry protichůdná situace k vnějšímu "bodovému" uzavřenému radioaktivnímu zářiči je radioaktivní látka rozptýlená (distribuovaná) v analyzovaném nebo ozařovaném materiálu, např. v tkáni či orgánu. Tato situace se (kromě vnitřní kontaminace - viz níže §5.5, pasáž "Vnitřní kontaminace") vyskytuje zejména při diagnostických a terapeutických aplikacích radioaktivně značených látek - radiofarmak - do organismu, kde se pak tyto radioaktivní látky vychytávají v jednotlivých tkáních a orgánech, podle své farmakokinetiky; je podrobně diskutováno v §4.8 "Radionuklidy a radiofarmaka pro scintigrafii" a §3.6, část "Biologicky cílená radoisotopová terapie otevřenými beta a alfa radionuklidy").
V takovém případě kvanta ionizujícího záření okamžitě a bezprostředně interagují s látkou ihned pro svém vyzáření radioaktivním atomem. Na radiační dávce se v zásadě podílejí všechna emitovaná kvanta a částice (s výjimkou neutrin) - elektrony a pozitrony, Augerovy elektrony, fotony gama a X, alfa částice, příp. i odražená dceřinná jádra (§1.2, pasáž "Zpětný odraz jader").
Nabité částice, a či b, mají krátký dolet a veškerou svou energii odevzdají poblíž místa svého vzniku. V případě rovnoměrné distribuce radionuklidu v látce s měrnou (hmotnostní) aktivitou A' [Bq/kg] bude dávkový příkon D' v [Gy/s] od záření krátkého doletu
                        D' = A'. <E> . 1,6.10^-19 ,
kde <E> je střední energie emitovaných částic v [elektronVoltech] na 1 rozpad (koeficient 1,6.10^-19 je přepočítávací faktor mezi jednotkami energie [eV] a [J]).
Např. pro nejčastěji používaný terapeutický radionuklid ¹³¹I (pro terapii štítné žlázy) činí dávka z vychytané aktivity v ložisku hmotnosti g gramů D = 0,109 Gy . g /MBq .h.
Máme-li tedy v daném okrsku látky hmotnosti m homogenně distribuovanou radioaktivitu s časovým průběhem A(t)_[Bq], vznikne tím v tomto okrsku za čas T celková radiační dávka D_{0-T [Gy]} :
            D_0-T = ₀ň^{^T}A(t) dt . <E>. 6.10^-19/m   , neboli   D_0-T = A^S_0-T. <E> .6.10^-19/m   ,
kde A^S_0-T je celková tzv. kumulovaná aktivita (zavedená v §5.5, "Vnitřní kontaminace") ve vyšetřovaném objemu v čase 0 - T. Tyto vztahy jsou důležité zejméma pro stanovení radiačních dávek v těle a v nádorových lézích při radionuklidové terapii (§3.6, pasáž "Plánování, monitorování a dozimetrie radionuklidové terapie", obr.3.6.11).
Za předpokladu časového poklesu aktivity distribuovaného radionuklidu podle obvyklého exponenciálního zákona A(t) = A₀.e^-^(ln2/T1/2^{^ef}^).t s efektivním poločasem T_1/2^ef [s] *), bude podle této závislosti s časem klesat i dávkový příkon: D'(t) = A₀.e^-^(ln2/T1/2^{^ef}^).t.<E>.1,6.10^-19. Celková radiační dávka D [Gy], způsobovaná v látce distribuovaným radionuklidem, pak bude dána časovým integrálem od 0 do Ą: D = _₀ň^{^Ą}[A₀.e^-^(ln2/T1/2^{^ef}^).t.<E>. 1,6.10^-19] dt , což dává výsledek :
                        D = A₀. (T_1/2^ef/ln2) . <E> . 1,6.10^-19   .
*) Efektivní poločas poklesu T_1/2^ef aktivity radioaktivní látky je dán fyzikálním poločasem rozpadu T_1/2^fyz příslušného radionuklidu a v případě organismu i biologickým poločasem T_1/2^biol exkrece radioaktivní látky z dané tkáně: T_1/2^ef = (T_1/2^fyz.T_1/2^biol)/(T_1/2^fyz + T_1/2^biol). Pro kinetiku radionuklidů v tkáních a orgánech bývá zpravidla dominantní biologický poločas exkrece, který je většinou podstatně kratší než poločas rozpadu použitého radionuklidu.
Pokud radioaktivní látka emituje i vysokoenergetické pronikavé záření gama, které uniká z analyzovaného objemu s distribuovanou radioaktivitou, jakož i v případě nerovnoměrné distribuce radioaktivní látky, či její nepravidelné časové dynamiky, je situace složitější a radiační dávky se stanovují metodou MIRD (§5.5, část "Vnitřní kontaminace").
   Stanovení radiační dávky z radionuklidů distribuovaných v organismu, tkáních a orgánech, je důležité jednak pro stanovení radiační zátěže z diagnostických aplikací radiofarmak při scintigrafii, hlavně pak při terapeutických aplikacích otevřených radionuklidů (§3.6, část "Radioisotopová terapie").

Radiobiologická účinnnost záření. Dávkový ekvivalent, efektivní dávka
Základní dozimetrická veličina - absorbovaná dávka - v sobě nezahrnuje okamžité lokální rozložení energie přenesené na látku, které může výrazně 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:

Z hlediska biologických účinků ionizujícího záření na ozařovanou látku (popsaných níže) se tedy záření dělí podle hustoty ionizace, kterou v látce při svém průchodu vyvolává:
¨ Záření řídce ionizující - záření X, gama, beta. U beta-částic typických energií stovky keV je LET cca 0,2 keV/mikrometr. Při průchodu vodou nebo tkání vytváří asi 100 iontových párů/1 mikrometr.
¨ Záření hustě ionizující - záření alfa, neutronové záření, protonové záření *). U alfa částic o energiích 4-8MeV činí LET v tkáni cca 100keV/mikrometr, ke konci dráhy v Braggově maximu se může lokálně zvyšovat až na 300keV/mm. Vytváří až 2000 iontových párů/1 mikrometr tkáně. Hustě ionizující záření má "více času" na tvorbu radikálů - vyšší radiobiologickou účinnost.
*) 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 *), který udává, kolikrát je daný druh záření biologicky účinnější než záření fotonové - X nebo gama (za základ se bere rentgenové záření o energii 200keV).
*) Nazývaný též "radiační váhový faktor" wR nebo v radioterapii "relativní biologická účinnost" RBE (Relative Biological Effectivenes).
Hodnota tohoto empirického 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 empiricky 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 D_ef se tedy vypočte pomocí příspěvků ekvivalentních orgánových dávek H_T všech jednotlivých ozářených tkání: při sčítání se každá orgánová ekvivalentní dávka H_T vynásobí svým tkáňovým váhovým faktorem w_T, který vyjadřuje příspěvek poškození právě toho konkrétního orgánu nebo tkáně k poškození celého těla, vyvolaného účinky rovnoměrného celotělového ozáření. Pomocí efektivní dávkyH_E 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 zase Sievert [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 přírodního záření, rentgenových vyšetření, či z různých druhů radiofarmak v nukleární medicíně. Všechna tato hodnocení se vztahují na stochastické účinky záření - a jsou to jen velmi přibližné "kvalifikované odhady", často hypotetického charakteru, zvláště v oblasti nízkých dávek kolem 0,1Gy (je diskutováno níže v pasáži "Problematika velmi nízkých dávek - jsou škodlivé či prospěšné?")...
Efektivní dávka D_ef je tedy veličina, která hodnotí míru zdravotního rizika, které pro člověka plyne ze záření, kterému byl vystaven. Jedná se o empirickou biofyzikální veličinu, která není přímo měřitelná - získává se z naměřené radiační dávky daného druhu záření započtením biologických účinků tohoto záření a citlivosti jednotlivých zasažených tkání a orgánů. Zohledňuje se skutečnost, že různé druhy záření mají různou biologickou účinnost a že různé tkáně a orgány jsou různě citlivé, přičemž jejich poškození má různé zdravotní důsledky pro organismus. Je třeba si však uvědomit, že koncept efektivní dávky je jen velmi hrubým a zjednodušeným zprůměrovaným odhadem složitých a individuálně závislých procesů biologických účinků záření v organismech. Má charakter "kvalifikovaného odhadu" radiačních dávek s řadou neurčitostí a nepřesností řádu desítek % !
Pravděpodobnost vzniku biologických stochastických účinků je úměrná absorbované radiační dávce [mGy] a velikosti ozářené oblasti [cm³]. V planární rtg diagnostice se toto kvantifikuje veličinou DAP (Dose Area Product) [mGy.cm²], což je součin absorbované dávky D a plochy S ozářené oblasti: DLP = D . S. V rtg CT diagnostice se to kvantifikuje veličinou DLP (Dose Lenght Product) [mGy.cm], což je součin absorbované dávky D a délky L ozářené oblasti: DLP = D . L. Efektivní dávka D_ef [mSv] pro pacienta, vyjadřující účinky záření na organismus jako celek, se pak vypočítá jako součin: D_ef = E_DAP . DAP, nebo D_ef = E_DLP . DLP , kde koeficienty E_DAP či E_DLP v sobě zahrnují zprůměrované tkáňové (orgánové) váhové faktory w_T pro struktury v ozařované oblasti (§5.7 "Radiační zátěž při radiační diagnostice a terapii").
Pro posouzení dlouhodobých účinků záření z vnitřní kontaminace radioaktivní látkou – radiotoxicity - se dále zavádí tzv. dávkový úvazek, což je úhrnná absorbovaná dávka ionizujícího záření, kterou způsobí v organismu, 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") - rezidenční dobu setrvání radioaktivní látky v tkáních a orgánech.
Pro hodnocení ozáření vybraných skupin lidí, či populace, se někdy používá kolektivní ekvivalentní či efektivní dávka, což je součet příslušných dávek všech jednotlivců v dané skupině. Tyto údaje mohou sloužit k demografickým radiohygienickým analýzám a k optimalizaci radiační ochrany.

Fyzikální a biofyzikální dozimetrické veličiny
Je třeba upozornit na rozdílnou povahu jednotlivých dozimetrických veličin. Dávka, kerma, expozice, lineární přenos energie a některé další jsou fyzikální dozimetrické veličiny, které mohou být (aspoň v principu) stanoveny na základě čistě fyzikálních měření. Popisují objektivní míru fyzikálního (a příp. indukovaně chemického) působení záření na látky. Lze je využít nejen v biologických, ale i v různých jiných technologických aplikacích záření, kde determinují míru požadovaných (nebo nežádoucích) účinků záření na daný materiál či proces. Oblast biologických a medicínských aplikací je dominantní oblastí používání všech dozimetrických veličin.
Dávkový ekvivalent a efektivní dávka (a další z nich odvozené veličiny) jsou však biofyzikální dozimetrické veličiny, určené pro radiobiologii a radiační ochranu - ze základních fyzikálních veličin vznikají přepočtem pomocí empirických fyzikálně-biologických koeficientů - jakostního faktoru Q a tkáňových váhových faktorů w_T. Nejsou přímo měřitelné. Přibližné hodnoty přepočítávacích koeficientů byly stanoveny pomocí radiobiologických experimentů a na základě výsledků randomizovaných klinických studií. Je třeba dále rozlišovat, které veličiny se vztahují na stochastické a deterministické radiační účinky.

Metody dozimetrického stanovení radiačních dávek
Dávky ionizujícího záření se stanovují fyzikálními metodami podrobně popsanými v Kapitole 2 "Detekce a spektrometrie ionizujícího záření". Používají se dozimetry, což jsou jednoduché radiometry - ionizační komory, GM detektory, scintilační detektory, filmové dozimetry, termoluminiscenční a OSL dozimetry - kalibrované v dozimetrických veličinách: radiační dávka [mGy] či [mSv], dávkový příkon [mGy/s] či [mSv/s]. Pomocí dozimetrů se provádějí fyzikální měření (často s použitím fantomů modelujících tkáňové prostředí a geometrickou konfiguraci ozáření), monitorování pracovníků a pacientů (osobní dozimetrie "in vivo"), radiační monitorování pracovního a životního prostředí.
Biodozimetrie
Někdy nastávají situace, kdy dojde k radiační expozici (příp.je podezření na expozici), aniž by příslušné osoby byly dozimetricky monitorovány - jedná se o ozáření neznámou dávkou. Když fyzikální dozimetrie chybí, nastupuje možnost retrospektivního určení dávky (resp. jejího odhadu) sledováním změn některých biologických parametrů. Biologická dozimetrie či biodozimetrie je radiobiologická metoda, která pomáhá určit velikost absorbované dávky podle druhu a intenzity postradiační odpovědi organismu (tyto radiobiologické účinky jsou podrobně rozebírány v následujícím §5.2 "Biologické účinky ionizujícího záření". Pro rekonstrukci dávek lze použít biologické parametry jako jsou změny krevního obrazu, výskyt chromozomových aberací či mikrojader v krvinkách, pozorování somatických mutací v krvinkách, poškození DNA nebo mRNA, vzestup koncentrace proteinu p53, ATM-kináza, ....... Jelikož adekvátní léčbu je potřeba zahájit již v 1.-2.dnu po ozáření, je žádoucí použít expresní biochemickou analýzu (statim), jako je metoda ELISA nebo RT-PCR. .................

5.2. Biologické účinky ionizujícího záření
Jak bylo již výše uvedeno, primárním působením ionizujícího záření na látku je interakce kvant (elektromagnetických nebo korpuskulárních) tohoto záření s elektronovým obalem atomů, ojediněle i s atomovými jádry. Důsledkem je excitace a ionizace atomů, která může vést k fyzikálním změnám a k chemickým reakcím, v případě živé tkáně pak i k biochemickým změnám. Tyto sekundární účinky pak mohou vést ke změnám a poškození ozářeného organismu, nebo dokonce k jeho zániku - smrti.
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. Tyto aspekty si proto rozebereme nejdříve, následovat bude rozbor radiačních účinků na úrovni tkání, orgánů a celého organismu.
Pozn.: Tyto molekulární, buněčné a tkáňové aspekty nelze však vždy striktně oddělovat, proto se při výkladu budou občas prolínat.
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.

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, ..., s mnohými nepodloženými a chybnými domněnkami) 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 i r y
Na pomezí mezi živými organismy a neživou přírodou se nacházejí viry (lat. virus = jed) - vnitrobuněční cizopasníci mikroskopických rozměrů cca setiny až desetiny mikrometru. Sestávají z nukleové kyseliny (DNA nebo RNA), obalené proteinovou schránkou (kapsidem). Viry obsahují sice nukleové kyseliny nesoucí ve své sekvenci genetickou informaci, avšak nejsou schopny samostatného růstu a výroby vlastních bílkovin, rozmnožování, ani získávání a ukládání živin a energie - k tomu potřebují "hostitelskou" buňku. Když virus pronikne do buňky, parazituje na ní, využívá její živiny a může ji zahubit. Nebo může zkopírovat svoji genetickou informaci do DNA buňky (prostřednictvím reverzní transkriptázy - viz níže) a donutit ("přeprogramovat") tak hostitelskou buňku pracovat ve prospěch viru. U vyšších organismů jsou virové infekce původci řady onemocnění.
V průběhu evoluce se však některé biologické druhy "naučily" využívat původně parazitické genetické sekvence od virů pro jiné - prospěšné - funkce, které jim poskytly evoluční výhody.
Proteiny - základní stavební a funkční látky buněk
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 neboli proteinů (řec. protos=první; jedná se o biologické látky prvotní důležitosti) - jsou to polypeptidové řetězce lineárních polymerů aminokyselin.
Aminokyseliny jsou molekuly obsahující karboxylovou skupinu (-COOH) a dusíkatou aminovou skupinu (-NH2); tyto skupiny a ostatní atomy (atom vodíku a a postraní řetězec) jsou navázány na centrálním atomu uklíku. Aminokyseliny jsou schopny se vzájemně slučovat tzv. peptidovou vazbou, při které karboxylová skupina jedné aminokyseliny reaguje s aminovou skupinou druhé aminokyseliny. Mohou tak vznikat - polymerovat - i značně dlouhé polypepticické řetězce - proteiny. Z velkého počtu chemicky existujících aminokyselin se v jich buňkách vyskutuje jen 24 druhů (20 základních, 4 speciální...).
Karboxylová a aminová skupina, atom vodíku a postraní řetězec jsou na centrálním (alfa) uhlíku navázány asymetricky (s výjimkou glycinu) - chirální asymetrie, což se projevuje schopnosti stáčet rovinu polarizovaného světla. V závislosti na prostorové orientaci navázaných skupin na alfa-uhlíku mohou být aminokyseliny levotočivé "L" nebo pravotočivé "D" (z lat. Leavus=levý, Dexter=pravý). Polypeptidické vazby mohou vznikat jen mezi aminokyselinami stejné chirality, L či D. V raných fázích prebiotické evoluce náhodně převážila "levoruká" chiralita aminokyselin a tato preference se pak evolučně rozšířila na všechny biochemické procesy. V biochemii tedy figurují pouze levotočivé alfa-L-aminokyseliny; a přírodní sacharidy jsou zase D-pravotočivé...
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. Jednotlivé aminokyseliny mají různé biochemické vlastnosti, takže sekvence aminokyselin v bílkovině určuje chemické vlastnosti proteinu i jeho prostorovou strukturu. 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 (jak bude níže na řadě míst konkrétně uvedeno). Soubor proteinů, které jsou v buňce obsažené nebo které dokáže buňka syntetizovat, vymezuje její schopnost uskutečňovat různé biochemické reakce - zpracovávání (rozklad a syntézu) chemických látek, získávání chemické energie, vytváření stavebních "materiálů" buněk a dalších částí organismu - určuje tím do značné míry výsledné vlastnosti buněk a organismů. Systematickým zkoumáním proteinů - jejich vzniku, struktury, vzájemných reakcí a funkcí v buňkách a organismech - se zabývá poměrně nová vědní disciplina zvaná proteomika. O funkčních vlastnostech některých proteinů je pojednáno níže v pasáži "Proteiny, enzymy, kinázy".
Biochemické reakce - základ života buněk
Chemické reakce probíhající v buňkách jsou řízené a vysoce organizované, přičemž základní řídící úlohu hraje složitá molekula DNA (deoxyribonukleová kyselina, viz níže), která kóduje složení bílkovin - jejich primární strukturu, pořadí aminokyselin. 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). Nejjednodušší 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".
Biochemických reakcí se účastní většinou značně složité organické molekuly obsahující velký počet atomů uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, fosforu a dalších. Molekulová hmotnost těchto makromolekul se v biochemii a molekulární biologii vyjadřuje ve speciálních jednotkách tzv. kilodaltonech (kDa), což je 1000 Daltonů (Da). 1 Dalton odpovídá 1/12 hmotnosti atomu uhlíku, tj. zhruba hmotnosti atomu vodíku, 1Da = 1,66.10^-27kg ( J.Dalton byl anglický chemik, žil v letech 1766-1844, významně se zasloužil o poznání zákonitostí atomů a jejich chemického slučování). Uhlík má tedy 12Da, methan CH₄ má hmotnost 16Da, voda má 18Da, glukóza C₆H₁₂O₆ má 180Da; protein p53 má molekulovou hmotnost 53kDa.
Obtížnost pochopení funkce živých organismů
Přes veškerý pokrok biochemie a molekulární biologie je naše porozumění toho, jak fungují živé organismy na molekulární úrovni, stále značně omezené. Množství, složitost a vzájemná provázanost biochemických pochodů, odehrávajících se v živých buňkách, stále vzdoruje našim možnostem komplexní analýzy a pochopení mechanismů dynamického chování těchto systémů.
Vedle rozsáhlosti a složitosti se u intracelulárních systémů uplatňují i stochastické efekty, způsobené náhodnými pohyby molekul. Některé biochemické látky jsou totiž v buňkách obsaženy jen ve velmi malých koncentracích, někdy jen jednotky či desítky molekul. Při tak malém množství dochází ke srážkám a reakcím těchto molekul jen poměrně zřídka, a tím se značnými statistickými fluktuacemi. Takové náhodné (stochastické) jevy mohou mít nezanedbatelný vliv na dynamiku biochemických procesů, což se může odrazit i na chování celé buňky.
Prokaryotní a eukaryotní buňky
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, "předjaderné"), jejichž DNA cirkulárního tvaru je obnažena a volně plave v cytoplasmě v útvaru zvaném nukleotid. Prokaryoty jsou primitivní nejstarší vývojovou formou buněk, nyní se vyskytují jako bakterie a sinice. Rozeznáváme dvě skupiny bakterií: eubakterie, které se 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; prokaryotické buňky budou na několika místech jen krátce zmíněny pro srovnání. 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).

Stavba eukaryotické buňky. Ve zvětšených výřezech jsou schématicky zakresleny detaily některých struktur.

DNA, RNA, proteiny, chromosomy, telomery
Veškerý mechanismus organizace života buněk je založen na spolupracující soustavě nukleových kyselin DNA (deoxyribonukleová), RNA (ribonukleová) a proteinů: v DNA je uložena genetická informace, která se přepisuje do RNA, jež 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.

Deoxyribonukleová kyselina DNA
- deoxyribonucleic acid (ve starší české literatuře se občas používala i zkratka DNK); slabou kyselou reakci způsobuje kyselina fosforečná H₃PO₄, navázaná v nukleotidech. Je to velmi složitá dlouhá makromolekula, polymer opakujících se sekvencí deoxyribonukleotidů, která má u eukaryotických buněk tvar dvojité spirály - obr.5.2.2a. DNA obsahuje cca 100 000 ¸ 200 000 000 párů nukleotidů, má molekulovou hmotnost cca 2¸100MDa (megadaltonů) (dolní hranice je pro DNA plastidů, mitochondrií a prokaryotních buněk, horní hranice pro lidské DNA). Rozvinutá DNA by měla lineární délku decimetry až metry (u člověka asi 2m..!..); v buňkách je však velmi kompaktně svinuta v chromosomech délky jen několika mikrometrů (viz níže).
   Z chemického hlediska má DNA polymerní strukturu - je tvořena řetězcem opakujících se a vzájemně spojených podobných stavebních jednotek zvaných nukleotidy, které jsou tvořeny fosfátem H₃PO₄ (vazebná část kyseliny fosforečné), deoxyribózou (druh cukru s 5 uhlíky, pentóza - monosacharid 2-deoxy-b-D-ribóza; odtud název DNA), 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. Tyto čtyři druhy nukleotidů jsou v DNA uspořádány za sebou v určitém pořadí neboli sekvenci. Toto jedinečné seskupení nukleotidů 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.
Úsek molekuly DNA, který kóduje pořadí nukleotidů v určité funkční RNA a následně prostřednictvím mRNA určuje i pořadí aminokyselin v určitém proteinu se specifickou funkcí, "vyráběném" buňkou, se nazývá gen (řec. genos = rod, původ; vloha) *). Geny tedy předávají "instrukce" pro tvorbu proteinů - viz níže "Ribonukleová kyselina - proteosyntéza". Některé geny jsou sice přepisovány do RNA, avšak nepokračuje to již dále do proteinů; takto vznikající ribonukleové kyseliny mají některé regulační funkce. Celkově však u eukaryotních buněk jen menší část sekvencí DNA kóduje nějaké (funkční) proteiny. Je to něco přes 20000 genů, což u člověka představuje jen asi 5% genomu. Většina sekvencí DNA je jakési "genetické smetí" - "odpadní" či "zbytečná" DNA (junk DNA, noncoding DNA), které je reliktem spletité cesty evoluce (fosilní sekvence -"staré harampádí"). Byly to často původně "parazitické" geny virového původu, které se zabudovaly do DNA dávných organismů. Některé z nich se transformovaly a funkčně zapojily, většina zůstala nefunkční, jiné mohou potenciálně ohrožovat organismus (spolupůsobit možná i při vzniku nádorů..?..). Tato "zbytečná DNA" se však také v řadě případů přepisuje do RNA, která je sice (protein)nekódující, ale má regulační funkce - určuje např. spouštění, zastavení či intenzitu přepisu kódujících částí DNA. Na odhalování funkcí jednotlivých genetických sekvencí, včetně "zbytečných" (junk), je nyní zaměřen rozsáhlý projekt ENCODE (Encyclopedia of DNA Code Elements; kromě toho angl. encode=kódovat) zahájený v r.2003.
*) Geny, genetika
Dědičnost - přenos některých vlastností živých organismů na potomstvo, mezi generacemi - byla pozorována odedávna. Někteří biologové (jako byl J.G.Mendel v 60.letech 19.stol. při několikaletých pokusech s pěstováním hrachu s různými barvami květů) empiricky vysledovali některé zákonitosti této dědičnosti, avšak její skutečná biologická příčina zůstávala dlouhou dobu neznámá. Teprve rozvoj moklekulární buněčné biochemie v polovině 20.stol. ukázal, že podstatou dědičné informace je molekula DNA.
Další strukturní zvláštností genů u eukaryotických DNA je, že funkčně kódující sekvence deoxyribonukleotidů - zvané exony (řec. exo = ven; vnější jednotka), jsou přerušovány sekvencemi nekódujícími, tzv. introny (lat. intro = dovnitř; vnitřní jednotka) bez genetického obsahu, jejichž úloha, patrně regulační, zatím není zcela objasněna. Krátce po transkripci do mRNA jsou sekvence intronů "vystřiženy" (tzv. splicing) a tím vyloučeny z dalšího procesu genové exprese; následným spojením kódujících sekvencí (pocházejících z exonů) vzniká funkční mRNA, umožňující souvislou syntézu polypeptidových řerězců proteinů při translaci.
Představovat si genetickou informaci pouze lineárně jako dlouhou řadu nukleotidů - "písmen" genetického kódu - je zjednodušené a může být zavádějící; uplatňují se i geometrické dimenze. Dvoušroubovice DNA je složitě zkroucena a propletena, takže části DNA, které od sebe dělí dlouhá řada nukleotidů, se mohou v jádře dostat do těsného sousedství a vzájemně pak ovlivňovat svou genetickou činnost.
Sekvence nukleotidů DNA jsou při dělení buňky schopny vytvářet své vlastní přesné kopie, které tak přenáší genetickou informaci do dalších generací. Konkrétní forma genu pro učitý znak či vlastnost organismu se nazývá alela (řec. allos=jiný), např. gen pro barvu květu. Má-li daný organismus ve svém genovém páru stejné alely, označuje se jako homozygot, při rozdílných alelách pak heterozygot.
Struktura DNA
DNA je tvořena dvěma paralelními řetězci (zvanými též vlákna), spojenými vodíkovými můstky mezi nukleovými bázemi do jakéhosi "žebříčku", který se stáčí do dvoušroubovice. Oba řetězce jsou navzájem komplementární, jejich baze jsou přesně spárovány vodíkovými můstky. Sekvence nukleotidů na jednom vlákně je plně určená sekvencí na druhém vlákně (dvojice "pozitiv-negativ"). Tyto vodíkové vazby mezi komplementárními bazemi způsobují, že dvojřetězcová DNA je, navzdory své složitosti, velmi stabilní makromolekulou. Vzájemně se párují vždy jen dvě dvojice nukleotidů: C«G, A«T (Watsonovo-Circkovo párování); tyto páry bazí vytvářejí jakési "stupínky žebříku" DNA.
Odhalení struktury DNA
Strukturu molekul DNA nemůžeme přímo pozorovat, vzhledem k velmi malým příčným rozměrům a kompaktifikaci délkových rozměrů. Pod mikroskopem pozorujeme jen prakticky bezstrukturní chromosomy. Sestavení struktury DNA napomohla rengenová difrakční krystalografie (je podrobněji popsaná v §3.3, pasáž "Rentgenová difrakční analýza struktury krystalových mřížek"). Podařilo se vypěstovat drobné monokrystalky DNA, které při ozáření X-zářením jej difrakčně odrazily, čímž na fotografickém médiu vznikly interferenční obrazce, které umožnily zjistit rozmístění atomů v molekule. Tým výzkumníků R.Franklinová, R.Gosling, F.Crick a J.Watson v Laboratoři molekulární biologie MRC v Cambridgi r.1953 dokončili analýzu struktury DNA a Crick a Watson vytvořili její model, který velmi úspěšně dosud vysvětluje všechny buněčně-genetické procesy.
Tato struktura umožňuje replikaci: ke každému z řetězců je možno utvořit řetězec nový, zcela totožný s původním. Při replikaci se obě vlákna DNA od sebe oddalují a na každém z nich se postupně - nukleotid po nukleotidu - doplňuje nové druhé vlákno. Každá ze dvou takto nově vzniklých molekul DNA má jeden řetězec z původní molekuly a druhý nově syntetizovaný. Při buněčném dělení je tak DNA schopna přesně reprodukovat samu sebe a přenášet tím genetickou informaci na další generace buněk. Replikace je velmi přesný proces, do něhož jsou zabudovány kontrolní a opravné mechanismy. Pokaždé, když do nově vznikajícího řetězce DNA je přidáván nový nukleotid, se kontroluje správné spárování nukleotidu předcházejícího; pokud není párování v pořádku, reparační enzymy chybný nukleotid okamžitě odstraní a nahradí správným. Dále probíhá kontrola správného párování bazí mezi původním řetězcem DNA a nově syntetizovaným vláknem, přičemž chybně spárovaný nukleotid na novém vlákně se nahradí správným. Zásluhou těchto průběžných oprav je výsledná chybovost replikace pouze ~10^-9! Mnohem častěji, než k chybě při replikaci, dochází k poškození nukleotidů a genetické sekvence DNA vnějšími vlivy - ionizujícím zářením a reaktivními chemickými látkami (genotoxické účinky podrobně rozebírané níže). O dělení buněk a buněčném cyklu je pojednáno níže v části "Účinek záření na buňky", pasáž "Radiační účinky během buněčného cyklu".
Telomery
Obě koncové části DNA eukaryotických buněk jsou opatřeny tzv. telomery (řec. telos=konec, meros=část) - okrajovými "zakončovacími" komplexy opakujících se sekvencí, které chrání konce chromosomů před nežádoucími chemickými vazbami *), jakož i před "falešným" vyhodnocením koncové části jako zlomu DNA (a nastartování reparačních mechanismů či apoptózy - viz níže). Telomery mají neměnnou strukturu opakujících se sekvencí, velmi podobnou u různých biologických druhů. U lidských a většiny dalších eukaryotických buněk je to krátká hexanukleotidová sekvence [TTAGGG]_n o počtu až n=2000 opakování.
*) Lze to přirovnat ke kovovému nebo plastovému vystužujícímu zakončení šňůrek od bot, které je chrání proti roztřepení.
Na telomerech je navázán složitý nukleonproteinový komplex se specifickou funkcí. Jedním z prozkoumaných proteinů tohoto druhu je TRF1 (Telomeric Repeat-binding Factor 1), který se váže na konce telomer a zabraňuje telomeráze (viz níže) v její činnosti dosyntetizovat zkracující se konce telomer. Existuje však enzym tankyráza, která odstraňuje protein TRF1 a napomáhá tak telomeráze v její činnosti.
Při většině běžných replikací však nedochází k úplné syntéze konců DNA obsahujících telomery - dochází ke zkracování telomerů. Enzym DNA polymeráza, která replikuje sekvenci DNA, ji totiž není schopna zkopírovat až úplně na koncové úseky. Při každém mitotickém dělení buňky se délka telomerů zkracuje o cca 50-150 bází, což vede k postupnému snižování ochrany konců DNA; nakonec to 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 nebo podlehnou apoptóze).
Mitotické zkracování telomerů u DNA je hlavním mechanismem procesu "stárnutí" buněk, zvaného senescence *) - viz též níže "Zánik - smrt - buněk". Zkracování telomerů funguje jako "mitotické počítadlo" - eukaryotické buňky mohou dosáhnout jen určité hranice v počtu svých dělení, tzv. Hayflickův limit (cca 50-80 cyklů); pak již schopnost dělení ztrácejí, dochází k replikativnímu 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 (radikály) v průběhu metabolismu a života tkání, při stále se snižující kapacitě antioxidačních mechanismů.
Pozn.: Občas se vyskytují spekulace o evolučním významu zkracování telomerů, replikativního stárnutí a zániku organismů: že tento proces zabraňuje nadměrnému zaplnění omezeného životního prostoru dlouhožijícími organismy, což by zpomalovalo evoluci. Tato hypotéza je však poněkud diskutabilní se dvou důvodů. Jednak replikační zkracování telomerů je jen jedním z mechanismů senescence, hlavně však životní prostředí bylo již předtím (a je dosud) zaplněno obrovským množstvím prokaryotních organismů s kruhově uspořádanou DNA bez telomerů, kde se tento efekt neuplatňuje; a přesto evoluce eukaryot úspěšně pokračovala... V mezidruhovém soutěžení a evoluci eukaryot to však určitý význam může mít..?..
Existuje však speciální enzym zvaný telomeráza (je to komplex složený z RNA a proteinů: RNA matrice slouží jako předloha pro syntézu sekvencí telomeru u DNA, reverzní transkriptáza uskutečňuje přepis z RNA do DNA), který je schopen dosyntetizovat koncové sekvence telomerů a zabránit tak jejich zkracování při dělení buněk. Pro úspěšné fungování telomerázy je potřeba enzym tankyráza *), která způsobuje inhibici proteinu TRF1, navázaného na telomery ("synergické" působení telomerázy a tankyrázy). Takové buňky jsou pak schopné neomezeného dělení (immortilizace - "nesmrtelnost" buněk), což fyziologicky probíhá pouze v raných stádiích vývoje organismu v dělících se embryonálních buňkách a potom jen v nediferencovaných kmenových buňkách; patologicky se uplatňuje u buněk nádorových (§3.6 "Radioterapie", pasáž "Kancerogeneze").
*) Na telomerech je navázán složitý nukleonproteinový komplex se specifickou funkcí. Jedním z prozkoumaných proteinů tohoto druhu je TRF1 (Telomeric Repeat-binding Factor 1), který se váže na konce telomer a zabraňuje telomeráze (viz níže) v její činnosti dosyntetizovat zkracující se konce telomer. Existuje však enzym tankyráza, která odstraňuje protein TRF1 a napomáhá tak telomeráze v její činnosti.
Některé nové experimenty však ukazují, že působení telomerázy není jediným mechanismem obnovy telomerů DNA. Alternativním způsobem "ošetření" telomerů může být na telomeráze nezávislá inter-telomerická homologní rekombinace (viz níže "Reparační procesy"), která může vést k prodloužení úseků telomer, někdy i na několikanásobek. Tento způsob se pozoruje u některých rostlin a je možná z evolučního hlediska starší než telomeráza. Byly pozorovány i uzavřené struktury, jakési "telomerové smyčky" na koncích DNA, které se mohou replikovat či prodlužovat (mechanismy jakési "valivé kružnice"). Somatické efektorové buňky, vykonávající specializovanou činnost v tkáních a orgánech, ztrácejí schopnost neomezeného dělení a po dosažení Hayflickova limitu se již dále nedělí.
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.
ChromosomyV eukaryotických buňkách se nachází DNA dvou druhů: jaderná a mitochondriální (ta je zmíněná níže v pasáži o mitochondriích). Jaderná DNA je lokalizována v buněčném jádře v chromosomech (řec. chromos = barva, soma = tělo) - specifických strukturách délky cca 2-5mm, 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. Další anomálií je tzv. aneuploidie, kdy určitý konkrétní chromozom může být znásoben 3× či 4×, nebo naopak zredukován - 1×, či zcela ztracen. Anomálie v počtu či struktuře chromosomů, tzv. chromosomové aberace, vznikají jako důsledek poruch v mitóze a při poškození DNA (viz níže).
Ribonukleová kyselina RNADalší důležitou "informační" makromolekulou v buňkách je ribonukleová kyselina RNA. Je poněkud jednodušší než DNA, s níž je v mnoha ohledech podobná: RNA je též tvořena cukro-fosfátovým polynukleotidovým řetězcem, který však místo deoxyribózy obsahuje monosacharid ribózu. Od DNA se RNA dále odlišuje tím, že místo thymidinu T se vyskytuje pyrimidinová báze uracyl U (podobně jako thymin, tvoří uracyl komplementární pár U-A s adeninem). Ostatní baze adenin, guanin, cytosin, jsou v obou nukleových kyselinách stejné.
"Svět RNA"
Z hlediska genetické informace v nynějších buňkách hraje RNA "pomocnou" úlohu, i když nezbytnou (viz níže). Evoluční biologie však dospěla k názoru, že prvotní život byl pravděpodobně založen na RNA ("svět RNA"), jejíž první jednodušší molekuly mohly vznikat spontánně z prebiotických molekul. Prvotní předchůdci nynějších buněk - protobuňky - byly patrně jen jakési "chomáčky" molekul ribozy, zpolymerovaných do krátkých úseků RNA, obalené spolu s vodou do jednoduché fosfolipidové membrány. Za vhodných podmínek jsou molekuly RNA schopné vytvářet kopie sebe samých a tak se "množit". Těmto procesům mohly napomáhat peptidy ("RNA-peptidový svět"). Vhodné kombinace peptidů mohou vytvářet enzymy, které katalyzují kopírování RNA.
Replikující se molekuly RNA kódovaly vlastnosti, které se "geneticky" předávaly vždy následující generaci. Mutace, k nimž náhodně docházelo při "kopírování", vedly ke změnám, z nichž ty "pozitivní" umožňovaly těmto raným buňkám přizpůsobit se lépe okolí a přírodním výběrem tak navzájem soutěžit (Darwinovská evoluce). Teprve později se vhodnou kombinací molekul RNA vyvinula DNA, která se díky své větší chemické stabilitě ujala role primární genetické molekuly pro dlouhodobé uchovávání genetické informace po celý život organismu a pro přenos do dalších generací. RNA začala fungovat jako "most" mezi DNA a proteiny (viz níže "Přenos informace - proteosyntéza"). Obrazně lze říci, že "žezlo" uchovávání genetické informace předala RNA své duplicitní "sestře" DNA a pro sebe si nechala roli "prostředníka" (mRNA). Tak nejdříve vznikly prokaryotní buňky (bez jádra a bez organel) s cyklicky uspořádanou DNA; později se vyvinuly složitější eukaryotní buňky s lineárně uspořádanou DNA ve tvaru dvojité šroubovnice umístěnou v jádře a s řadou organel plnících specifické funkce metabolismu buněk.
Přenos informace - proteosyntéza
Základním procesem, při němž se informace obsažená v DNA převádí do konkrétní struktury nebo funkce, je syntéza bílkovin neboli proteosyntéza. 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 neboli mediátorová RNA (mRNA - messenger RNA), jejíž vlákno je kopií sekvence bazí jednoho z vláken dvojšroubovice DNA *). Přepis DNA do RNA je katalyzován enzymem zvaným DNA dependentní RNA-polymeráza. 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 či templatem; tato druhá etapa - syntéza proteinů - probíhá v ribosomech (viz níže "Ribosomy - továrny na proteiny"). Informace se tak překládá z "jazyka" nukleových kyselin DNA do "řeči" aminokyselin, z nichž jsou sestaveny proteiny. Vytvořené proteiny mohou být využity samotnou buňkou, nebo mohou putovat do dalších buněk, tkání či orgánů.
*) RNA sestřih
Jak bylo uvedeno výše v pasáži o DNA, jen malá část sekvencí DNA kóduje nějaké (funkční) proteiny. Kódující úseky exony představují jen malé "ostrůvky", které jsou obklopeny "mořem" zbytečných sekvencí intronů - "genetického smetí" které činí cca 9/10 přítomných sekvencí. Krátké úseky DNA, které kódují bílkoviny, jsou přerušeny dlouhými sekvencemi které nic nekódují a před proteosyntézou by měly být odstraněny. Odstranění nekódujících úseků nemůže probíhat v DNA (jejíž struktura musí být zachována jako genetická informace pro další buněčné generace), ale děje se tak až na úrovni RNA v procesu zvaném sestřih (splicing) RNA. Informace obsažená v DNA je nejdříve přepsána do molekuly prekurzorové mRNA (pre-mRNA), která je přesnou kopií jednoho vlákna DNA; obsahuje tedy mnoho nekódujících úseků. Během sestřihu pre-mRNA jsou hranice mezi kódujícími a nekódujícími úseky rozpoznány malými jadernými RNA pomocí párování bází. Nekódující části jsou pak odstraněny a sekvence kódující proteiny jsou opět spojeny do výsledné mRNA, která odchází do cytoplasmy (ribosomů) k proteosyntéze.
Nové výzkumy (projekt ENCODE) ukázaly, že nekódující RNA, pocházející z "genetického smetí", "zbytečné DNA", se často uplatňuje při regulaci exprese kódujících genů.
Procesu translace se účastní tzv. transferová RNA (tRNA), jejíž funkcí je přenos (transfer) aminokyselin do ribosomu. Trojice nukleotidů v mRNA, určující zařazení jedné aminokyseliny v proteinu, se nazývá kodon. V tRNA mu odpovídá trojice nukletidů vázající se na kodon - tzv. antikodon, který je specifický pro každý typ tRNA. Transferová tRNA nese ve své akceptorové části na jedné straně příslušné aminokyseliny, na druhé straně má trojici nukleotidů (antikodon), která se může párovat s kodonem mRNA. Svým molekulárním mechanismem zajišťuje zařazení správných aminokyselin do proteinu podle dané sekvence genetického kódu. Při této dvoustupňové proteosyntéze vzniklé bílkoviny pak realizují příslušnou strukturu či funkci v buňce nebo organismu. Lze říci, že genetická informace je v buňce či organismu vyjádřena ve formě proteinů: genom (soubor dědičné informace) je transfomován v proteom (soubor všech bílkovin daného organismu).
Pozn.: Existuje i obrácený proces, tzv. reverzní transkripce, při níž molekula RNA prostřednictvím enzymu reverzní transkriptázy je schopna uložit svou genovou sekvenci do DNA. Toto nastává při infekci buněk některými viry, jejichž RNA může takto vstupovat do DNA eukaryotických buněk a měnit jejich genetickou sekvenci. Do této kategorie reverzní transkripce patří svým způsobem i shora zmíněná syntéza telomerů DNA působením telomerázy.
Po syntéze proteinů v ribosomech mohou nastávat jejich posttranslační modifikace - dodatečné chemické úpravy, které mohou proteinům dodávat nové vlastnosti a regulovat jejich funkce. Takovou typickou modifikací je fosforylace a defosforylace (připojení nebo odtržení fosfátové skupiny PO₄ k proteinu), působící jako "přepínač" mezi aktivní a neaktivní formou daného proteinu.
Většina genů tedy kóduje nějaký protein a tyto proteiny zajišťují téměř všechny funkce v organismu. A dále, přes proteiny spolu jednotlivé geny mohou nepřímo interagovat: jeden gen produkuje protein, který má (vedle příp. jiných funkcí) schopnost měnit např. rychlost transkripce jiného genu. Vznikají tak jakési genové regulační sítě se značně složitým chováním.
Proteiny, enzymy, kinázy
Bílkoviny - proteiny (řec. protos=první; biologické látky prvotní důležitosti) - jsou základním materiálem života. Jsou stavebním materiálem různých struktur v buňkách a tkáních a nositelem či "vykonavatelem" mnohých biochemických funkcí. Tyto biopolymery se skládají z aminokyselin (je 22 základních druhů aminokyselin) spojených chemickými vazbami do dlouhých řetězců jako "korálky na šňůrce" (jak bylo podrobněji uvedeno výše v úvodní pasáži o buňkách). Pro správnou funkci proteinů je důležitá nejen sekvence aminokyselin - primární struktura, ale i geometrická prostorová struktura (3D) - sekundární a terciální struktura, do níž se řetězce aminokyselin poskládají či "sbalí". Specifická (a poměrně neměnná, rigidní) trojrozměrná struktura do značné míry určuje funkci proteinů metodou "klíče a zámku": aby se protein mohl navázat na specifickou cílovou molekulu či strukturu tak, jako když zapadne klíč do zámku. Primární struktura, daná sekvencí aminokyselin, nemusí jednoznačně určovat geometrické uspořádíní proteinu. Skládání bílkovin do správného prostorového uspořádání pomáhají speciální proteinové molekuly zvané chaperony (fran. chaperon=gardedáma) - jsou to "strážci" kteří zabezpečují správnou prostorovou strukturu proteinů, zabraňují vzniku nesprávných vazeb (některé chaperony příp. nesprávně sbalené struktury opět "rozbalí").
   Některé proteiny však nemají pevně uspořádaný prostorový tvar, jsou nestrukturované, flexibilní - ať již jako celek, nebo obsahují části s pevnou strukturou i části flexibilní, popř. se skládají do prostorového tvaru "podle potřeby". Takové flexibilní proteiny se mohou vázat s různými druhy molekul (jsou "promiskuitní"); příkladem jsou proteiny p21 a p27. I známý protein p53 obsahuje nestrukturované sekce.
Proteiny, které řídí či katalyzují biochemické reakce nebo děje, se nazývají enzymy (název pochází z řec. zyme=kvas,kvasnice). Každý enzym je "specializován" pro určitou funkci; enzym + substrát ® produkt + enzym. Biochemické názvy enzymů jsou většinou tvořeny základem souvisejícím s funkcí a koncovkou "-asa" či "-áza": např. lipáza (enzym štěpící tuky na jednodušší látky), proteináza (rozkládá bílkoviny na menší části, peptidy), amyláza (trávicí enzym, který štěpí dlouhé molekuly škrobu (řec. amylon=škrob) na jednodušší sacharidy), fosfatáza (enzym uvolňující fosfátovou skupinu z její vazby na jinou sloučeninu).
   Důležitými enzymy jsou tzv. kinázy (řec. kineo=pohybovat), které jsou schopné aktivovat určité děje a přenášet fosfáty na jiné sloučeniny, akceptory které mají OH-skupiny; vznikne fosfoester akceptorové molekuly. Přenos a navázání fosfátové skupiny PO₄ (jejímž zdrojem je nejčastěji adenosintrifosfát ATP, viz níže "mitochondrie") - fosforylace - do určitého místa nějakého protienu aktivuje specifickou reaktivitu, pro kterou fosfátová skupina dodává energii. Proteinkinázami, proteinázami a molekulami regulujícími jejich aktivitu, je uskutečňováno propojení různých signálních cest v buňce. MAPK (mitogenem aktivované protein kinázy) je skupina buněčných kináz, které se navzájem postupně fosforylují, čímž vytvářejí síť či kaskádu vedoucí a umocňující signál; na konci dráhy stojí látky citlivé k fosforylaci. Dráhy obvykle končí v jádře, kde fosforylují určité transkripční faktory.
  Biochemické názvy některých kináz jsou tvořeny podobným způsobem jako u ostatních enzymů. Tyrosinkináza je enzym, který přenáší fosfát na hydroxylovou skupinu cyklické aminokyseliny tyrosinu, vázaného v proteinu. Tím ovlivňuje funkci a aktivitu příslušné bílkoviny - účastní se regulací buněčného růstu a dělení, přenosu signálů do buněk; zvýšená tyrosinkinázová aktivita (např. receptoru pro epidermální růstový faktor EGFR) může vést k nádorovému bujení. U řady kináz vznikly názvy složitějším způsobem na základě onemocnění, při jejichž zkoumání byly objeveny. Pro naši oblast biologických účinků záření je zvláště důležitá tzv. ATM kináza (Ataxia Telangiectasia Mutated), jejímž působením dochází k fosforylaci a zvýšení exprese proteinu p53, který působí jako transkripční faktor a má zásadní význam v regulaci buněčného cyklu a v indukci apoptózy (podrobněji je rozebíráno níže "Mechanismy buněčné smrti", "Apoptóza"). Dále je to antiapoptický protein Bcl-2 (B cell lymphoma leukemia-2) a naopak proaptotický Bax (Bcl-2 associated X protein).
   Cykliny jsou proteiny, které jsou přítomné v buňce především v určité části buněčného cyklu; v průběhu buněčného cyklu dochází k cyklickým změnám jejich koncentrace (odtud pochází jejich název) - expresi a degradaci, což hraje významnou roli v regulaci buněčného cyklu. Cykliny obsahují homologické řetězce o velikosti kolem 100 aminokyselin. Vážou se na své partnery - cyklin-dependentní kinázy CDK. Za nízké koncentrace cyklinů je většina CDK v neaktivním volném stavu. Při nárůstu koncentrace se cykliny mohou navázat na určitá regulační místa CDK, což způsobuje zvýšení jejich aktivity - aktivní CDK může fosforylovat řadu dalších enzymů, způsobovat jejich aktivaci a deaktivaci, což může výrazně ovlivňovat dynamiku buněčného cyklu. Vzhledem ke komplikovaným regulačním mechanismům v eukaryotických buňkách je přítomno několik druhů cyklinů a příslušných CDK, regulujících různé fáze buněčného cyklu: cykliny D (regulují průchod kontrolním uzlem v pozdní Gl fázi), cykliny E (ovlivňují přechod z G1 do S fáze), cykliny A (kontrolující průběh S fáze), cykliny B (řídící zahájení mitózy a některé procesy jejího průběhu).
   Jednoduššími látkami bílkovinné povahy jsou tzv. peptidy (řec. pepto=vařit,trávit; vznikají m.j. natrávením bílkovin). Skládají se rovněž z řetězců aminokyselin, avšak menšího počtu, cca několika desítek (peptidy byly zmíněny již na začátku našeho pojednání o buňkách). Slouží k vzájemné komunikaci buněk, např. v imunitním a nervovém systému, patří k nim řada hormonů. Do této skupiny látek bílkovinné povahy patří cytokiny (řec. kytos=dutina,buňka, kineo=pohybovat, přenášet) produkované buňkami a sloužící k jejich vzájemnému ovlivňování a předávání informací. Patří sem např. interferon (lat. inter=mezi, fero=nést) a interleukiny (vzájemné ovlivňování bílých krvinek).
Modifikace a poškození DNA
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 podléhají mitotické smrti, především formou apoptózy. Podobný účinek má i ionizující záření (a jím indukované chemické radikály), což bude níže podrobně diskutováno. Obojí tento mechanismus se používá k likvidaci nádorových buněk při chemoterapii a radioterapii (§3.6 "Radioterapie").
  Řada chemických látek, vstupujících do buněk zvnějšku, i vznikajících uvnitř při metabolismu nebo ionizačním ozáření, mohou reagovat s nukleotidy a měnit sekvence DNA - způsobovat genotoxicitu. Do DNA eukaryotických buněk též může vstupovat RNA virů (působením tzv. reverzní transkriptázy) a měnit její genetickou informaci; tzv. onkoviry mohou být spouštěcím mechanismem mutací vedoucích k nádorové transformaci buněk.
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 - pasivní transport. K výměně některých iontů mezi buňkou a okolím slouží transmembránové proteiny, které vytvářejí tzv. iontové kanály.
Receptory
Na povrchu buněk (buněčné stěny) se nacházejí tzv. receptory (lat. receptor=přijímač podnětů) - 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 selektivně vázat na buněčný receptor, se nazývá ligand (lat. ligo=vázat). Ligand se naváže na receptor a spustí se specifická signalizace dovnitř buňky. Z hlediska struktury se transmembránový receptor skládá ze třech základních částí (domén):
- Extracelulární doména, tvořená aminoterminálním koncem receptorového proteinu, má vazebné místo pro ligand;
- Transmembránová doména, která ukotvuje molekulu v buněčné membráně;
- Intracelulární doména, tvořená karboxyterminálním C-koncem makromolekuly, po své aktivaci spouští přenos signálu - aktivuje další molekuly signální kaskády v cytoplasmě, příp. až do jádra.
Receptorová aktivace se uskutečňuje pomocí kináz a fosforylace, jak bylo zmíněno výše v pasáži "Proteiny, enzymy, kinázy". Po navázání ligandu a fosforylaci receptoru dojde ke změně konformace (prostorového uspořádání, rotace - jiná izomerie) této molekuly a na vnitřní doméně k odkrytí vazebného místa pro specifické intracelulární signální molekuly; za pomoci kináz následuje aktivace dalších molekul signální kaskády. Pokud je chemický signál přenesen až do jádra, jsou fosforylovány trankripční faktory, které takto aktivovány indukují transkripci (popř. represi) specifických genů, produkujících potom příslušné efektorové proteiny (lat. facio=činit, efficio=vykonat).
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 tubulinu 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). 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.
Vnitrobuněčný pohyb a transpost
je jednou z podstatných vlastností buněk, který je nezbytný k uskutečňování základních biologických pochodů. Vnitrobuněčný pohyb je zprostředkovaný cytoskeletem, na který se může vázat řada speciálních proteinů. Podél mikrotubulů tak dochází k transportu řady důležitých molekul v buňce. Je to prostřednictvím speciálních látek zvaných kinesiny, které mají vazebná místa pro různé molekuly. Kinesiny jako "molekulové stroje" se pohybují - "kráčí" - 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. K pohonu každého kroku slouží molekula adenosintrifosfátu (ATP), která střídavě reaguje s koncovými částmi kinesinu, přičemž se adenosin-trifosfát (ATP) hydrolyzuje na adenosin-difosfát (ADP) a odštěpuje se fosfát. Uvolněná chemická energie se prostřednictvím elektrických polarizací přeměňuje na mechanickou sílu, způsobující pohyby a transport molekul. Při jednom takovém kroku se kinesin posune o vzdálenost dvou tubulinových dimerů, cca 10nm. Za jednu sekundu může molekula kinesinu vykonat cca 80 kroků.
Na rozdíl od obvyklého pojetí sketetu (kostra člověka, skelet stavby) není cytoskelet neměnnou pevnou a 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, vnitrobuněčných (přesun organel, dělení buněk) i extrabuněčných (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 fibrinových 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.

Stavba eukaryotické buňky. Ve zvětšených výřezech jsou schématicky zakresleny detaily některých struktur.
(tento obrázek je zde znovu uveden pro přehlednost)

Buněčné organely
Mitochondrie - "elektrárny" buňky
Důležitými organelami v buňce jsou mitochondrie (řec. mitos=vlákno, chondros=zrno - mívají rozmanitý tvar od protáhlých vláken až po kompaktní zrna, velikosti cca 0,1-2mm). Mají dvě membrány, vnitřní a vnější:
- Vnitřní membrána je nepravidelného, mnohonásobně zprohýbaného tvaru (prohlubně do nitra se někdy nazývají kristy). Je selektivně propustná pouze pro molekuly podílející se na respiračním řetězci a oxidační fosforylaci. Na vnitřní membráně jsou lokalizovány multiproteinové komplexy, které transportem protonů a elektronů zprostředkovávají buněčnou respiraci; z hlediska našeho výkladu je důležitý zvláště cytochrom c (viz níže "Apoptóza").
- Vnější membrána se podobá buněčné stěně a je propustná pro většinu malých molekul, nikoli však pro složitější proteinové molekuly (jako je cytochrom c). Vyvinula se v průběhu fylogenetického vývoje z plasmatické membrány aerobních bakterií po jejich endocytóze (viz níže).
Hlavní funkcí mitochondrií 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; uvnitř vnitřní membrány obsahují svou vlastní mitochondriální DNA, úplně jinou než jaderná DNA.
Evoluční původ mitochondrií
Mitochondrie mají zajímavý evoluční původ. Dávné eukaryotní buňky, když se vyvíjely z prokaryot, neměly mitochondrie. Požíraly mimo jiné různé prokaryotní buňky, kterými se živily. Před asi 1,5-2 miliardami lel se občas stávalo, že prvotní eukaryotické buňky fagocytovaly některé druhy dávných aerobních bakterií (podobných protobakteriím řádu Rickettsiales), které však nerozložily a nestrávily, ale nechaly je neporušené - ustavily s nimi endosymbiózu *). Buňka získávala z okolí kyslík a živiny, ty předávala těmto bakteriím - budoucím mitochondriím - které je metabolizovaly na energetické molekuly pro vlastní potřebu i potřeby celé buňky. Taková symbióza se ukázala oboustranně výhodná. Během miliónů let si buňka svou bakterii zcela "ochočila", endosymbiot se vzdal větší části své nezávislosti a stal se pouhou organelou. 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 fotochemické "baterie"), jejichž obdobný evoluční původ se odvozuje od endosymbiózy se sinicemi.
*)Vysledovat fylogenetický "evoluční strom" eukaryot až k jejich "kořenu" je však velmi nesnadné. Kromě primární endosymbiózy někde na začátku, docházelo během evoluce k několika dalším sekundárním či terciálním endosymbiózám. Srovnávací analýza morfologických znaků je často zavádějící. Spolehlivější metodou je nyní molekulární fylogenetika, která vyvinula postupy pro rekonstrukci fylogeneze podle podobnosti genů a proteinů. Srovnáváním sekvencí genů (nejčastěji genů pro RNA malé jednotky ribosomu, SSU rRNA, které jsou přítomné ve všech buňkách) u různých organismů lze vysledovat určité podobnosti, které mohou být indiciemi pro jejich fylogenetickou příbuznost. Problémem je, že v průběhu evoluce velmi často docházelo ke genovým fúzím původně samostatných genů a naopak ke genovým rozdělením na dvě nové části. Proto je nutno fylogenetické studie provádět na více genech a proteinech - multigenové či fylogenomické analýzy používající sekvenování genomů a molekul mediátorové mRNA, s následnou statistickou analýzou podobností.
Lysosomy
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" vazbovou chemickou energii potřebnou k syntéze složitých látek a k dalším funkcím buněk.
Ribosomy - "továrny" na proteiny
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, strukturovaných do dvou podjednotek. Malá podjednotka ribosomu má molekulovou hmotnost cca 800kDa a skládá se z 20 proteinů a molekuly RNA délky asi 1600 nukleotidů (16S RNA). Velká podjednotka ribosomu má velikost asi 1500 kiloDaltonů a skládá se z 33 proteinů a dvou molekul RNA (23S RNA o délce 2900 nukleotidů a 5S RNA délky 120 nukleotidů). V ribozomech probíhá syntéza proteinů z řetězce mRNA pomocí translace - dekódování informace z mRNA, podle níž je sestavován výsledný řetězec aminokyselin; ke "čtení" se využívají molekuly tRNA, které nesou na jedné straně aminokyselinu a na druhé straně mají trojici nukleotidů (antikodon), která se může párovat s kodonem mRNA (bylo popsáno výše). Specifické nukleotidy 16S RNA z malé podjednotky ribosomu vytvářejí vodíkové můstky s nukleotidy kodonu i antikodonu pouze tehdy, když dojde k jejich správnému párování a geometrické orientaci. Vlastní peptidická kovalentní vazba, která spojuje dvě aminokyseliny, vzniká ve velké podjednotce ribozomu, kde se nachází tzv. peptidyl-transferázové centrum obsahující 23S RNA a ribosomální proteiny. Ribosomy jsou jakési buněčné "linky" či "továrny" na výrobu bílkovin: jaderná DNA ("projekční kancelář") dodává informační mRNA ("technický výkres"), která se v ribosomech překládá do sekvence aminokyselin proteinů (pomocí transferové tRNA pro každou aminokyselinu) - probíhá vlastní "výroba" molekuly specifické bílkoviny.
Další organely
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.

Specializace buněk
Mnohobuněčné organismy se skládají z buněk různých druhů, které mají různé tvary a různou činnost - jsou "specializované" k tomu, aby vytvářely různé diferencované tkáně a orgány se specifickou funkcí, nebo aby mechanicky stavěly např. opěrný či pohybový aparát. Tyto specializované buňky, vykonávající určitou funkci, se nazývají efektorové (lat. efektor=vykonavatel). V lidském těle se nachází asi 230 druhů různých specializovaných buněk. Jsou to jednak buňky tělní - somatické (řec. sóma=tělo) - to jsou prakticky všechny buňky v těle, a buňky pohlavní - gametické (řec. gameté= žena, manželka) - u savců jsou to vajíčka a spermie.
Pro zajištění růstu a regenerace jsou v tkáních a orgánech dále přítomny buňky kmenové (mateřské, klonogenní). 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 *). Asymetrické dělení zajišťuje proces diferenciace, při němž se vznikající 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.
*) O dělení buněk a buněčném cyklu je pojednáno níže v části "Účinky záření na buňky", pasáž "Radiační účinky během buněčného cyklu".
Nové výzkumy ukázaly, že specializované efektorové buňky mohou za určitých okolností (např. vlivem stresu z nepříznivého okolí, jako je změna kyselosti prostředí) ztratit svou specializaci a stát se buňkami které mají k dispozici celou genetickou výbavu. Dělení těchto buněk se může patrně podílet na regeneraci poškozených tkání; spekuluje se i o tom, že některé buňky po ztrátě specializace se vlivem mutací mohou transformovat na klonogenní buňky nádorové.

Zánik - smrt - buněk
Zánik živých organismů
Žádné organismy nežijí věčně - jsou "smrtelné". Příčiny zániku (smrti) organismů mohou bý velmi různorodé, ale můžeme je zhruba rozdělit do dvou kategorií :
1.Vnější příčiny - mechanické zničení, napadení a "sežrání" jiným organismem, tepelné poškození, chemické či radiační poškození, nepříznivá změna vnějších podmínek, nedostatek živin.
2.Vnitřní faktory - fyziologické poruchy a onemocnění, "opotřebování" orgánů a degenerace životních funkcí, stárnutí - senescence.
Vnější a vnitřní faktory spolu často úzce souvisejí. Infekce, radiace či chemické škodliviny, i když se s nimi v akutní fázi organismus úspěšně vyrovná, mohou iniciovat latentní procesy vnitřní degradace, které posléze mohou způsobit zánik organismu...
Stárnutí organismů
Stárnutí - senescence - živého organisamu je komplexní nevratný proces, projevující se postupným snižováním účinnosti životních funkcí a chátráním tělesných struktur organismu. Je nedílnou součástí života všech mnohobuněčných organismů a nakonec vyústí v jejich zánik. Rychlost senescence je základním limitujícím faktorem pro délku života organismů. Tato maximální délka života je velmi různá pro jednotlivé druhy organismů.
Nejdéle žijícími organismy jsou některé jehličnany - sekvoje Sequoia sempervirans či borovice Pinus aristata, dosahující 3000-5000 let. Z živočichů jsou dlouhověké např. želvy Chelonoidis nigra (cca 200 let) či mlži Arctica islandica (500 let). Většina živočichů má délku života v rozmezí roků či desítek let, u hmyzu jsou to většinou měsíce, nejkratší je u jepice (max. 3 dny).
Stárnutí je multifaktoriální proces, na kterém se podílí různé mechanismy, z nichž patrně nejdůležitější jsou tři :
-> Reaktivní volné radikály, především kyslíkové, vznikající při mnoha metabolických procesech v organismu. Hlavním zdrojem volných radikálů v buňkách jsou mitochondrie, ve kterých probíhá buněčné dýchání a tvorba chemické energie. V organismech sice jsou přítomny antioxidační enzymy, ale s přibývajícím věkem se snižuje schopnost je produkovat. Volné radikály se pak začínají více akumulovat a mohou poškozovat buňky a tkáně (především způsobovat zlomy řetězců DNA, jak je uvedeno v následujícím bodě).
-> Hromadění defektů DNA vznikajících spontánně a náhodně během života při chybách v replikacích, reakcemi kyslíkových radikálů, nebo reakcemi mutagenních látek (které se většinou do buněk dostávají z okolí s potravou). Některé tyto vážnější defekty v důležitých geneticky kódujících částech DNA nejsou opraveny, v organismu se hromadí, může docházet k poruchám správné funkce buněk v tkáních. Je pozorováno, že počet spontánních chrozomových aberací v somatických buňkách roste s věkem.
-> Zkracování telomerů při mitotickém dělení buněk (bylo popsáno výše v části "DNA, RNA, proteiny, chromosomy, telomery", pasáži "Telomery"). Po překročení určité kritické délky již telomery ztrácí svou ochrannou funkci a buňka se již nemůže dělit; zpravidla pak nastává programovaná buněčná smrt - apoptóza. Pravidelné zkracování telomerů při každém dělení způsobuje, že somatické buňky během svého života mohou provést pouze určitý omezený počet dělení - cca 50-80. Tento počet dělení se nazývá Hayflickův limit (Hayflick a Moorhead to zjistili v r.1951). Buněk schopných se dělit je proto s postupem času v organismu stále méně, funkční schopnost tkání klesá a proto organismus stárne - replikativní stárnutí.
Pozn.: Proces stárnutí - senescence - bývá někdy dáván do souvislosti s.2. zákonem termodynamiky - růstem entropie (neuspořádanosti) uzavřených systémů. Tento 2.termodynamický zákon je zde však jen skrytým fyzikálním rámcem, ležícím hluboko v molekulárním pozadí. Skutečnými explicitními mechanismy jsou zde však zmíněné bio-chemické procesy volných radikálů, defektů DNA a zkracování telomer při dělení buněk.
Mechanismy buněčné smrti
Na buněčné úrovni se setkáváme se čtyřmi základními typy - mechanismy - zániku a inaktivace: apoptóza, autofagie, nekróza a senescence buněk. Jako zvláštní kategorie se někdy uvádí "mitotická katastrofa". Za fyziologických okolností je smrt eukaryotických buněk jedním z mechanismů udržování tkáňové homeostázy - rovnováhy v produkci nových buněk a zánikem buněk starých, nadbytečných, poškozených. Dále může sloužit jako ochrana před zmutovanými buňkami, které mohou být pro organismus nebezpečné.
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. Apoptóza spouštěná vnitřními mechanismy funguje jako ochrana proti přežívání a množení defektních buněk, především zmutovaných buněk s poškozenou DNA.
¨ Vnější (extracelulární) aktivace apoptózy - vazba určitých látek (ligandů "smrti"), vysílaných regulačními mechanismy tkání a organismu, na příslušných receptorech cytoplasmatické membrány. Správně fungující apoptóza, spouštěná vnějšími regulačními mechanismy z tkáně, pomáhá udržovat tkáňovou homeostázu, představuje účinnou ochranu proti nadměrnému zmnožení buněk.

Nahoře: Vnitřní a vnější signální cesty aktivace apoptózy. Dole: Morfologické změny buňky v průběhu apoptózy.

Vnitřní signální cesta apoptózy
Důležitou úlohu v apoptóze, zvláště v procesu vnitřní aktivace apoptózy, má protein p53 (má molekulovou hmotnost 53 kilodaltonů a délku 393 aminokyselin). Za normálních okolností je jeho hladina v buňce na nízké úrovni (udržuje ji protein mdm2), která stačí k udržení regulace buněčného cyklu. Poškození DNA aktivuje kinázu ATM, která spustí produkci proteinů pro opravu DNA a (přes mdm2) aktivuje a fosforyluje protein p53, který působí jako transkripční faktor. V počátečních fázích může p53 aktivovat opravu DNA (přes proteiny GADD45) a zpomalit buněčný cyklus (přes protein p21 kódovaný genem WAF/CIP1) tak, aby stačila proběhnout reparace. Protein p21 inhibuje cyklin-dependentní kinázy CDK a zastaví buněčný cyklus v G1 fázi; v případě správné funkce p53 je buněčný cyklus obnoven až po odstranění chyb v DNA. Pokud p53 zjistí poškození DNA přesahující možnosti opravy, zvýší se jeho exprese, čímž se indukuje syntéza Bax a dalších proteinů, navazujících se na mitochondrie; zároveň dochází k inhibici antiapoptického Bcl2 proteinu (zmíněného níže). 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) a nastartuje se kaspázový řetězec (viz níže).
*) Cytochrom c, pokud je uvnitř mitochondrií - lokalizovaný na vnitřní membráně (přes niž zprostředkovává transport elektronů), je důležitý pro buněčnou respiraci (je zde cytochrom-c-reduktáza a cytochrom-c-oxidáza). Pokud se však z mitochondrií uvolní, může vést k záhubě buňky.
Protein p53 (objevený v r.1979 v britském Cancer Research) má tedy funkci regulátoru buněčného cyklu a jakéhosi "strážce genomu":
- Může aktivovat opravu DNA, přičemž může na chvíli pozastavit buněčný cyklus, aby byl poskytnut čas reparačním mechanismům;
- Pokud se ukáže, že DNA buňky je tak vážně poškozena, že její oprava již není možná, může spustit apoptózu, která programově dovede buňku k "bezpečnému" zániku.
Tímto způsobem se zajišťuje ochrana organismu před potenciálně nebezpečnými buňkami s poškozeným genomem, tedy i před nádorovými buňkami. Odtud název tumor-supresorový gen TP53 pro příslušnou sekvenci na DNA (lokalizovanou na 17p13.1), která kóduje jako produkt (trankripční faktor) protein p53. Mutace genu TP53 může vést k nádorovému bujení (spolu s dalšími faktory, viz §3.6 "Radioterapie", pasáž "Karcenogeneze"). Na funkci TP53 se podíl i několik dalších genů (kooperujících i konkurujících).
Vnější signální cesta apoptózy
Vnější aktivace apoptózy je zahájena příchodem "smrtícího" ligandu, který se naváže na příslušný "smrtící" receptor lokalizovaný na povrchu buňky. Jedním z takových ligandů je tzv. TRAIL gen (název pochází z oblasti onkologie: tumour necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand). Pod povrchem buňky se pak aktivují pro-kaspázy (8 a 2), proces se větví na inhibici membrány mitochondrií (a uvolnění cytochromu c stejně jako u shora uvedené vnitřní aktivace) a na přímou aktivaci efektorových kaspáz (-3,6,7).
Kaspázový řetězec
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), včetně cytoskeletu a buněčné matrix; to pak vede i k níže zmíněným morfologickým změnám buňky. Napadají dále i jádro a štěpí DNA.
*) Je zatím známo 14 druhů kaspáz, z nichž se na apoptóze podílí asi polovina. Některé z nich, tzv. pro-kaspázy (-2,8,9,10) v inaktivní formě, se běžně vyskytují v cytoplasmě. Reakcí těchto "signálních" kaspáz s cytochromem c, nebo asociací s receptory, dochází k expresi efektorových kaspáz (-3,6,7), rozkládajících proteiny a další makromolekuly v buňce.
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 - PS) stimulující jejich fagocytózu - "pozření" okolními buňkami, fagocyty nebo imunitními buňkami (makrofágy - zvýšená expozice PS na povrchu buňky je pro makrofágy lákavým signálem: "sežer mne!"). Na rozdíl od nekrózy dochází tedy i k regulovanému a šetrnému "odklizení" produktů buněčného zániku.
  Apoptóza je hlavním mechanismem biologického účinku - buněčné smrti - při ozáření nižšími a středními dávkami, desetiny až jednotky Gy. Při indukci apoptózy ionizujícím zářením (vnitřní signální cesta) se mechanismus jejího vzniku a časová závislost u různých typů buněk významně liší. Rychle se dělící radiosenzitivní buňky mohou vstoupit do apoptózy z různých bodů buněčného cyklu, méně radiosenzitivní buňky vykazují různě dlouhé "zablokování" v některé fázi buněčného cyklu, většinou v G2 fázi. V této době se buňky nedělí a je jim poskytnut čas pro reparaci poškození. Pokud je poškození ireparabilní, je iniciována apoptóza. Celkový čas, který mají buňky k dispozici při reparaci poškození DNA před případným vstupem do apoptózy, je důležitým faktorem radiosenzitivity těchto buněk při nižších dávkách (2-5Gy). Při vyšších dávkách (cca 20Gy) se ionizujícím zářením indukovaná apoptóza objevuje nezávisle na zablokování buněk v určité fázi cyklu a doba, kdy se po ozáření apoptóza projeví, závisí na obdržené radiační dávce.
  Zajímavým efektem, doprovázejícím apoptózu konkrétních nevratně poškozených buněk, je tzv. bystander efekt (diskutovaný níže), vedoucí k apoptóze či genetickým změnám i u některých okolních buněk, které původně poškozené nebyly.
Inhibice apoptózy
V buňkách a tkáních se mohou uplatňovat i antiapoptické mechanismy. Některé mutace genu TP53 (jeho delece nebo bodová mutace) mohou způsobit inhibici apoptózy. Apoptóza může být též zablokována na úrovni mitochondrií. Byl nalezen antiapoptický gen Bcl-2 (B cell lymfoma/leukemia protein 2 - 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). Bcl-2 je svým genem BCL-2 intenzívně exprimován během embryonálního vývoje, v dospělosti se vyskytuje jen v kmenových buňkách (a v buňkách nádorových).
  Bcl-2 i BAX jsou transkripčními cíly pro důležitý regulační protein p53. Exprese pro-apoptického proteinu Bax může být indukována ionizujícím zářením, cytotoxickými látkami (jako jsou chemoterapeutika) či jiným genotoxickým stresem.
Autofagie buněk
Jedná se o jakési "sebe-pozření" buňky (z řec. auto = sám sebe, fago = jíst,hltat). Při úplné autofagii (makroautofagii) buněk, 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. Částečná autofagie - řízený proces vlastního štěpení a trávení - nastává tehdy, když se buňka snaží přežít nepříznivé podmínky natrávením části buněčné cytoplasmy nebo svých méně důležitých organel. Autofagické váčky jsou transportovány do lysosomů, v jejichž kyselém prostředí dochází k rozkladu složitých biologických molekul, přičemž dochází k recyklaci energie a potřebných látek. Udržuje se tak proteinová homeostáza během nepříznivých podmínek; po jejich odeznění může buňka dále fungovat a dělit se.
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 fosforylace, 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).
  Při ozáření ionizujícím zářením dochází k nekróze buněk až při velmi vysokých dávkách desítky až stovky Gy.
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 replikační senescenci (srov. též výše pasáž "Zánik - smrt - buněk").
Existuje však speciální enzym zvaný telomeráza (je to komplex složený z RNA a proteinů, obsahující sekvence sloužící jako předloha pro syntézu sekvencí telomeru 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 a kmenových 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) - předčasná stresem indukovaná senescence (regulační cesta senescence nezávislé na zkracování telomer vede přes protein p16).
Entóza buněk
Entóza buněk (z řec. entos=uvnitř) je jev, kdy se dvě buňky vzájemně spojí a sloučí v jednu buňku, dočasně nebo trvale - jedna buňka je "internalizovaná" uvnitř druhé, vzniká "buňka v buňce". V laboratorních koloniích buněk se pod mikroskopem občas pozoruje, že dvě buňky se postupně k sobě přibližují, až do sebe "vstoupí", nastane "invaze" jedené živé buňky do cytoplasmy jiné buňky. V řadě případů se jedná o "kanibalismus", kdy jedna buňka pohltí druhou, která zanikne vlivem lysosomálních enzymů - to by se dalo zařadit do kategorie buněčné smrti (tak je tomu u fagocytů). Někdy ale dochází k endosymbióze, kdy pohlcená buňka přežívá, může se uvnitř "hostitelské" buňky dokonce dělit, či ji může opět bez poškození opustit.
  K entóze dochází u buněk, které se oddělily z vazby v extracelulární matrix. Když se taková uvolněná buňka těsně přiblíží k jiné buňce, začnou na ni působit adhezní síly k cytoskeletu sousední buňky, které ji mohou vtlačit dovnitř. Zatím je otázkou, zda entóza je jev, ke kterému skutečně dochází v organismu (kde jsou v tkáních buňky fixovány v extracelulární matrix), nebo jen v buněčných kulturách volných buněk..?.. Entóza by mohla hrát určitou roli v nádorových omemocněních. Zatím není jasné, zda pozitivní (další typ buněčné smrti, který může napomáhat redukci nádorových buněk) nebo negativní (nádorové buňky se mohou "skrýt" v jiných buňkách před imunitními mechanismy či chemoterapeutiky a pak se opět uvolnit a začít se množit)..?..
Mitotická katastrofa
Takto se někdy označuje složitější kombinovaný mechanismus, který může (ale nemusí) vyústit v buněčný zánik. Nastává jako důsledek chybné mitózy, když se buňka pokouší dělit bez náležité opravy poškozené DNA (jako je na obr.5.2.2c), v důsledku selhání v kontrolním uzlu G2/M a předčasné aktivace CDK1. Při mitotické katastrofě se objevuje větší počet multipolárních dělících vřetének a dekondenzovaných chromosomů, dochází k jaderné fragmentaci či ztrátě jaderné membrány, může být přítomno dvě i více jader (multinukleace) vzniklých nepřesným rozdělením při citokonezi. 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 či chromosomální nestabilitou.
Poznámka: K chybné mitóze může docházet též působením některých chemických látek, které se navazují na mikrotubuly a brání jim v polymeraci či depolymeraci. 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").
Imunitní zánik buněk
V mnohobuněčných prokaryotních organismech dochází ke složitým interakcím různých specializovaných buněk. V průběhu evoluce se vyvinul imunitní systém, jehož úkolem je chránit organismus před cizorodými buňkami - především infekcí vnějšími vetřelci, ale i před vlastními poškozenými či zmutovanými buňkami. ----....... Hlavními biochemickými molekulami, zprostředkovávajícími imunitní ochranu, jsou proteiny ze skupiny imunoglobulinů. I když imonoglobuliny mohou indukovat i apoptózu, hlavním mechanismem imunitní likvidace nežádoucích či "podezřelých" buněk je aktivace komplementů - membránových glykoproteinů C1-C9, které svými proteolytickými účinky atakují cytoplasmatické buněčné membrány a způsobují jejich penetraci. Buňka zaniká a uvolněné chemické látky způsobují zánětlivou reakci s kumulací leukocytů. Na rozdíl od apoptózy se zde jedná o vnější proteolytickou likvidaci buňky. Dalším mechanismem imunitní cytocidy je indukce fagocytózy - fixní Fc oblast navázané protilátky se specificky váže na Fc receptor některých typů leukocytů, zejména makrofágů, které pak rozpoznávají a následně fagocytují nádorové buňky. ............
Tyto mechanismy buněčné likvidace se používají v biologicky cílené terapii nádorových onemocnění s použitím monoklonálních protilátek (§3.6 "Radioterapie", pasáž "Monoklonální protilátky").
Další podrobnosti stavby buněk a jejich chemických a biologických funkcí leží již mimo rámec tohoto fyzikálně zaměřeného pojednání. Přejdeme proto k našemu hlavnímu tématu – biologickým účinkum ionizujícího záření :

Mechanismy účinku záření na živou hmotu
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. Volné reaktivní radikály svými oxidačními a redukčními účinky jsou schopny štěpit různé druhy vnitřních molekulových vazeb v biomolekulách a degradovat tak jejich chemickou strukturu, nutnou pro příslušné biologické funkce.
*) Kromě volných radikálů podobné vlastnosti vysoké reaktivity vykazují 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 hydroxylových radikálů), cystein, kyselina listová; z prvků pak např. selén, hořčík, zinek, chrom, ...
Účinek ozáření na buňky
Chceme-li si rámcově přiblížit účinky ionizujícího záření na buňky, je třeba samostatně uvažovat dvě základní situace :
× Silné ozáření (dávkou stovky Gy) => rozklad biochemických molekul, denaturace bílkovin v cytoplasmě a organelách, zastavení veškerých životních funkcí, okamžitý zánik buněk (v interfázi) - nekróza buněk.
× Slabší ozáření (desetiny až jednotky Gy) => zanedbatelný účinek na cytoplasmu a organely, radiobiologický účinek na DNA může vyústit v mitotickou smrt buňky - apoptóza, nebo změnu genetické informace - mutace. Nebo vlivem reparačních mechanismů nedojde k žádnému účinku.
V našem pojednání se budeme zabývat radiobiologickými procesy především při běžných situacích malých a středních radiačních dávek desetiny, jednotky nebo desítky Gy. Začneme účinky jednotlivých radiačních kvant.

Co se tedy stane, když přilétající kvantum ionizujícího záření vnikne do buňky? Podle obrázku "Buňka.gif" (který si zde pro názornost uvádíme znovu) má eukaryotická buňka složitou strukturu, takže záleží na tom, která konkrétní část buňky je zasažena kvantem záření :
-->Pokud kvantum záření zasáhne cytoplasmu a poškodí některou bílkovinu v cytosolu, je tato molekula záhy odstraněna v lysosomu a nestane se nic. Molekul proteinů v cytoplasmě je velké množství a jsou neustále doplňovány proteosyntézou v ribosomech.
-->Když kvantum záření zasáhne některou buněčnou organelu - lysosom, mitochondrii, mikrotubulus, je tato struktura opět záhy nahrazena nově vytvořenou a v podstatě se opět nestane nic.
-->Pokud však kvantum záření zasáhne buněčné jádro a v něm deoxyribonukleovou kyselinu DNA, může dojít k řadě závažných biologických účinků, podrobně rozebíraných níže :
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, cytoplasmu, jednotlivé organely. O reakci buněk na ozáření však rozhoduje především chování DNA. Jaderná deoxyribonukleová kyselina (DNA) je biochemicky nejdůležitější makromolekulou v buňce - jsou v ní obsaženy základní informace o struktuře a funkci buňky. Zásah do biochemické struktury DNA může způsobit, že buňka přestane vyrábět potřebnou bílkovinu, nebo může tvořit změněné "cizí" bílkoviny, které neplní svou funkci (někdy mohou být i toxické).
  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 (řetězec) DNA. Tyto zlomy si buňka zpravidla snadno opraví za pomoci enzymu DNA ligáza.
× Dvojité zlomy (DSB - double strand break),
postihující obě vlákna (řetězce) DNA. Zde je oprava podstatně obtížnější a často je neúspěšná. Dvojitý zlom struktury DNA vede často k zániku buňky - k jejímu letálnímu poškození, zaniká zpravidla apoptózou (podrobně byla popsána výše v pasáži "Mechanismy buněčné smrti").
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 chromatinovém obarvení jsou dobře pozorovatelná 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.
Pozn.: Některé nové radiobiologické studie s použitím velmi tenkých "mikrosvazků" nabitých částic (především a a protonů, bylo však prokázáno i na X-záření) ukázaly, že v některých případech přímé poškození DNA není nezbytné pro spuštění intracelulárních mechanismů poškození. I v případě ozáření cytoplasmy může někdy vzniknout jakási "dálkově indukovaná" odezva (bystander response), vedoucí k radiačnímu poškození buněk - apoptóze či genetickým změnám (srov. níže diskutovaný "Bystander efekt").
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. Celkově působí ionizující záření jako cytostatikum (poškození buněk, zastavení buněčného dělení) a mutagen (poškození nebo pozměnění genetické informace). Pro škodlivé účinky ionizujícího záření na organismus, jednotlivé tkáně a orgány, se používá souhrnný název radiotoxicita.
*) Genotoxicitu vykazuje i řada chemických látek, které do buněk vstupují zvnějšku (metabolickou cestou organismu), nebo vznikají uvnitř buněk (při vnitřním metabolismu buněk nebo při ionizačním ozáření). Tyto látky vstupují do jader, reagují s DNA a způsobují účinky deterministické (mitotická smrt buněk - cytostatika, silnější ozáření) nebo stochastické (mutace, vznik nádorů - dlouhodobé působení karcinogenních látek nebo slabší radiace); viz níže "Vztah dávky a biologického účinku". Rovněž některé viry (retroviry, onkoviry) mají vysokou genotoxicitu: RNA těchto virů je schopna, působením reverzní transkriptázy, vstupovat do DNA eukaryotních buněk a měnit jejich genovou sekvenci.
  Nejsou známy žádné specifické genetické změny či mutace, které by bylo možno přisoudit pouze účinkům ionizujícího záření a odlišit je od změn vyvolaných chemickým působením (vnějším nebo vnitřním). Genetické účinky záření se projevují jen zvýšenou frekvencí spontánně se vyskytujících mutací a genetických změn.

Základní stádia účinku ionizujícího záření na organismus
Nejdříve si radiační účinky přehledně rozebereme z globálního hlediska celého organismu (v dalším výkladu se pak opět vrátíme k induktivnímu postupu: intracelulární mechanismy ® buňky ® tkáně ® orgány ® organismus). Proces účinku ionizujícího záření na živou tkáň probíhá ve čtyřech význačných etapách, lišících se svou rychlostí a hlavně 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.

Pouze fyzikální a chemické stádium je závislé na fyzikálních parametrech záření, zatímco následná radiobiologická reakce buněk je určena pouze biologickými vlastnostmi konkrétních druhů buněk. 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 Reparační mechanismy na úrovni buňky úspěšně opraví poškození DNA či jiných látek;
J Buňky usmrcené zářením jsou rychle nahrazeny dělením zdravých buněk - kompenzační proliferace 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 podrobněji rozebírány níže.
Jen malá část absorbované energie záření se přeměňuje na disociační a vazbové energie chemických reakcí, převážná většina energie se v konečném důsledku mění na teplo. Při dávkách používaných v biologických aplikacích je však toto radiační zahřívání zanedbatelné.

Zásahový a radikálový mechanismus radiačního účinku na buňky
Vraťme se nyní k intracelulárním procesům radiačního účinku, k vlivu na DNA. K poškození struktury DNA dochází dvěma základními mechanismy :

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.

Zastoupení zásahového a radikálového účinku
V organismech jsou složité biochemické molekuly rozptýleny především ve vodě. 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.
Pozn.: Při vývoji radiobiologických představ snaha o vysvětlení účinků ionizujícího záření na živou tkáň vedla k vyslovení dvou základních teorií - starší zásahové a novější radikálové teorie. Jejich úloha a podíl na radiačních účincích byl později upřesněn a zdokonalen mechanismem duální radiační akce a lineárně-kvadratickým modelem rozebíraným níže.
Kyslíkový faktor
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, kde je zvýšený podíl přímého zásahového mechanismu (a též zvýšená rekombinace radikálů), je kyslíkový efekt méně významný. Kyslíkový efekt se v některých případech může výrazně uplatňovat v radioterapii (§3.6, část "Fyzikální a radiobiologické faktory radioterapie").

Mechanismus duální radiační akce, molekulárně-biologický proces
Radikálový mechanismus byl později dále zdokonalen a upřesněn 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, jakož 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 v jádře buňky - duální radiační akce, 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 (řetězce) 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.

Schématické porovnání účinků beta a alfa záření na DNA.
Nahoře:
Elektrony beta s nízkou hustotou ionizace způsobují v DNA převážně jednoduché zlomy, které si buňka dokáže opravit.
Dole:
Částice alfa s vysokou hustotou ionizace vyvolávají v DNA dvojité zlomy, které zpravidla vyústí ve smrt buňky apoptózou.

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.

Chromozomové aberace
Jelikož makromolekuly DNA jsou vázány v chromozomech, poškození DNA se může projevit ve změnách tvaru, uspořádání a struktury chromozomů - vznikají tzv. chromozomové aberace, pozorovatelné v mikroskopu. Byla pozorována celá řada různých abnormalit chromozomů, které se dají rozdělit na dvě základní skupiny:
×Numerické aberace spočívající v abnormálním počtu chromosomů, jejichž vlastní struktura je neporušená. Vznikají při dělení buněk, kdy může docházet k chybám při rozchodu chromozomů do dceřinných buněk. Může tak vznikat polyploidie (znásobení celé chromozomové sady 3× či 4×), nebo aneuploidie (numerická odchylka jen určitého konkrétního chromozomu, který může být znásoben 3× či 4×, nebo naopak zredukován - 1×, či zcela ztracen).
×Strukturní aberace, kdy je porušená struktura chromozomu v důsledku chromozomových zlomů (způsobených dvouřetězcovými zlomy DNA) a následné přestavby. Strukturní aberace se dělí na balancované (kde je množství původní genetické informace kvantitativně zachováno) a nebalancované (kdy část genetické informace chybí nebo přebývá). Pozoruje se několik druhů změn struktury chromosomů: delece (část chromozomu chybí - buď terminální na některém z konců, nebo intersticiální uprostřed); duplikace (zdvojení některého úseku chromozomu); inverze (dva zlomy na jednom chromosomu, přetočení segmentu mezi zlomy a opětovné spojení - mění se pořadí genetické informace); translokace (výměna dvou odštěpených segmentů dvou chromosomů); fragmentace (chromozom se rozštěpí na dva nebo více menších částí); prstencový chromozom (delece konců obou ramének s následným stočením a spojením zlomených konců); - a několik dalších.
Chromozomové aberace se nejvýrazněji uplatňují až při buněčném dělení, kde mohou buď dělení znemožnit, nebo způsobit nerovnoměrné rozdělení genetické informace do dceřinných buněk. Některé chromosomální aberace jsou nevýznamné a prakticky neškodné, jiné vedou k zániku buněk, některé způsobují mutace a malformace. Závažné a mnohočetné chromozomové aberace se pozorují v nádorových buňkách. Mikroskopické (cytogenetické) sledování chromosomálních aberací má velký význam i při studiu biologických účinků ionizujícího záření a v radiační ochraně exponovaných osob.

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, sliznice, 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. V průběhu 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 - pokud není zastaven kontrolními uzly (popsanými níže), fyziologicky především restrikčním G1-checkpoitnem, kdy je buňka uvedena do "služebné" G0 fáze, dále se nedělí a vykonává svou diferencovanou funkci..
  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.
Kontrolní uzly buněčného cyklu
  Složitý proces buněčného dělení je řízen několikastupňovou regulací. V klíčových místech buněčného cyklu se nacházejí určité "kontrolní uzly" či body (check point), v nichž se "vyhodnocuje" stav buňky v dané fázi a její schopnost pokračovat v cyklu (obr.5.2.2c). V kontrolních uzlech je ověřováno, zda byly úspěšně dokončeny všechny děje probíhající v příslušné fázi buněčného cyklu - předtím, než buňka postoupí do dalšího stádia svého cyklu. Hlavní úlohou kontrolních bodů je "dohled" nad správností či poškozením DNA, aby bylo zajištěno správné dělení buněk s maximálně bezchybným přenosem genetické informace. Určité kontrolní mechanismy patrně fungují průběžně v každém okamžiku buněčného cyklu, avšak jejich činnost vyúsťuje v několika význačnějších meznících jednotlivých etap:
YPrvní kontrolní bod G1 (G1-checkpoint) či G1/S se nachází na konci fáze G1. Zde se rozhoduje, zda bude buňka pokračovat v cyklu dělení, nebo přejde do klidové G0 fáze. Kontrolní uzel G1 se někdy též nazývá startovní (teprve od tohoto bodu může pokračovat nový bučný cyklus) nebo restrikční - tvoří jakousi "bariéru" pro pokračování cyklu, která se překonává expresí cyklinu D, indukovanou růstovými faktory; jinak zůstává buňka v klidové fázi G0.
YDruhý kontrolní uzel se nachází v S-fázi a kontroluje transkripci DNA; pozastavuje buněčný cyklus, dokud není DNA úplně replikovaná.
YTřetí kontrolní uzel G2/M, umístěný na konci fáze G2 (G2-checkpoint), kontroluje řadu faktorů rozhodujících o tom, zda je buňka připravena k úspěšnému vstupu do mitózy. Dohlíží na integritu DNA, zkoumá zda není DNA poškozená a zda byla dokončena její syntéza, oddaluje začátek mitózy, v případě poškození DNA zastavuje buněčný cyklus.
YPoslední kontrolní uzel M (M-checkpoint) přichází ke slovu až při mitóze v anafázi a kontroluje správný průběh a zakončení mitózy. Signální dráha mitotického kontrolního uzlu M kontroluje m.j. správné připojení kinetochoru chromosomu k dělicímu vřeténku.
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 (jako je dvojitý zlom DNA) se zahájí apoptóza (obr.5.2.2c uprostřed) - "programovaná" buněčná smrt podrobněji popsaná níže.
Radiosenzitivita buněk a tkání
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. peroxid 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, pronikají tam metabolickou cestou (krevní, lymfatickou), hromadí se nehomogenně v určitých typech buněk. Ionizující záření dodává pouze energii a toxické látky vznikají uvnitř buněk a tkání, přičemž jsou distribuovány prakticky homogenně v celém objemu ozářené tkáně, uvnitř všech buněk. Složitější je situace při vnitřní kontaminaci radioaktivní látkou, kdy je její distribuce nehomogenní - v cílových tkáních a orgánech, v závislosti na chemickém složení. A též u záření s krátkým doletem v tkáni (a,b), kdy je ozářeno jen blízké okolí interakčního místa.
2.Rozdíl 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)=N_o je exponenciální funkce N = N_o.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.

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 (řetězce) 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 změněným 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.
Podstatně záleží též na rychlosti buněčného cyklu. Buňky, které se rychle dělí, mají v průměru méně času na opravu poškození vzniklého v jejich DNA, takže budou více trpět následky neopravených nebo chybně opravených poškození. Plyne z toho důležitý obecný závěr: rychle se dělící buňky jsou radiosenzitivnější.
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" - efekt dávkového příkonu.

Účinky záření na tkáňové úrovni
Shora rozebírané účinky záření na subcelulární a buněčné úrovni jsou základním východiskem k pochopení účinků na vyšších úrovních organizace - v tkáních, orgánech, celém těle. Nejsou však východiskem postačujícím! Platí zde známá obecná zkušenost, že systém není jen prostým součtem svých prvků (resp. "organizovaný celek je více než součet jeho částí"). Některé radiační účinky v živé tkáni jsou způsobeny nejen základními buněčnými mechanismy, ale přistupují zde i interakce různých tkáňových faktorů, jakou jsou intracelulární komunikace biochemickými signálními cestami, pohyb molekul a iontů mezibuněčným prostorem, dělení buněk a obnova tkání. Na úrovni orgánů a celého organismu k tomu přistupují složité biologické vztahy mezi různými druhy buněk a tkání při činnosti orgánů a funkční vztahy mezi jednotlivými orgány v těle.
Biochemické interakce buněk. Mimocílové dálkově indukované radiační účinky - bystander efekt, abskopální efekt
Pohled klasické radiobiologie je do značné míry mechanistický: k poškození dochází pouze u buněk, které jsou zasaženy ionizujícím zářením nebo chemickým činidlem, čímž 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. Mechanismus tohoto jevu zatím není přesně znám. K ovlivňování okolních buněk by mohlo docházet v zásadě třemi cestami :
×Přes mezibuněčné prostředí
Buňky zasažené zářením mohou vytvářet určité difuzibilní látky, které jsou schopny ovlivnit jiné sousední buňky. Primárně ozářené a letálně poškozené buňky mohou do svého okolí (mezibuněčné prostředí - extracelulární matrix) "vysílat chemické signály" - uvolňovat biochemické molekuly, účastnící se apoptózy nevratně poškozených ozářených buněk (uvažuje se protein p53 či ligand TRAIL, jak bylo zmíněno výše v pasáži "Apoptóza"), či molekuly toxické, kyslíkové nebo dusíkové radikály. Tyto látky mohou difundovat a vstupovat do okolních buněk (nebo se vázat na příslušné receptory na povrchu, aktivovat vnější signální dráhy apoptózy), v nichž mohou způsobovat podobnou reakci, jako u zářením přímo zasažené buňky.
×Přes mezibuněčná spojení
Mezibuněčná spojení (gap junction) jsou uskutečňována membránovými kanálky, zvanými konexony, o průměru cca 1,5-2 namometry, kterými mohou procházet molekuly do hmotnosti až 2 kDa. Při poškození jedné buňky většinou dojde k rychlému uzavření kanálku, čímž se zabrání poškození sousedních buněk. Pokud však nedojde zavčas k inhibici této cesty přenosu, může docházet k přenosu poškození na okolní buňky.
×Makrofágy
Konečně k apoptóze okolních nezasažených buněk by mohla přispívat i činnost makrofágů, které vedle vlastní apoptické buňky mohou napadnout i některé buňky sousední.

Pro tento efekt radiačních účinků indukovaných v sousedních buňkách se používá název bystander efekt (angl. bystander = divák, okolostojící, čumil), "efekt nezúčastněného diváka": okolní přímo nezasažené buňky zde nejsou "nezúčastněným pozorovatelem" radiačního poškození ozářených buněk, ale jsou též "vtaženy" do tohoto procesu. Bystander efekt tak poněkud zvyšuje celkový počet radiačně poškozených buněk v ozářené tkáni (obr.5.2.4b). Bystander efekt může u okolních buněk způsobovat apoptózu, chromosomové aberace i mutace.
Pozn.: Bystander-efekt byl pozorován nejen u radiačně poškozených buněk, ale i u lokálního chemického cytotoxického poškození.
Abscopální efekt
Jev, kdy dochází k biologickým změnám v neozářené části biologického systému v důsledku reakce ozářené části, se obecně označuje jako vedlejší, mimocílový neboli abskopální efekt (lat. ab = mimo,pryč; scopium = terč, cíl, úhel pohledu). Postradiační změny většinou nastávají v buňkách a tkáních těsně sousedících s ozářenými okrsky - jako je výše zmíněný bystander efekt. Byly však pozorovány i "dálkové" abskopální efekty. V radioterapii při lokálním ozáření jedné nádorové léze někdy (bohužel vzácně) dochází k navození imunoefektu - imunogenní buněčné smrti - i proti dalším metastázám téhož nádoru (viz též §3.6, pasáž "Imunoterapie"). Přesný mechanismus abskopálního imunoefektu zatím není znám, ale podílí se na něm pravděpodobně masívní apoptóza či nekrotická smrt nádorových buněk, ozářených vysokou radiační dávkou. To vyvolá lokální zánětlivou imunitní reakci, při níž se uvnitř ozářeného tumoru vytvářejí T-lymfocyty, které se mohou specificky aktivovat pohlcením antigenů z nádorových buněk. Tyto specificky aktivované efektorové T-lymfocyty pak migrují do neozářených sekundárních nádorů, kde zahájí cílenou "likvidační" imunitní odpověď proti nádorovým buňkám daného typu, které mají stejné antigeny (za účasti monocytů, transformujících se v makrofágy).
Vedle tohoto velmi žádoucího efektu se někdy diskutuje i nepříznivý abskopální efekt v normálních zdravých tkáních, který by mohl indukovat genomovou nestabilitu, buněčnou smrt, nebo onkogenní transformaci buněk. Takový mechanismus však nebyl prokázán, příčiny vedlejších účinků záření na zdravou tkáň jsou pravděpodobně jiné (§3.6, pasáž "Vedlejší účinky radioterapie - radiotoxicita, sekundární malignita"). Bylo by málo pravděpodobné, kdyby radiačně zmutované buňky pouze migrovaly a založily vzdálené nádorové ložisko, aniž by takové ložisko vzniklo v blízkosti ozářeného místa.
Mohla by ale vzniknout situace, kdy ozáření způsobí snížení imunity organismu, v důsledku čehož může v určitém místě dosud "spící" klon zmutovaných buněk zahájit nádorový růst. Takový složitý proces však asi nelze považovat za radiační abskopální efekt..?..
Různá radiosenzitivita buněk a tkání
Organismus je funkční celek tkání a orgánů, které nemají stejnou citlivost k ozáření (radiosenzitivitu). Při stejné absorbované dávce se v různých tkáních projeví rozdílné biologické účinky. Při rozboru účinků záření na buňky jsme dospěli k poznatku, že rychle se dělící buňky jsou citlivější na radiační poškození. Tento základní poznatek se projevuje i na tkáňové úrovni a někdy se vyjadřuje pravidlem: "radiosenzitivita tkáně je přímo úměrná reprodukční aktivitě a nepřímo úměrná stupni diferenciace" *). Toto pravidlo je jen přibližné, u konkrétních tkání a orgánů k tomu přistupují specifické biologické vlivy (viz níže "Lokální radiační účinky tkáňové a orgánové"). Tkáně a orgány mají různou citlivost nejen na poškození buněčnou smrtí, ale mají i rozdílnou vnímavost k uplatnění cytogenetických účinků, k riziku vzniku nádorů.
*) Ta přímá a nepřímá úměrnost se zde nemůže brát matematicky, ale jen jako vyjádření rostoucího či klesajícího trendu. Nazývá se někdy pravidlem Bergonie-Tribondeau, podle prvních autorů kteří k němu empiricky dospěli.

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 0,055 Sv^-1, neboli 5,5% na 1Sv (tj. pokud 1000 osob obdrží efektivní dávku 1Sv, lze očekávat, že u 55 z nich to vyvolá fatální zhoubný nádor).
*) Jak bylo diskutováno výše, způsobuje to patrně genotoxicita některých chemických látek, které do buněk buď vstupují zvnějšku (metabolickou cestou organismu), nebo vznikají uvnitř buněk (při vnitřním metabolismu buněk). Tyto látky vstupují do jader, reagují s DNA a způsobují poruchy její genové sekvence, které nemusí být úspěšně opraveny...
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.
Lineární bezprahová závislost stochastických účinků (?)
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. V klasické radiobiologii se hypoteticky předpokládá, že každá mutace jednotlivé buňky (ať již generovaná radiačně či biochemicky) může být prvním krokem ke karcinogenezi (je dikutováno v §3.6 "Radioterapie"). I kdyby tomu tak bylo, mutagenní účinky velmi nízkých radiačních dávek však mohou být s otazníkem..?.. - bude níže diskutováno.
Pozn.:V zájmu vědecké objektivnosti by snad již na tomto místě bylo vhodné upozornit, že v oblasti velmi nízkých dávek < 0,2Gy je všeobecně uznávaná lineární bezprahová závislost jen hypotéza, vzniklá přímočarou extrapolací prokázaných účinků z oblastí vyšších dávek (> 0,5Gy) směrem k nule, do oboru nízkých dávek, kde tyto účinky nikdy přímo prokázány nebyly (podrobněji je diskutováno níže v pasáži "Malé dávky záření: - jsou škodlivé či prospěšné?").
Na tomto předpokladu, tzv. lineární bezprahové závislosti stochastických účinků, je založen "konzervativní přístup" k radiační ochraně, který se promítá do řady norem a předpisů pro práci s ionizujícím zářením. Novější radiobiologické studie však ukazují, že závislost stochastických účinků na dávce není lineární, ale že v oblasti velmi nízkých dávek jsou účinky patrně nižší než by odpovídalo lineární závislosti *) - modrá křivka na obr.5.2.3a.
*) Toto chování by mohlo souviset s radiačně induvanou reparací a též 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 někdy 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 níže "Malé dávky záření: - jsou škodlivé či prospěšné?"), mohla by ve skutečnosti křivka závislosti stochastických účinků na radiační dávce 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. A při nejnižších dávkách by se mohla projevovat tzv. radiační hormeze - úsek zelené křivky křivky pod vodorovnou osou..?.. 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 (viz níže diskusi v pasáži "Malé dávky záření: - jsou škodlivé či prospěšné?").

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 klinicky 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 (deplece buněk) v ozářené tkáni. Na škodlivém účinku se podílejí i toxické látky, vznikající při zániku a rozkladu velkého počtu buněk. Esovitý tvar křivky, začínající od určitého dávkového 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 pro člověka 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, .....
Patologicky zvýšená radiosenzitivita
se vyskytuje u jedinců s genetickou poruchou chromosomální instability, kde je snížená schopnost reparačních mechanismů na buněčné úrovni (porucha stability a reparability DNA homologní rekombinací - hypersenzitivita ke genotoxickým vlivům), jakož i snížení imunitních procesů (imonosuprese) na úrovni organismu *). Pokud jsou u heterozygotní buňky oba dominantní geny v pořádku, radiační či jiné poškození jednoho z nich nemusí funkci buňky narušit. Pokud však jeden gen je v pořádku a druhý je porušený, poškození jednoho genu může vést k celkové poruše činnosti buňky. U homozygotů s takovou poruchou reparability jsou následky poškození ještě výraznější, uplatňují se v plné míře. U těchto osob je pro deterministické účinky prahová dávka snížená a i diagnostické ozáření (např. náročnější rtg vyšetření CT nebo angio, dávka cca 40-60 mSv) u nich může vyvolat lehké deterministické účinky. Při radioterapii se projevuje zvýšená radiotoxicita pro zdravé tkáně, při chemoterapii zvýšená citlivost na cytostatika. Rovněž riziko stochastických účinků, a to i z přírodního radiačního pozadí či jiných škodlivin (chemických, včetně produktů metabolismu), je zde podstatně vyšší - častější výskyt nádorových onemocnění (zvláště lymfomů).
*) Jednou z takových poruch je tzv. Nijmegen breakage syndrom (NBS, název je odvozen od města v Holandsku, kde byla tato porucha poprve identifikována v r.1981 a kde je centrální registr těchto pacientů) - autozomálně dědičný syndrom chromozomální instability. Je způsoben mutací genu nazvaného NBS1 nebo NBN, který kóduje protein nibrin, jenž má důležitou funkci při opravě chromosomálních zlomů způsobených ionizujícím zářením či jinými genotoxickými činidly. Geneticky podmíněná chromosomová instabilita se dále vyskytuje u syndromů Ataxia telangiectasia, Bloomův syndrom, Fanconiho anemie, Xerodermie pigmentosum, Li-Fraumeni syndromu zmutovaného genu TP53 kódujícího p53, či zcela raritního Wernerova syndromu předčasného stárnutí. Důsledkem poruch buněčného cyklu je řada patologických klinických projevů. Vedle zvýšené radiosenzitivity a častějšího výskytu nádorových onemocnění se projevují i poruchy růstu, neurologické a kožní projevy, vlivem snížené imunity se často vyskytují infekční onemocnění. Tyto vrozené dědičné poruchy, které nejsou kauzálně léčitelné (podpůrně lze léčit jen jejich konkrétní klinické projevy), se naštěstí vyskytují velmi vzácně, úhrnná incidence všech zmíněných druhů činí asi 0,02% populace. Heterozygotních nositelů je však podstatně více, cca 0,5%.
Upozornění: Nezaměňovat, prosím, tuto patologicky zvýšenou celkovou radiosenzitivitu s fyziologickou hyper-radiosenzitivitou (relativní) v oblasti nízkých radiačních dávek, která je vlastní všem buňkám - je rozebírána níže v pasáži "Hyperradiosenzitivita k nízkým dávkám. Model indukované reparace".
Deterministické+stochastické účinky
Stochastické a deterministické účinky záření mají základní intracelulární mechanismy a některé vnější aspekty společné a nelze je od sebe vždy striktně oddělovat. V základech deterministických účinků leží mechanismus radiačního usmrcování buněk, který má na buněčné úrovni pravděpodobnostní (tj. "stochastický") charakter, řídí se Poissonovou statistikou (viz níže "LQ model"). Při středních a vyšších dávkách je však počet usmrcených buněk natolik velký, že statistické fluktuace se prakticky neprojevují, výsledná závislost má deterministický charakter. I při nízkých dávka (nižších než práh deterministických účinků), u nichž se většinou diskutují jen stochastické účinky, dochází "skrytě" k usmrcování určitého menšího počtu buněk; navenek se to neprojeví jen proto, že zbylé nepoškozené buňky stačí zajistit funkční potřebu tkáně nebo orgánu a jsou včas nahrazeny dělením těchto nepoškozených buněk. LQ model popisuje nejen radiobiologické účinky deterministické, ale implicitně leží i v základech pravděpodobnosti účinků stochastických.
Dále je třeba mít na paměti, že spolu s časnými účinky deterministickými se latentně mohou uplatňovat i pozdní účinky stochastické, pokud organismus přežije deterministické účinky. Je to pozorováno při radioterapii, založené na deterministických účincích na nádorovou tkáň, kde vedle akutní radiotoxicity se po delším čase mohou vyskytnout sekundární postradiační malignity, způsobené stochastickými účinky té části záření, která se absorbovala mimo primární cílový tumor (včetně rozptýleného záření) a ozářila i další tkáně a orgány (§3.6 "Radioterapie", část "Fyzikální a radiobiologické faktory radioterapie").
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 celý organismus. Tedy "deterministické účinky na buněčné úrovni".

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

^{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 D, její časové distribuci a vlastnostech ozařované tkáně. Modely, které by umožňovaly srovnat a analyzovat různá radiobiologická data a předpovídaly buněčné přežití na základě fyzikálních aspektů (druh a energie kvant záření) i biologických vlastností buněk a tkání (radiosenzitivita, reparační schopnosti buněčných linií normálních i nádorových).
Jedná se především o funkční vyjádření přežívajícího počtu buněk N z původně ozářeného počtu N₀, resp. dávkové závislosti frakce přežívajících buněk [N/N₀](D). Do 70.let spočívalo toto modelování v konstrukci empirických matematických funkcí, obsahujících vhodné mocniny dávky D, ozařovacího času T a počtu frakcí n (mocniny byly většinou neceločíselné, např. T^0,33 či T^0,11, n^0,24 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. LQ model se používá především pro deterministické radiační účinky, avšak implicitně leží i v základech účinků stochastických. LQ model zde podrobněji rozebereme, níže pak stručně uvedeme některé další modely.

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. Pro stanovení funkčního vyjádření přežívajícího počtu buněk N (z původně ozářeného počtu buněk N₀) na obdržené dávce D používá LQ model tři výchozí předpoklady:
× Zlom jednoho řetězce DNA může být snadno reparován - subletální poškození ® přežití buňky.
× Zlom obou vláken (řetězců) DNA je obtížně reparovatelný - letální poškození ® zpravidla zánik buňky (apoptóza).
× Jedná se o pravděpodobnostní děje s Poissonovou statistikou: po ozáření množiny N₀ buněk přežívá N buněk, přičemž N = N₀.e^-^{<pravděpodobnost
letálního poškození buněk>}.

Dvojný zlom DNA může být způsoben dvěma druhy procesů:
¨ a-proces
- zásah jedné ionizující částice, která zlomí zároveň oba řetězce-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 řetězců 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^.D^², 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^.D^²⁾. 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.
Pro hustě ionizující záření (vysoký LET, uplatňuje se především a-proces) má tato křivka téměř přímkový tvar, pro řídce ionizující záření (nízký LET, převládá b-proces) má graf tvar paraboly.
   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/T_1/2, kdeT_1/2 je poločas reparace). Integrací od 0 do T se získá modifikovaný exponenciální zákon N = N₀.e^-^RG.^b^.D^², 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]. ₀ň^{^t}R(t).dt . ₀ň^{^t'}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 řetězce 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 = N_o.e^-^RG.^b^.D^² 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 T_2r= 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/T_2r, vyjadřující poměr ozařovacího času T a času T_2r 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/T_2r .
   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. Alternativní modely a závislosti.
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.
Vyšší mocniny dávky
Dvojný zlom DNA se obvykle považuje za neopravitelný, vedoucí k inaktivaci a mitotické smrti buněk. Pozdější experimenty však ukázaly, že i takové poškození si buňka někdy dovede opravit, byť s menší pravděpodobností. Do dávkové závislosti radiobiologického účinku je, vedle první a druhé mocniny, 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.
Tkáňové biologické vlivy.
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"). Kyslíkový efekt je významný především při použití řídce ionizujícího záření (nejčastěji se používá fotonové záření g či X), kde převládá nepřímý radikálový mechanismus radiačního účinku. U hustě ionizujícího záření, kde je zvýšený podíl přímého zásahového mechanismu (a též zvýšená rekombinace radikálů), je vliv kyslíku (oxygenace) na radiobiologické účinky méně významný. 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.
Bystander efekt.
Diskutuje se i tzv. bystander efekt dálkové indukce radiačních účinků v tkáni (popsaný výše v části "Účinky záření na tkáňové úrovni"), který může poněkud zvyšovat počet poškozených buněk (obr.5.2.4b). Do LQ modelu lze vliv bystander-efektu zahrnout vložením nového empirického koeficientu B>1, udávajícího průměrný počet poškozených buněk při zásahu jedné buňky : N/N₀ = e^-^B.(^a^.D+^b^.D^²⁾. To je ale ekvivalentní standardnímu LQ modelu s poněkud vyššími hodnotami parametrů a´ = B.a, b´ = B.b. Výsledné koeficienty radiosenzitivity a´,b´ pro tkáň jsou tedy vlivem bystander-efektu poněkud vyšší než koeficienty a,b pro individuální buňky. Faktor B je různý pro různé tkáně. V praktických radiobiologických experimentech se však radiosenzitivita stanovuje pro tkáň (či tkáňové kultury), kde je již vliv bystander-efektu implicitně obsažen: a®a´,b®b´. LQ model pro praktické použití tedy zůstává nezměněn. Bystander efekt nemění základní principy a závislosti LQ modelu, způsobuje jen rozdíly v radiosenzitivitě mezi buněčnou a tkáňovou úrovní.

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. Model indukované reparace
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. Buňky začnou reparovat až od určité dávky...
Detailní mechanismus tohoto paradoxního chování zatím není znám. Může souviset s kinetikou enzymů v G2 fázi buněčného cyklu při reparacích homologními rekombinacemi (viz výše pasáž "Nitrocelulární reparace"), kdy se zvyšující se dávkou se zvyšuje koncentrace enzymů, což indukuje zvýšenou rychlost reparace. Na buněčné úrovni se tedy 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 ® inaktivace 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. Tento jev se někdy označuje jako indukovaná reparace.
Pozn.1: 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.
Pozn.2: Mechanismus radiačně indukované reparace by mohl přispívat k radiační hormezi diskutované níže v pasáži "Nízké dávky záření:- jsou škodlivé či prospěšné?".
Pozn.3: Jakýmsi "předobrazem" nízkodávkové hyperradiosenzitivity možná mohl být tzv. Petkau effect (Petkóův jev), který v r.1972 popsal kanadský radiobiolog A.Petkau. Jednalo se údajně o zvýšenou destrukci buněčných membrán při dlouhodobém ozařování velmi nízkými dávkami záření. Vysvětloval se mechanismem působení záporných kyslíkových iontů, které v nižší koncentraci více poškozují membrány, zatímco při vyšší koncentraci dochází k jejich větší rekombinaci a menšímu účinku. Toto vysvětlení není příliš přesvědčivé a samotný Patkauův jev nebyl potvrzen pozdějšími radiobiologickými studiemi (byl pozorován v době, kdy technické prostředky ani radiobiologické poznatky ještě neumožňovaly spolehlivě prokázat takový jev, ani odhalit jeho mechanismus; mohlo se jednat třebas i o chemické působení nosičů použitého radionuklidu ²²Na, nebo podobné vedlejší jevy.?..). Ve světle nynějších radiobiologických poznatků by primárním efektem nízké dávky měl být účinek na DNA, jejíž neopravené poškození vyvolá apoptózu buňky se sekundárním poškozením buněčné membrány (jak bylo uvedeno výše v části "Mechanismy buněčné smrti"). O apoptóze buněk se v té době mnoho nevědělo.
V rámci LQ modelu se standardními parametry a,b lze hyperradiosenzitivitu zahrnout vložením počáteční složky s vyšší hodnotou parametru a_hyper>a - předpokladem dávkové závislosti parametru a: a(D) = a + (a_hyper-a).e^-^D/D^hyper, kde a_hyper je počáteční vyšší hodnota popisující sklon křivky [ln(N/N₀)](D) pro nízké dávky, a je standardní hodnota pro vyšší dávky, D_hyper (»0,2Gy) je hranice oblasti projevu hyperradiosenzitivity. LQ model N/N₀ = e^-^[^a^(D).D+^b^.D^²^] s takto dávkově závislým parametrem a(D) pak dobře vystihuje experimentální data. Pro vysoké dávky D>>D_hyper přechází ve standardní LQ model s obvyklými parametry a,b, pro nízké dávky D<<D_hyper se chová jako LQ model s parametry a_hyper,b. Jedná se tedy o kombinaci dvou LQ modelů s různými a-citlivostmi (dvě různé směrnice na obr.5.2.4c), sloučených do jedné rovnice; nazývá se někdy IndRep model (indukované reparace).
Upozornění: Nezaměňovat, prosím, tuto fyziologickou (relativní) hyper-radiosenzitivitu v oblasti nízkých dávek, vlastní všem buňkám, s patologicky zvýšenou celkovou radiosenzitivitou, způsobenou genetickými poruchami chromosomové instability - byla zmíněna výše v pasáži "Vztah dávky a biologického účinku".
(multi)Terčíkový model
Tento jednoduchý a do značné míry fenomenologický model je předchůdcem LQ modelu. Vychází z předpokladu, že v buňce je jeden či několik na záření citlivých terčíků. Pokud je některý z těchto terčíků zasažen (zářením nebo radikálem), vede to k inaktivaci a smrti buňky. Pokud je přítomen jeden takový terčík, pak analogickou aplikací Poisonova statistického rozdělení pravděpodobností zásahu, jakou jsme výše použili u a-procesu v LQ modelu, dostaneme závislost přežilé frakce buněk N/N₀ na dávce D: N/N₀ = e^-^D/D^o, kde D_o je dávka, která vede v průměru k jednomu zásahu terčíku. Pokud je přítomno n terčíků, pak multi-terčíkový model jedno-zásahové inaktivace dává závislost: N/N₀ = 1 - (1 - e^-^D/D^o)ⁿ. Pro získání lepší shody s experimentálními hodnotami v oblasti nízkých dávek se někdy n-terčíková závislost kombinuje s 1-terčíkovou závislostí (každá s jinou hodnotou empirické konstanty D_o).
Kinetické modely zlomů DNA - LPL a RMR molel
Z 80.let pocházejí modely založené na analýze kinetiky takových zlomů DNA, které mohou (ale nemusí) vyústit v usmrcení buněk. Modely letálního a potenciálně letálního účinku (LPL, S.B.Curtis 1989) a opraveného/neopraveného poškození (repair/misrepair model - RMR, C.A.Tobias 1985), které se někdy sjednocují do tzv. modelu dvou lézí TLK (two-lesion kinetic), jsou pro oblast obvyklých dávek (jednotky až desítky Gy) prakticky identické s LQ modelem.
Model lokálního účinku
LEM (Local Effect Model) zohledňuje lokální distribuci dávky podél dráhy ionizujícího záření, ve vztahu k rozměrům a hustotě rozložení buněčných jader v ozařované tkáni. Vychází z jednoduchého obecného vztahu N/N₀ = e^-^N(D), kde N(D) je průměrný počet letálních poškození vztažený na 1 buňku při dávce D (počítá se jen s a-procesem). Zavádí pak lokální objemovou hustotu letálních poškození s(D) = N(D)/V, (kde V je průměrný objem buněčných jader), kterou dává do vztahu s lokální hustotou dávkové distribuce podél dráhy částic pro různé druhy záření. Pomocí této analýzy model lépe popisuje biologické účinky hustě ionizujícího záření (protonového, a-částic, záření těžších iontů).
Dvoustupňový pravděpodobnostní model
Toto další zdokonalení v modelování radiobiologického účinku rozpracovali naši odborníci (P.Kundrát, M.Lokajíček, H.Hromčíková). Podobně jako u klasického LQ modelu, se zde vychází z analýzy buněčného poškození letálním a-procesem a méně závažného poškození b-procesem, které je v zásadě opravitelné, avšak kombinace dvou b-poškození je letální. S použitím Poissonovy statistiky se analyzuje pravděpodobnost zásahu buňky (jádra buňky) určitým počtem částic v závislosti na dávce, LET a velikosti jádra, jakož i pravděpodobnost přežití buňky po proběhnutí reparačních procesů. Při této analýze se předpokládá, že podmínkou přežití buňky po daném počtu zásahů ionizující částicí je žádné poškození a-procesem a maximálně jedno poškození b-procesem, jakož i jeho úspěšná reparace. Model je propracován zvláště pro protonové a iontové záření.
Vysokodávkové modifikace LQ modelu - LQL, gLQ, USC, KN, PLQ
Při ozařování vysokými dávkami záření (d > 5,10 i více Gy/frakci), které umožňují pokročilé konformní techniky stereotaktické radioterapie a HDR brachyterapie (§3.5, část "Stereotaktická radioterapie SBRT"), se ukázal určitý nesoulad mezi očekávanými a pozorovanými účinky: klasický LQ model při těchto vyšších dávkách na frakci poněkud nadhodnocuje biologický účinek radioterapie, předpovídá vyšší poškození normální tkáně NTCP. Jako kdyby zde křivky přežívající frakce buněk -ln(N/N_o) (v log-lineárním měřítku) při vyšších dávkách ve skutečnosti vykazovaly zvýšený podíl lineární složky než kvadratické. Pro zachycení těchto klinických poznatků se někdy používají některé empirické modifikace LQ modelu, které lépe vystihují radiobiologické účinky při vyšších dávkách :
×LQL model (lineárně-kvadraticko-lineární) pro vyšší dávky/frakci (vyšší než 2.a/b, v praxi > cca 6Gy) přidává dodatečnou lineární složku zvyšující přežívající frakci buněk.
×Zobecněný gLQ model (generalized LQ). Standardní (konvenční) LQ model předpokládá, že rychlost l opravy radiačně indukovaného subletálního poškození zůstává s časem konstantní, což vede k exponenciálnímu vzorci pro opravu v Lea-Cathesidově členu RG. Některé experimentální studie však naznačují, že že reparační rychlost subletálních poškození se s časem zpomaluje. Zobecnění v gLQ modelu spočívá v zavedení reparačního členu s recipročním časem 1/T do Lea-Cathesidova členu RG.
×Univerzální křivka přežití USC (Universal Survival Curve), která se sestavuje pro oblast vysokých dávek na základě kombinace LQ modelu (který dává dobrý popis pro malé a střední dávky) a multiterčíkového MT modelu (lépe popisujícího účinek při vyšších dávkách - závislost v této oblasti vychází spíše jako přímka).
×KN (Kavahagh-Newman) model zavádí do b-členu v LQ modelu další dávkově závislý faktor: ln(N/N₀) = -a.D - b.D².[1 + (b/g).D]^-1.
×PLQ (Pade Linear Quadratic) model zavádí do celkového výrazu pro pravděpodobnost buněčného přežití v LQ modelu dodatečný dávkově závislý faktor: ln(N/N₀) = (-a.D - b.D²).(1 + g.D)^-1 (název pochází z toho, že výraz se dá modelovat jako Padé-aproximace poměru dvou polynomů).
Fenomenologický charakter LQ modelu?
Všechny výše zmíněné složité procesy na úrovni buněk, buněčných populací a tkání (jejichž mechanismy často nejsou dosud detailně prozkoumány) způsobují, že v praxi koeficienty a,b v LQ modelu někdy ztrácejí svůj jednoznačný fyzikální či radiobiologický význam a nabývají charakter empirických konstant. V oblasti radiačních dávek používaných v biologických aplikacích (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. Přesto ale tento model, vycházející z přesné analýzy příslušných mechanismů, zůstává nejlepším a nejpropracovanějším modelem dávkové závislosti radiobiologického účinku pro praktické použití.

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 sledováním 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 (radiotoxicita, sekundární postradiační malignity).
"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 jednotek a 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...
*) Pro střední a vyšší dávky (v oblasti nad cca 400mGy) je vztah mezi dávkou a účinkem prokázaný a statisticky významný. Směrem k nižším dávkám se však výsledky rozmazávají vlivem statistických fluktuací a nejistot; pro nejnižší dávky již biologický účinek není statisticky prokazatelný. Při předpokládaném zhruba lineárním vztahu mezi dávkou a účinkem počet jedinců, potřebný k prokázání statistické významnosti stochastického účinku, roste s obráceným čtvercem průměrné dávky potřebné k vyvolání efektu. Pokud účinek při dávkách kolem 1Gy je prokazatelný ve statistickém souboru několika tisíc osob, pak prokázání účinku podmíněného dávkou 0,1Gy vyžaduje statisícový soubor. Pro nejnižší dávky blízké nulovým hodnotám pak existence přírodního radiačního pozadí zcela znemožňuje analýzu vztahu dávky a radiačního účinku. Může se zde dále projevovat řada rušivých vedlejších "maskovacích" faktorů, zcela zkreslujících pozorované výsledky!
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 přímočaré 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 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 (zejména řídce ionizujícího) 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 nebo radiačně indukovaná reparace při nízkém ozáření buněk a organismů, je jakási obdoba "imunizace" v organismu.
*) Hormeze
Slovo hormeze pochází z řec. "hormaein" = "vybudit, excitovat, posílit". Jedná se o zkušeností podložený jev, kdy nízké dávky toxických látek nejen že organismus nepoškodí, ale dokonce zlepšují jeho fyziologické funkce. Hormeze vznikla patrně během evoluce jako jedna ze schopností organismů reagovat na nepřízeň prostředí - chlad, horko, nedostatek potravy, toxické látky - faktory narušující fungování organismu. Na tyto stresové faktory organismy často reagují přizpůsobením (adaptací). Působení malých množství toxických látek, které poškozují biologické molekuly, spouští stresovou odpověď a může vést k hormezi; organismus pak lépe snáší i vyšší dávky dané toxické látky. Jedním z těchto faktorů stimulujících hormezi by mohlo být i ionizující záření...

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), nejen ty způsobené zářením. 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 (úsek zelené křivky pod vodorovnou osou na obr.5.2.3a). Při vyšší dávce, kdy rozsah radiačního poškození překročí "reparační kapacitu", je již účinek ozáření negativní (zbytek zelené křivky v kladných hodnotách).
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 intracelulární reparaci - výše uvedená radiačně indukovaná reparace;
¨ 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. Bakterie jsou prokaryotní organismy, které vzhledem ke své jednobuněčnosti samozřejmě nemohou onemocnět nádorovým onemocněním. My jsme eukaryoti s velkým množstvím buněk různých druhů, propojených množstvím složitých signálních drah; právě tato okolnost umožňuje vznik nádorových onemocnění v důsledku cytogenetických mutací, m.j. i působením ionizujícího záření. Hodně zde však může záležet na fungování a míře radiačně indukované reparace.
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 tkáně a orgány, rozlišujeme dvě skupiny - časné a pozdní účinky :

× 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.
Velmi časné radiotoxické účinky
Při celotělovém ozáření vysokou dávkou záření se velmi rychle, během několika hodin, mohou objevit velmi časné příznaky stresové reakce organismu, jako je únava, nevolnost, sucho v ústech. Tyto projevy velmi časné radiotoxicity nejsou způsobeny mechanismy radiačního zabíjení buněk - větší počet buněk je sice poškozen, avšak toto poškození se projeví později, až při mitóze těchto buněk. Velmi časná radiotoxicita je zde způsobena podrážděním regulačních center organismu (nervových a humorálních) přímým působením ozářením uvolněných iontů, radikálů a dalších zplodin radiolýzy. Při velmi vysokých dávkách (stovky Gy jednorázově) pak mohou nastoupit velmi rychlé a fatální radiotoxické účinky vlivem denaturace buněčného obsahu (rychlá nekrotická smrt buněk) i mezibuněčného prostředí.
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 (§1.5., část "Kosmické záření") a z přírodních radionuklidů (§1.4., část "Přírodní radionuklidy"). 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)	2,1	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

Průměrná roční dávka z ozáření z přírodních zdrojů pro člověka činí zhruba 3,2 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
V našem životním prostředí jsme neustále vystaveni ionizující radiaci z kosmického záření a z přírodních radionuklidů ve vzduchu, v obklopujících předmětech, v půdě a horninách, stavebních materiálech i v našich tělech. 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:

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:

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.

Specifická povaha ionizačního ozáření organismu
Ve srovnání s většinou ostatních škodlivin, které na naše organismy působí, má ionizující ozáření svá význačná specifika:
¨Ionizující záření není postižitelné našimi smysly.
Pokud se člověk nachází v místě exponovaném ionizujícím zářením, nijak to nepociťuje. A to ani při velkých intenzitách *), kdy radiační dávka záhy překračuje smrtelnou hodnotu! Pokud nemáme "po ruce" vhodný radiometr, nedovedeme nijak posoudit nebezpečnost této situace.
*) Při velkých intenzitách záření může být varovným signálem ozón, který je cítit ve vzduchu.
¨Počáteční příznaky nemoci z ozáření
se prakticky neliší od počátečních příznaků běžných nemocí, jako je nachlazení nebo chřipka. Pokud není podezření na ozáření, nemusí být radiační nemoc včas rozpoznána a adekvátně léčena.
¨Delší doba klinické manifestace pozdních účinků záření
při dávkách do cca 3Gy, a zvláště stochastických účinků, může vést k tomu, že případné zdravotní potíže nebudeme spojovat s ozářením v minulosti.
¨Nízká úroveň znalostí
z oblastí jaderné fyziky, radioaktivity a ionizujcího záření v běžné populaci lidí. To vede k podcenění či přecenění rizik záření a radiační ochrany, vzniku různých desinformací a fám (jako je radiofobie a odpor proti jaderné energetice).

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 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 (aspoň podle lineární bezprahové hypotézy...), takže je třeba dbát aby dávky byly co nejnižší. Pro účely hodnocení a usměrňování expozice záření byly stanoveny určité hraniční hodnoty dávek *) za rok a za 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 byla stanovena 50 mSv, pětiletý limit 100 mSv (5 po sobě jdoucích let). Základní limity pro ostatní obyvatelstvo jsou stanoveny ve výši 1 mSv/rok.
*) Jedná se zde o přídavné dávky k dávkám z přírodních zdrojů. Spontánní radiační dávky z přírodních zdrojů se do limitů pro obyvatele ani pro profesní ozáření radiačních pracovníků nezapočítávají (započítávají se však v případech cílených a profesních činností spojených se zvýšenou expozicí z přírodních zdrojů - jako je práce v uranových dolech nebo ve výškových letadlech).
...........

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 významnějších 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:

Pro klasifikaci zářičů podle aktivity ve vztahu k radiohygienickým rizikům se zavádí tzv. zprošťovací úroveň aktivity: je to taková hodnota celkové aktivity (nebo měrné hmotnostní aktivity), při jejímž nepřekročení se radiační rizika a radioaktivní kontaminace považuje za zanedbatelnou (ve srovnání s přírodními zdroji záření). Takový zářič nepodléhá předpisům radiační ochrany a mohli bychom jej mít bez rizika, s trochou nadsázky, třebas doma v obývacím pokoji...
Podle závažnosti radiačního rizika se 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. Kontaminace může být povrchová vnější a vnitřní.

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 nutno 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.
Pozn.: 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 hromadí v tzv. cílových orgánech, zbytek se rozdělí v celém těle. Většina radioaktivity je posléze metabolizována a po určité době odchází ven z organismu (většinou močí, v menší míře stolicí, někdy i potem či vydechovaným vzduchem). Část radioaktivity však může zůstat trvale vázána (např. jód ve štítné žláze, stroncium či plutonium v kostech, cesium ve svalech,...) - dochází k její retenci (lat. retineo, retentum = zadržet). Vzhledem k nehomogenní distruci radioaktivních látek v cílových tkáních a orgánech může být vnitřní ozáření organismu značně heterogenní (viz níže "Stanovení radiační dávky z vnitřní kontaminace. Metoda MIRD.").
Radioaktivní kontaminace se do organismu může dostat v zásadě čtyřmi způsoby:

Při proniknutí radioaktivní látky do organismu požitím nebo vdechnutím přechází tato látka poměrně rychle ze zažívacího ústrojí či plic do krve a lymfy. Její další chování - distribuce, metabolismus, setrvání či vyloučení z organismu - je dáno chemickými vlastnostmi látky a rychlostí radioaktivní přeměny radionuklidu.

Monitorování vnitřní kontaminace
Zjišťování vnitřní kontaminace g-radionuklidy lze provést zevním 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 vysokými radioaktivitami (jaderné reaktory, výroba radionuklidů) a riziky vnitřní kontaminace - pracoviště IV.kategorie. 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 elektrony b vytvářejí v tkáni tvrdší brzdné záření (např. ³²P nebo ⁹⁰Sr-⁹⁰Y), které pronikne tkání z těla ven. 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.
Při vnějším ozáření organismu dochází k předávání energie záření tkáním a orgánům pouze po dobu, kdy je tělo záření vystaveno. Pokud se radionuklid dostane dovnitř organismu, zůstává tam deponován a dlouhodobě jej ozařuje. Ozáření je heterogenní a mění se s časem od okamžiku příjmu, jak se radionuklid v těle pohybuje a distribuuje, je z něj vylučován a jak ubývá jeho množství radioaktivní přeměnou. Je obecně složitou funkcí času a prostoru.
Přesné stanovení radiačních dávek v jednotlivých tkáních a orgánech při vnitřní radioaktivní kontaminaci je proto 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 (většinou se však používá 1MBq) dané radioaktivní látky do organismu. 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 (ingesci) h_ing a pro vdechnutí (inhalaci) h_inh. 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 metody MIRD:
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 . A^S   :
¨ Kumulovaná aktivita A^S
udává celkový počet radioaktivních přeměn, k nimž dojde v uvažovaném orgánu za celou dobu přítomnosti radionuklidu. Hodnotu kumulované aktivity A^S 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): A^S = ₀ň^ĄA(t) dt (prostřední část obr.5.5.1).
  Vylučování (exkrece) dané radioaktivní látky z orgánu (popř. celého těla) má přibližně exponenciální časovou závislost a jeho rychlost se charakterizuje tzv. efektivním poločasem T_1/2^ef. Tento efektivní poločas je dán kombinací fyzikálního poločasu rozpadu T_1/2^fyz daného radionuklidu a tzv. biologického poločasu T_1/2^biol, tj. doby potřebné k vyloučení poloviny vstřebaného množství dané látky metabolismem. Efektivní poločas potom je T_1/2^ef = T_1/2^biol.T_1/2^fyz/(T_1/2^biol+T_1/2^fyz). Pro kinetiku radionuklidů v tkáních a orgánech bývá zpravidla dominantní biologický poločas exrece, který je většinou podstatně kratší než poločas rozpadu vlastního radionuklidu.
¨ Dávková konstanta S
představuje dávku vztaženou na jednotkovou aktivitu daného radionuklidu v orgánu [Gy/Bq] (v praxi [mGy/MBq]). 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 = <E_a,b>. A^S/m, kde <E_a,b> je střední energie [J] emitovaných částic a nebo b, A^S kumulovaná aktivita, m hmotnost daného orgánu či tkáně (dávková konstanta je tedy v tomto případě S = <E_a,b>/m). Základní vztah pro radiační dávku z homogenní distribuce radioaktivity v látce byl odvozen výše v §5.1, pasáž "Radiační dávka z radioaktivity".
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. Radiační dávky z distribuce radioaktivity uvnitř organismu. Vlevo: Zdrojové a terčové orgány v organismu. Uprostřed: Časová závislost aktivity ve zdrojových orgánech. Vpravo: Časová závislost pro stanovení dávek D metodou MIRD.
<E> je střední energie [J] deponovaná v tkáni hmotnosti m na jeden rozpad použitého radionuklidu (uvažují se elektrony beta nebo částice alfa). Pokud se tato střední energie uvádí v jaderných jednotkách [eV], figuruje zde ještě přepočítávací faktor 10^-19.
Obrázek zhruba simuluje situaci po vniknutí radiojódu ¹³¹I do organismu. Radiojód se rychle vychytá ve štítné žláze, pak se metabolizuje a vylučuje ledvinami do močového měchýře, odkud periodicky při močení odchází z 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 D_T v terčovém orgánu T se rovná součtu dávky z "vlastní" kumulované aktivity A^S_T obsažené v tomto orgánu a dávkových příspěvků pronikajícího záření z aktivit A^S_i kumulovaných v okolních zdrojových orgánech:
D_T = S_T . A_T^S + _i=1S^N (S_i.A^S_i ) ,
kde S_i jsou dávkové konstanty pro ozařování terčového orgánu z aktivity A^S_i 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 S_i zahrnují mimo jiné i absorbci záření v tkáních a úbytek intenzity záření se vzdáleností. V prvním přiblížení platí úměrnost S_i ~ e^-^m^.d/d², kde m(E_g,r) je lineární součinitel zeslabení tkání hustoty r pro záření o energii E_g, 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 části "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, včetně aplikace radiofarmak v nukleární medicíně.

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 běžných chemických laboratoří.
¨Pracoviště II.kategorie
zpracovávají střední aktivity otevřených radionuklidů, mají kontrolované pásmo a jsou vybaveny ochrannými pomůckami vč. digestoře, příp. je zde oddělená kanalizace aktivních odpadů.
¨Pracoviště III.kategorie
je určeno pro náročné 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 ("horké" provozy), 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 by zde mělo být odděleno od ostatních prostor hygienickými smyčkami s radiometrem pro kontrolu příp. kontaminace a s 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 i riziko kontaminace životního prostředí, z čehož plyne nutnost radiačního monitorování okolí pracoviště.

Kontrolované pásmo
Radiohygienicky 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 v doprovodu radiačních pracovníků 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 a havárie
Při každé lidské činnosti - v oblasti průmyslu, dopravy, 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 či životního 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"; průběh a příčiny černobylské havárie jsou popsány v pasáži "Havárie jaderného reaktoru v Černobylu"). 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 stovek osob obdrželo dávku záření desítky až stovky mSv, u níž se dá očekávat zvýšený výskyt stochastických účinků (min. o 1%; i když se zatím nepotvrdilo...).
   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 (studená válka - 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 (vyústilo to až v přehnanou byrokratizaci radiační ochrany - srov. pasáž "Byrokratické požadavky radiační ochrany"v §5.8). K tak rozsáhlé havárii, jaká byla v Černobylu, patrně již nikdy nedojde!
Další nedávno vzniklá závažná jaderná havárie, k níž došlo v Japonsku, je stručně popsána v pasáži "Havárie v jaderné elektrárně Fukushima". Tuto havárii nikdo nezavinil, její příčinou byla obrovská přírodní katastrofa. Formálně byla ohodnocena rovněž stupněm 7, což však je zavádějící, neboť její rozsah a závažnost je nesrovnatelně menší než u Černobylu.
U velkých radiačních havárií s rozsáhlou radioaktivní kontaminací životního prostředí jsou často hlavní zdravotní rizika a újmy u většiny postižených obyvatel způsobeny ani ne tak radiací, jako spíš stresem z evakuace a obavami plynoucími z nadhodnocení rizik, z radiofobie...

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 nastražených 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 tak důkladně (někdy snad až přehnaně byrokraticky...), 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 kontaminační ("špinavá") bomba
Takto se označuje zbraň, v níž je klasická výbušnina kombinována s radioaktivními materiály. Jejím účelem je radioaktivně kontaminovat okolí kolem výbuchu rozmetáním radioaktiviních látek. Skládá se z nálože chemické výbušniny s příměsí (nebo obalem) radioaktivních látek. Výbuch klasické trhaviny rozpráší radioaktivní látky do okolního prostředí. Rozsah kontaminace závisí především na síle nálože a množství radioaktivního materiálu, místě odpálení (výšce nad zemí), okolním terénu (včetně městské zástavby), rychlosti a směru větru. Kontaminace z prakticky proveditelné "špinavé bomby" bývá rozptýlena pouze do několika set metrů nebo max. několika kilometrů od místa výbuchu.
Může působit biologickými účinky ionizujícího záření na osoby v postižené oblasti (zpravidla nikoli fatálními), avšak hlavním záměrem je vyvolání hromadné radiofobní paniky. Jsou zde též velké ekonomické náklady na dekontaminaci a ztráty z přerušení výrobní činnosti. V případě tohoto radiačně kontaminačního teroristického útoku je potřeba uskutečnit v zásadě podobná radiohygienická opatření jako při radiačních haváriích jaderných zařízení ("Radiační nehody a havárie", 3.stupeň závažnosti radiační nehody, či 6.stupeň havárie jaderného reaktoru).
Jen některé radionuklidy, s dostatečně dlouhým poločasem rozpadu, jsou vhodné pro účel radioaktivní kontaminační bomby. Jsou to např. cesium-137, kobalt-60, iridium-192, stroncium-90, plutonium-238, americium-241, kalifornium-252, příp. polonium-210, radium-226. A samozřejmě vysoce účinná je štěpná rozpadová směs radionuklidů ve vyhořelém palivu z jaderných reaktorů (§1.3, pasáž "Štěpné produkty"). Je zde i otázka dostupnosti dostatečně velkého množství (aktivity) vhodných radionuklidů (např. americium-241, nebo kalifornuim, ve větším množství není k dispozici...).
Vojenské využití radioaktivní kontaminační bomby je prakticky nulové, avšak vznikly obavy, ža by se mohla stát zbraní v rukou teroristů. Není to ale naštěstí pro ně příliš snadné. Získání většího množství vhodných radionuklidů je obtížné (na černém trhu, ze ztracených či odcizených zdrojů v průmyslu, medicíně, výzkumu; regulerní zdroje jsou přísně evidovány). Manipulace s vysoce radioaktivními látkami je nebezpečná, vyžaduje odbornou způsobilost, náročné laboratorní podmínky a radiační ochranu. Individuální teroristé zde nemají šanci, mohlo by se to snad částečně podařit u větších teroristických organizací, které by si mohly zaplatit tým jaderných odborníků. Reálné nebezpečí je však asi malé..?..
Včasné odhalení a prevence nelegální přepravy radioaktivních materiálů a pokusů o přípravu radiačně kontaminujících teroristických náloží je v zásadě možné radiometrickým monitorováním pomocí G.M., scintilačních či polovodičových detektorů ionizujícího záření, především záření gama. Tyto přístroje se instalují na letiště a hraniční přechody.

Radioaktivní odpady
Radioaktivní odpad je takový již nevyužitelný*) materiál (látka či předmět) 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. uvolňovací úroveň: je to taková hodnota aktivity (celkové nebo měrné hmotnostní či objemové aktivity), pod jejíž úrovní je ohrožení kontaminací již zanedbatelné a látka může být uvedena do životního prostředí bez speciálních radiohygienických opatření. Hodnota uvolňovací úrovně se stanovuje na základě limitace možné radiační zátěže při vnitřní kontaminaci daným radionuklidem, s použitím konverzních faktorů ingesce a inhalace (bylo analyzováno výše v pasáži "Stanovení radiační dávky z vnitřní kontaminace. Metoda MIRD."). ........doplnit kategorie radionuklidů......
Podle skupenství může být radioaktivní odpad 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 uvolňovací 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 zátěž při radiační diagnostice a terapii
Radiační expozice z diagnostických lékařských vyšetření je obecně nízká a je téměř vždy odůvodněna přínosem přesné diagnózy případných zdravotních poruch a patologických stavů. Tyto expozice jsou obvykle srovnatelné s dávkami, které průběžně dostáváme z přírodního radiačního pozadí všude kolem nás. Není žádný přímý důkaz o tom, že by tyto nízké radiační dávky mohly být škodlivé *) - navzdory hypotetické lineární bezprahové závislosti a řadě víceméně zavádějících tabulek v literatuře o radiační ochraně (jako jsou např. srovnání radiace a kouření). Naproti tomu přínosy medicínského vyšetření jsou nepochybné a mohou být zdravotně velmi významné !
*) Otázky radiobiologického vlivu nízkých dávek záření jsou diskutovány výše v §5.2, část "Vztah dávky a biologického účinku", pasáž "Problematika velmi nízkých dávek - jsou škodlivé či prospěšné?".
Terapeutické využití radiace přirozeně vede k vyšším expozicím, při nichž je nutné zvážit a optimalizovat rizika léčby oproti možným přínosům. Avšak i zde, při správném naplánování, optimalizaci a strategii, zdravotní přínos bývá nepochybný.
I přes převažující zdravotní přínos aplikací ionizujícího záření v medicínské diagnostice a terapii je třeba otázkám radiační ochrany i zde věnovat patřičnou pozornost !
Radiační dávky a ochrana pacientů při diagnostických a terapeutických výkonech
Medicínská diagnostika a terapie patří k nejdůležitějším aplikacím ionizujícího záření; nejvíc též přispívá k radiační zátěži obyvatelstva ze všech uměle vytvořených zdrojů záření.
Metodika radiační ochrany při lékařských aplikacích ionizujícího záření - v rtg diagnostice, radioterapii a v nukleární medicíně - na obecné úrovni 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. S trochou nadsázky se používá slogan: "Každý pacient dostane takovou radiační dávku, jakou si zaslouží ": dávku potřebnou pro přesnou diagnostiku či účinnou terapii. Místo limitů jsou stanovovány určité doporučené hodnoty dávek, tzv. směrné hodnoty - referenční úrovně, 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 RTG diagnostice použijeme takovou nejnižší expozici, která zajistí kvalitní a dobře hodnotitelné snímky, nikoli expozici vyšší. Při diagnostice v nukleární medicíně je třeba aplikovat jen takové nezbytně nutné množství - aktivity - radioaktivní látky (požadované kvality a čistoty), které zaručuje dostatečnou diagnostickou informaci v obrazech 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.).

Radiační zátěž pacientů z RTG vyšetření
Zdaleka nejčastější expozicí ionizujícím zářením (z umělých zdrojů) u lidí je rentgenová diagnostika. V dřívějších dobách (asi do 60.-70.let 20.stol.), kdy se skiagrafie prováděla na rentgenové filmy a skiaskopie přes fluorescenční stínítka (zesilující fólie a zesilovače obrazu ještě nebyly rozšířeny, digitální flat-panely ještě neexistovaly), činily dávky z rtg vyšetření často mnoho desítek mSv. Ostatně, tehdy se ani nestanovovaly...
S vývojem zesilovacích fólií, zesilovačů obrazu a hlavně digitálních zobrazovacích elektronických flat-panelů (viz §3.2, pasáž "Elektronické zobrazení X-záření") se radiační dávky z rtg vyšetření značně snížily, u prostých snímků představují jen desetiny až jednotky mSv. Poměrně vyšší dávky (až desítky mSv) vznikají u CT vyšetření větších oblastí (celého hrudníku, břicha, celého těla), což je však vyváženo větší komplexností diagnostické informace. Rovněž vysoké dávky vznikají při komplikovaných intervenčních RTG-navigovaných výkonech (zde jsou dávky navíc značně variabilní, podle komplikovanosti výkonu a jak snadno či obtížně se u daného pacienta "daří" tento výkon realizovat).
Absorbovaná radiační dávka D [mGy] při rtg vyšetření určité oblasti je v zásadě dána součinem intenzity X-záření (ta je dána proudem rentgenkou [mA]), expozičního času [s] a příslušných koeficientů :
            D = G . mA s .
Součin proudu I a expozičního času t udává elektrické množství Q - celkový náboj elektronů - který protekl rentgenkou během expozice Q = I . t _{[mA.s] - [miliCoulomb]}. Elektrické množství Q určuje celkový počet fotonů X-záření emitovaných rentgenkou, a tedy i sílu signálu při RTG zobrazení.
  Koeficient G v sobě zahrnuje řadu faktorů, jako je účinnost produkce X-záření rentgenkou, jeho energii danou napětím [kV] na rentgence, filtrace, vzdálenost, absorbční koeficienty tkáně. Měří se pomocí fantomů, nejčastěji vodou plněných "akvárií" (pro planární rtg), nebo válců průměru 16cm (hlava) či 32cm (hrudník) pro CT, opatřených ionizačními komůrkami, termoluminiscenčními nebo polovodičovými detektory. Pravděpodobnost vzniku biologických stochastických účinků je úměrná této absorbované radiační dávce [mGy] a velikosti (objemu) ozářené oblasti [cm³]. Tato velikost - objem - je přibližně úměrný ozářené ploše [cm²] u planárního zobrazení, nebo délce [cm] CT skenované oblasti.
V planární rtg diagnostice se toto kvantifikuje pomocí veličiny plošné dávky DAP (Dose Area Product) [Gy.cm²], což je součin vstupní dávky X-záření a velikosti - plochy S - ozářeného pole: DAP = D . S. Efektivní dávka D_ef [mSv] pro pacienta, vyjadřující stochastické účinky záření na organismus jako celek, se pak vypočítá jako součin :
            D_ef = E_DAP . DAP ,
kde koeficient E_DAP (regionálně normalizovaná efektivní dávka) [mSv Gy^-1 cm^-2] v sobě zahrnuje zprůměrované tkáňové (orgánové) váhové faktory w_T pro struktury v ozařované oblasti (§5.1 "Základní veličiny dozimetrie", pasáž "Efektivní dávka"). Konkrétní hodnoty DAP při RTG vyšetřeních se měří pomocí tenkých planparalelních ionizačních komůrek, namontovaných na výstupní kolimátor RTG přístroje - tzv. DAP metry či KAP metry (§3.2, pasáž "Radiační zátěž při RTG vyšetření").
Typické expozice při planárním rtg snímkování v projekci AP jsou přibližně: hlava 25mAs, DAP=1Gy.cm²; hrudník 30mAs, DAP=0,6Gy.cm²; břicho 60mAs, DAP=1,8Gy.cm²; pánev 60mAs, DAP=2Gy.cm².
Při tomografickém CT vyšetření rentgenka kruhově obíhá kolem zobrazované oblasti a ozařuje ji ze všech stran v podstatě rovnoměrnou dávkou uvnitř každého řezu. Vyšetřovaná oblast se dá z hlediska dávky aproximovat válcovým tvarem o určitém průměru a délce. U CT se proto dávka D měří ionizační komorou uvnitř akrylátového válcového homogenního fantomu průměru 16 cm pro hlavu a 32 cm pro tělo a kvantifikuje se pomocí dávkového indexu CTDI (CT Dose Index) [mGy], s příp. korekcí na rychlost posunu (pitch faktor) u spirálních přístrojů. Tato hodnota dávky stanovená ve středu řezu se považuje za objektivní indikátor (index) dávky v tkáni. Pravděpodobnost vzniku biologických stochastických účinků je zde opět úměrná absorbované radiační dávce [mGy] a velikosti ozářené oblasti, úměrné délce scanu [cm]. V rtg CT diagnostice se toto vyjadřuje pomocí výsledné délkové dávky DLP (Dose Lenght Product) [mGy.cm], což je součin absorbované dávky D a délky L ozářené oblasti: DLP = D . L (= CTDI . L). Efektivní dávka D_ef [mSv] pro pacienta, vyjadřující stochastické účinky záření na organismus jako celek, se pak vypočítá jako součin :
            D_ef = E_DLP . DLP ,
kde koeficient E_DLP (regionálně normalizovaná efektivní dávka) [mSv mGy^-1 cm^-1] v sobě zahrnuje zprůměrované tkáňové (orgánové) váhové faktory w_T pro struktury v ozařované oblasti (§5.1 "Základní veličiny dozimetrie", pasáž "Efektivní dávka").
Typické dávkové parametry u CT zobrazení při napětí 120kV a expozici 200-400mAs jsou přibližně: hlava CTDI=45mGy, DLP=640mGy.cm; hrudník CTDI=15mGy, DLP=400mGy.cm; břicho, pánev CTDI=17mGy, DLP=700mGy.cm.
Pomocí speciálních tělo modelujících antropomorfních fantomů, empirických dat a počítačových simulací byly pro základní vyšetřované oblasti lidského těla stanoveny následující přibližné hodnoty koeficientů E_DAPa E_DLP :

Pozn.: Radiační dávka u planárního RTG zobrazení (na rozdíl od CT) pro jednotlivé vyšetřované oblasti je výrazně závislá na použité geometrické projekci. V naší ilustrativní tabulce jsme pro E_DAP uvedli přibližné hodnoty pro předo-zadní projekci AP.
Současné počítačově řízené rtg přístroje (především CT) si samy stanovují a ve výsledkovém protokolu (ve formátu DICOM) zaznamenávají hodnoty DAP, CTDI a DLP při snímkování konkrétního pacienta. Efektivní dávku D_ef [mSv] pak můžeme snadno stanovit vynásobením hodnoty DAP nebo DLP příslušným koeficientem E_DAP či E_DLP; v případě vyšetřování více oblastí je celková dávka E_ef dána součtem přes všechny vyšetřované části těla pacienta. Tato jednoduchá metoda stanovení efektivní dávky z rtg vyšetření je zcela postačující pro účely radiační hygieny - ani složitější metody neposkutují validnější výsledky. Ostatně, jak bylo uvedeno v §5.1, samotný koncept efektivní dávky je jen zprůměrovaným, hrubým a zjednodušeným "kvalifikovaným odhadem" složitých a individuálně závislých procesů biologických účinků záření...
Z hlediska optimalizace radiační ochrany byly pro RTG vyšetření stanoveny směrné hodnoty - diagnostické referenční úrovně - doporučených expozic pro planární skiagrafické snímky a CT zobrazení :

Planární skiagrafické snímky

CT zobrazení

Vyšetřovaná oblast

Vstupní dávka
[mGy]

DAP
[mGy.cm²]

Hlava	PA
	LAT

2,8

2,2

700

550

Hrudník	PA
	LAT

0,3

1,1

220

550

Páteř krční	PA
	LAT

1,7

1,3

290

280

Páteř hrudní	AP
	LAT

4,4

5,7

1100

1200

Páteř bederní	AP
	LAT

6,2

12,0

1700

3100

Břicho AP

5,2

2900

Pánev AP

4,5

2000

Vyšetřovaná oblast	CTDI [mGy]	DLP [mGy.cm]
Hlava	65	1100
Krk	21	500
Hrudník	15	500
Páteř	32	550
Břicho	19	750
Pánev	25	860

Radiační zátěž pacientů z radionuklidových vyšetření
je v zásadě dána aplikovanou aktivitou [MBq] radioindikátoru (přímá úměrnost), poločasem rozpadu použitého radionuklidu, druhem a energií emitovaného záření a farmakokinetikou radioindikátoru - stupňem akumulace radiofarmaka v jednotlivých tkáních a orgánech, jakož i rychlostí jeho biologického vylučování (exkrece), či rezidenční dobou setrvání radiofarmaka v tkáni. Tyto závislosti jsou značně složité a individuální, v plné komplexnosti se je snaží řešit výše rozebírabá metoda MIRD, obr.5.5.1.
Na základě této metody, jakož i empirických stanovení a odhadů, byly sestaveny tabulky přepočítávacích koeficientů - konverzních faktorů h [mSv/MBq] pro jednotlivá radiofarmaka, které umožňují prostým vynásobením aplikované aktivity A [MBq] přibližně stanovit efektivní dávku D_ef [mSv] pro pacienta: D_ef = h . A . Hodnoty konverzních faktorů h (efektivní dávky/1MBq) a směrné hodnoty - diagnostické referrenční úrovně - doporučené aplikované aktivity (normované na váhu pacienta 70 kg) pro některá častěji používaná radiofarmaka ve scintigrafii jsou vedeny v následující tabulce :

Radionuklid

Chemická forma

Efektivní dávka
h [mSv/MBq]

Druh vyšetření

Aplikovaná
aktivita [MBq]

^99mTc

pertechnát TcO4

fosfáty

DMSA

MAG 3

HIDA

makroagregáty

MIBI, tetrofosmin

HMPAO

leukocyty

protilátky

1,2 . 10^-2

5,8 . 10^-3

8,7 . 10^-3

7,3 . 10^-3

1,5 . 10^-2

1,1 . 10^-2

6.9 . 10^-3

9,8 . 10^-3

štítná žláza

skelet

ledviny statické

ledviny dynamické

játra dynamická

perfuze plic

perfuze myokardu

perfuze mozku

záněty

nádory

200
800
150
250
250
200
800
800
600
800

¹³¹I

jodid

štítná žláza

¹²³I

jodid

ioflupan, IBZM

MIBG

2,2 . 10^-1

5 . 10^-2

štítná žláza

mozek-receptory

nádory

200

400

¹¹¹In

leukocyty

protilátky

DTPA

octreotid

3,9 . 10^-1

2.2 . 10^-1

5,4 . 10^-2

záněty

nádory

cisternografie

nádory neuroedokrin.

200

190

⁶⁷Ga

citrát

záněty, nádory

300

¹⁸F

FDG, FLT, FMISO, ...

2,5 . 10^-2

nádory

750

Tab.5.7.3. Diagnostické referenční úrovně doporučené aplikované aktitivity pro nečastější vyšetření scintigrafické diagnostiky a dávkové konverzní faktory h pro používaná radiofarmaka...

Pozn.: V zákonitostech radiační zátěže je podstatný rozdíl mezi rentgenovou diagnostikou a nukleární medicínou. Při RTG vyšetření je zdrojem ionizujícího záření přístroj a radiační dávka závisí m.j. na počtu prováděných snímků, či na rozsahu oblasti snímané při CT. U scintigrafie není zdrojem záření diagnostický přístroj, ale samotný pacient, resp. jeho vyšetřovaný orgán. Můžeme tedy pořídit libovolný počet scintigrafických snímků, aniž by se změnila radiační zátěž pacienta. Radiační zátěž pacienta je zde determinována již při aplikaci radiofarmaka - jeho druhem (radionuklidem a chemickou formou) a aplikovanou aktivitou.
Určitou možností, jak snížit radiační zátěž u pacienta po aplikaci radiofarmaka, je ovlivnění jeho biokinetiky - zvýšená hydratace s doporučením k častějšímu močení (příp. podání diuretika) pro urychlené vyloučení radioaktivní látky z organismu, nebo aplikace vhodných preparátů, omezujících navázání radiofarmaka na určitý orgán (jodid draselný KI pro ochranu štítné žlázy při aplikaci radiofarmak značených ¹³¹I nebo ^99mTc).
Typické hodnoty radiační zátěže pacientů z radiační diagnostiky
Průměrná radiační zátěž pro nejčastejší metody RTG diagnostiky (vlevo) a radioisotopové diagnostiky v nukleární medicíně (vpravo) je uvedena v následující tabulce 5.7.4 (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 uvedených metod vesměs jedná o radiofarmaka značená ^99mTc, jen poslední řádek pozitronová emisní tomografie PET nádorových onemocnění odpovídá ¹⁸F-FDG) :

Rentgenová diagnostika

Radioisotopová diagnostika

Druh vyšetření	Ef. dávka [mSv]
Snímek plic	0,05
Páteř	0,4
Břicho	1 - 3
Urografie	2,1
Mamografie	0,5
Angiografie	3 - 9
CT hlava	2
CT tělo (hrudník, břicho)	7 - 10

Druh vyšetření	Ef. dávka [mSv]
Statická scintigrafie ledvin	1,5
Dynamická scintigrafie ledvin	2,5
Dynamická cholescintigrafie	2,3
Scintigrafie skeletu	3,5
Perfúzní scintigrafie plic	1,2
Scintigrafie štítné žlázy	2,2
Scintigrafie perfuze myokardu	5
PET - nádorová diagnostika	7

Standardní typické hodnoty efektivních radiačních dávek při RTG a radioisotopové diagnostice jsou seřazeny podle veliklosti ve sloupcovém diagramu na obr.5.7.1. Úplně nejnižší radiační dávky (téměř zanedbatelné) jsou u zubního RTG snímkování (0,008mSv u intraorální RTG a 0,015mSv u OPG). Podobně velmi nízké dávky jsou u kostních ortopedických snímků končetin a RTG snímků plic (cca 0,05-0,07 mSv). Tyto nízké efektivní dávky jsou zde způsobeny dvěma okolnostmi:
1. Pro získání dostatečně kvalitních snímků stačí poměrně nízká expozice (cca 20mAs), vedoucí k absorbované dávce zlomky mGy;
2. Ve snímkovaných oblastech se nenacházejí vysoce radiosenzitivní tkáně a orgány (s vysokým tkáňovým faktorem w_T), ale jen poměrně radiorezistentní tkáně s w_T<0,1 .
Značně vyšší radiační dávky jsou u CT vyšetření, kde rentgenka rotuje kolem vyšetřované oblasti a průběžně ji prozařuje; vyšší radiační dávka je zde však vyvážena podstatně podrobnějším diagnostickým zobrazením. Radiační dávka záleží na velikosti snímkované oblasti (u CT hlavy cca 2mSv, CT břicha až 10mSv). A úplně nejvyšší dávky, až desítky mSv, vznikají při komplikovaných intervenčních RTG-navigovaných výkonech (na diagramu poslední sloupec vpavo - zde jsou dávky navíc značně variabilní, podle komplikovanosti výkonu a jak snadno či obtížně se u daného pacienta "daří" tento výkon realizovat...).
Všechny tyto hodnoty diagnostických radiačních dávek spadají do oblasti velmi nízkých dávek podle obr.5.2.3 vlevo, kde stochastické účinky jsou nejen velmi malé, ale mají i hypotetický charakter (jak bylo diskutováno výše v pasáži "Problematika velmi nízkých dávek - jsou škodlivé či prospěšné?")..?..
Poznámka k tabulce a diagramu:Konkrétní hodnoty radiačních dávek jsou v praxi značně variabilní, cca +- 50%. V tabulce a diagramu jsou zprůměrované zaokrouhlené hodnoty, víceméně orientační (nemusí proto přesně souhlasit číselné hodnoty efektivních dávek), v závislosti na použitých přístrojích a nastavení jejich parametrů, či hodnotách aplikované aktivity radiofarmak. Některá pracoviště akcentují nižší expozice a "šetří" radiofarmaky (kvalitu obrazů upravují sekundární filtrací při vyhodnocování), jiná pracoviště používají vyšší expozice a aplikují více aktivity radiofarmak (za účelem kvalitnějších primárních obrazů či kratší doby vyšetření)... Celkově lze říci, že s technickým vývojem přístrojové elektroniky a počítačových vyhodnocovacích procedur se radiační dávky postupně snižují.

Obr.5.7.1 Diagram přibližných typických hodnot radiačních dávek pacientů při nejčastějších RTG a scintigrafických diagnostických vyšetřeních. Modré sloupce znázorňují RTG diagnostiku, červené radionuklidovou scintigrafickou diagnostiku v nukleární medicíně.

Při radiační terapii jsou dávky v cílových tkáních samozřejmě značně vysoké - desítky Gy, kanceroletální tumorová dávka, ale i v okolních zdravých tkáních mohou dosahovat jednotky Gy - toleranční dávka. Avšak i zde, při správném naplánování, optimalizaci a strategii, zdravotní přínos bývá nepochybný (je podrobněji rozebíráno v §3.6 "Radioterapie", pasáž "Fyzikální a radiobiologické faktory radioterapie").
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 se zapisuje v dokumentaci o diagnostice či terapii; je to důležitý údaj pro posouzení účinku terapie a radiační zátěže.
......................
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" o mírovém využívání jaderné energie a ionizujícího záření (původní zákon č. 18/1997, poslední novelizace je č. 263/2016 Sb.) a související normy a předpisy. Je to především vyhláška SÚJB č. 184/1997 - poslední novelizace vyhláškou SÚJB č.422/2016, 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 rozumné minimum, dále principy práce s IZ – zdůvodnění a optimalizace radiační činností (riziko versus profit), limitování, přírodní zdroje, lékařské expozice...
Postupné zlepšování a inovace předpisů v oblasti radiační ochrany probíhají zejména na základě odborných doporučení Mezinárodní komise pro radiační ochranu ICRP.
Pro dohled a koordinaci celého komplexu opatření pro bezpečné používání zdrojů ionizujícího záření se zřizují centrální ústavy a úřady pro radiační ochranu. U nás byl zřízen Státní úřad 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 radiační ochrany, 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 odborníků zabývajících se radiační ochranou, např. :
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".

Osobní poznámka autora: Zbytečná byrokracie v radiační ochraně
Jak bylo již výše zmíněno, v současné době je oblast aplikací ionizujícího záření z hlediska radiační ochrany sledována, koordinována a zabezpečena tak důkladně, jako snad žádný jiný obor lidské činnosti. To je jistě třeba kvitovat velmi pozitivně. Jako fyzik, pracující více než 40 let v oblasti jaderné a radiační fyziky, bych si k tomu však dovolil drobnou kritickou poznámku :
Zdá se mi, že toto celkově velmi kvalitní pojetí radiační ochrany je v posledních letech někdy realizováno a interpretováno snad až přehnaně byrokraticky... Bazíruje se občas na nevýznamných detailech, požadavky důležité v oblastech vysokých aktivit a radiačních intenzit se mechanicky přenášejí na malá pracoviště (jako jsou nukleární medicíny), kde žádná radiační rizika fakticky nehrozí. Enormně narostlo množství úředních "papírů" a dokumentů a jejich rozsah. Akcentují se a široce popisují úkoly, pravomoci, podpisy irelevantních osob - různých těch statutárních zástupců, ředitelů, náměstků a dalších úředníků, kteří s radiační činností nemají nic společného a často ani neví o její podstatě a existenci...
Za tuto situaci jistě nemohou odborníci a pracovníci koordinující radiační ochranu (snad s výjimkou ojedinělých případů servilní snahy být "papežtější než papež" a horlivě zmnožovat irelevantní předpisy...). Souvisí to s obecnějším trendem k hierarchickému uspořádání západní společnosti, růstem byrokracie a nahrazováním skutečného práva formální justicí - zapomíná se na zlaté pravidlo "litera zabíjí, duch oživuje".
V oblasti aplikací záření, jakož i radiační ochrany, pracují téměř výhradně odborně fundovaní lidé, dobře obeznámení se zásadami práce s radioaktivitou a ionizujícím zářením. Tito pracovníci erudovaně vykonávají svou odbornou práci a realizují radiační ochranu "tak jak se má", podle svého nejlepšího vědomí a svědomí. Jim by se měla dát větší důvěra, bez zbytečných "buzerací" a enormní administrativní zátěže..!..
Ostatně, s podobným byrokratickým přístupem se nyní setkáváme i u předpisů a požadavků pro přípravu a rozplňování radiofarmak na pracovištích nukleární medicíny (§4.8, část "Radionuklidy a radiofarmaka", poznámka "Radiofarmaka - byrokracie").

Vyšetřovaná oblast :	hlava	krk	hrudník	břicho	pánev
E_DAP[mSv Gy^-1 cm^-2] :	0,04	0,07	0,15	0,18	0,20
E_DLP[mSv mGy^-1 cm^-1] :	0,0023	0,0054	0,017	0,017	0,019

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

Tkáň (orgán)	kostní dřeň	střevo	plíce	žaludek	gonády	močový měchýř	játra	jícen	štítná žláza	kůže	kosti	mozek	S -ostatní
w_T	0,12	0,12	0,12	0,12	0,077	0,04	0,04	0,04	0,04	0,01	0,01	0,01	0,12

Vliv ionizujícího záření na živé organismy - rizika a využití v medicíně