РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА В ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ

1. РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА В ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ Часть 1: Биологические эффекты ионизирующего излучения

2. ЦЕЛЬ Ознакомление с механизмами развития различных биологических эффектов вызываемых ионизирующим излучением и с результатами эпидемиологических исследований населения, подвергшегося воздействию ионизирующего излучения. Получение представлений о моделях, используемых для вычисления коэффициентов риска и для оценки ущерба Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

3. СОДЕРЖАНИЕ • Основные понятия, клеточные эффекты • Детерминированные эффекты • Стохастические эффекты • Влияние на эмбрион и плод • Оценка риска Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

4. Часть 1. Биологические эффекты 1.1. Основные понятия

5. Ранние наблюдения воздействия ионизирующего излучения • 1895Рентгеновские лучи открыты Рентгеном • 1896 Зарегистрированы первые ожоги кожи • 1896 Первое использование рентгеновских лучей в лечении рака • 1896 Беккерель: открытие радиоактивности • 1897 Зарегистрированы первые случаи повреждения кожи • 1902 Первое сообщение о раке, индуцированном рентгеновским излучением • 1911 Первое сообщение о лейкозе и раке легких, вызванных профессиональным облучением • 1911 Зарегистрированы 94 случая раковых опухолей в Германии (из которых 50 - у врачей радиологов) Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

6. Последствия радиационного облучения • Используются данные полученные из: • исследований человека (эпидемиология) • исследований на животных и растений • (экспериментальная радиобиология) • фундаментальных исследований клеток и их • компонентов (клеточная и молекулярная • биологии) • Ключ к пониманию последствий облучения для здоровья – это взаимодействие между этими источниками информации. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

7. Хромосомы Радиационное излучение воздействует на основу жизни - клетку Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

8. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

9. Критическая мишень: ДНК Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

10. Взаимодействие ионизирующего излучения с ДНК ФОТОН ФОТОН КОСВЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРЯМОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

11. Повреждение ДНК Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

12. Облучение клетки Без изменений излучение попадает в ядро клетки! Мутация ДНК Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

13. Результаты облучения клетки Жизнеспособная клетка Мутация устранена Нежизнеспособная клетка Гибель клетки Рак? Мутация ДНК Клетка выживает, но мутирует Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

14. Как РЕПАРИРУЕТСЯ (восстанавливается) ДНК ? Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

15. Измененное основание Энзим гликозилаза обнаруживает нарушение и выщепляет поврежденные основания Эндонуклеаза надрезает нити ДНК и выщепляет оставшийся сахар ДНК-полимераза заполняет образовавшуюся брешь, но разрыв остается ДНК-лигаза сшивает разрыв. Репарация завершено. ДНК репарирована безпотери генетической информации Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

16. Репарация Организм человека содержит около 1014 клеток. Поглощенная доза в 1 мГр в год (из естественных источников) будет производить около 1016 ионизаций, то есть 100 ионизаций на клетку. Если предположить, что масса ДНК составляет 1% от массы клетки, то результатом будет одна ионизация в ДНК-молекуле в каждой клетке тела каждый год. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

17. … Порядки величин • 999 из 1000 повреждений восстановлены • 999 из 1000 поврежденных клеток погибает (не главная проблема, так как миллионы клеток умирают каждый день в каждом человеке) • многие клетки могут жить с повреждением (могут быть мутированными) Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

18. Гибель клеткиРадиочувствительность • Радиочувствительность (РЧ) = Вероятность повреждения клетки, ткани или органа в результате облучения на единицу дозы. • Бергонье и Трибондо (1906): "законы радиочувствительности": РЧ будет больше, если клетка: • Имеет продолжительную фазу митоза. • Менее дифференцирована. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

19. РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

20. Биологические эффекты на клеточном уровне Клеточные эффекты ионизирующего излучения изучаются используя кривые выживаемости клеток Возможные механизмы клеточной смерти: • Физическая смерть • Функциональная смерть • Смерть во время интерфазы • Митотические задержки • Репродуктивная смерть n = мишени Экспоненциальный % Выживаемости клеток (полу логарифмическая шкала) 100% Dq (Предел) D0 (Радиочувствительность) Доза Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

21. Факторы, влияющие на радиочувствительность • Физические • ЛПЭ (линейнаяпередачаэнергии):  РЧ • Мощность дозы:  РЧ • Температура РЧ • Химические • Увеличение РЧ: КИСЛОРОД, цитотоксические препараты. • Снижение РЧ: СЕРА (цистеамин ...) • Биологические • Фаза клеточного цикла: •  РЧ: G2, M •  РЧ: S • Репарация повреждений (суб-летальные повреждения могут быть восстановлены, например при фракционированной дозе)  ЛПЭ % выживших клеток  ЛПЭ G0 M G2 G1 S Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

22. Выживаемость клеток Качествo излучения Низкая ЛПЭ Выжившая доля Низкая ЛПЭ Высокая ЛПЭ Высокая ЛПЭ Поглощенная доза ЛПЭ (линейная передача энергии) - количество энергии (МэВ), которую частицы теряют во время прохожденияопределенного расстояния (м) в материале. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

23. СХЕМАИОНИЗАЦИИ Adapted from Marco Zaider (2000) Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

24. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ Прямыеэффекты Косвенныеэффекты Репарация Первичноеповреждение Гибель клетки Изменениеклетки Повреждениеоргана Соматическиеклетки Эмбриональная клетка Смертьорганизма РакЛейкоз Наследственныеэффекты Детерминированные эффекты Стохастические эффекты Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

25. Продолжительность событий, ведущих к радиационным эффектам Аккумуляция энергии Возбуждение/ионизация Начальные треки частиц Формирование радикалов Диффузия, химические реакции Начальное повреждение ДНК 1мс Разрыв ДНК/ повреждение основания 1секунда Процесс репарации Фиксация повреждений 1 час Смерть клеток 1 день Мутации/преобразования/аберрации Пролиферация поврежденных клеток 1 год Стимуляция/завершение Тератогенез Рак 100 лет Наследственные эффекты ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВРЕМЯ (сек) БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ МЕДИЦИНСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

26. Часть 1. Биологические эффекты 1.2. Детерминированные эффекты

27. ПОСЛЕДСТВИЯ ГИБЕЛИ КЛЕТОК Вероятность смерти 100% Доза(мЗв) D Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

28. Детерминированные эффекты 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ВЕЛИЧИНА ЭФФЕКТА Более радиорезистентный Более радиочувствительный Диагностический порог ЧАСТОТА Пороговая ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА доза Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

29. Пороговые дозы для детерминированных эффектов Величина эффекта доза предел • Катаракта хрусталика глаза 2-10 Гр • Необратимое бесплодие • мужчины 3.5-6 Гр • женщины 2.5-6 Гр • Временное бесплодие • мужчины 0.15 Гр • женщины 0.6 Гр Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

30. К вопросу о пороговых дозах • Пороговые дозы зависят от режима облучения: • одна высокая доза - наиболее эффективна • фракционирование значительно увеличивает порог дозы в большинстве случаев • уменьшение мощности дозы увеличивает порог в большинстве случаев • Пороговые дозы могут отличаться для разных лиц Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

31. Соматические эффекты • Эффекты могут быть морфологическими и / или функциональными • Факторы: • КакойОрган • КакаяДоза • Эффекты • Немедленные (как правило, обратимый): < 6 месяцев,например: воспаление, кровотечение. • Отсроченные (как правило, необратимый): > 6 месяцев,например: атрофия, склероз, фиброз. • Критерии дозы • < 1 Гр: НИЗКАЯ ДОЗА • 1-10 Гр: СРЕДНЯЯ ДОЗА • > 10 Гр: ВЫСОКАЯ ДОЗА • Регенерация- этозамещениеоригинальной тканью, в то время какРепарация- этозамещение соединительной тканью. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

32. Воздействие на кожу Эпидермис Дерма • Согласно РЧ законам (Бергонье и Трибондо), наиболее РЧ клетками являются клетки из базального слоя эпидермиса. • Эффекты: • Эритема: 1-24 часа после облучения около 3-5 Гр • Аллопеция: 5 Гробратимая; 20 Гр необратимая. • Пигментация: Реверсивная, появится через 8 дней после облучения • Сухая или влажная десквамация: переходит в эпидермальную гипоплазию (доза около 20 Гр). • Отсроченные эффекты: телеангиэктазия, фиброз. Гистологический вид кожи From “Atlas de Histologia...”. J. Boya Базальный слой клеток, высоко митотический, некоторые из клеток содержат меланин, отвечающий за пигментацию. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

33. Воздействие на кожу • Пороговая доза для кожи (Зв) • Недели • до начала • Повреждение • Ранняя эритема • Ранняя эритема Повреждение кожи от длительногорентгеновскогооблучения • Временная эпиляция • Основная эритема • Постоянная эпиляция • Сухая десквамация • Инвазивный фиброз • Атрофия кожи • Телеангиэктазия • Влажная десквамация • Поздняя эритема • Некроз кожи • Вторичное образование язв Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

34. Воздействие на кожу При работе с неэкранированными шприцами и пробирками, содержащими радиоактивный материал, пороговая доза облучения кожи для эритемы будет достигнута за короткое время. Пример: мощность дозы на поверхности флаконасодержащего 30 ГБк Tc99m имеет порядок 2 Гр / чЭто означает, что пороговая доза будет достигнута после2 ч облучения. Это соответствует 36 с каждый рабочийдень в году Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

35. Воздействие на кожу ПримерПосле экстравазальноео введения 500 МБк Tc99mрадиофармпрепарата, локальная поглощенная доза вместе инъекции может достигнуть 5-20 Гр! Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

36. Воздействие на глаза • Хрусталик глаза очень радиочувствителен (РЧ). • Коагуляция белков происходит при дозах превышающих 2 Гр. • 2 основных эффекта: Гистологическое строение глаза: Эффект Зводно короткое воздействие Зв / год в течение многих лет Обнаруживаемые помутнения 0.5-2.0 > 0.1 Нарушение зрения (катаракта) 5.0 > 0.15 From “Atlas de Histologia...”. J. Boya Хрусталик глаза очень РЧ, более того, они окружены кубовидными клетками с высокой РЧ Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

37. Повреждение глаз 1 = помутнение в задней субкапсулярной катаракте 2 = перинуклеарная точка непрозрачности Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

38. Реакция всего тела: взрослые 2 1 • Шаги: • Начальный • Латентность • Проявление Синдром острого облучения (Острая лучевая болезнь) Синдром хронического облучения 1-10 Гр • Клиническое облучение всего тела или части • Механизм: нейровегетативные расстройства • Ощущение слабости • Довольно часто при фракционированной лучевой терапии 10-50 Гр > 50 Гр Время выживания BMS(костно-мозговая) GIS(желудочно-кишечная) Смертельная доза 50 / 30 CNS (центральная нервная система) Доза Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

39. Летальная доза 50 / 30 • Это выражение эффекта облучения как процент смертельных исходов в зависимости от времени. • Оно означает: «Доза, которая бы привела к смерти 50% населения в течение 30 дней". • Её величина для людей составляет около 2-3 Гр облучения всего тела. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

40. Облучение всего тела Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

41. Облучение всего тела Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

42. Часть 1. Биологические эффекты 1.3. Стохастические эффекты

43. СТОХАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Лейкоз в Японии на 100,000 Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

44. СТОХАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ • Медицинские последствия Чернобыльской аварии • 1800 детей с диагнозом рака щитовидной железы (1998) Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

45. СТОХАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

46. Генетические Эффекты Частота (%) 10 5 0 10 20 30 40 Поглощенная доза (Гр) Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

47. Генетические Эффекты • Ионизирующее излучение, как известно, является причиной наследственных мутаций во многих растениях и животных НО • интенсивные исследования 70000 потомков, переживших атомные бомбы, не показали увеличение врожденных аномалий, рака, хромосомных аберраций в циркулирующих лимфоцитах или мутационные изменения белков крови. Neel et al. Am. J. Hum. Genet. 1990, 46:1053-1072 Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

48. Часть 1. Биологические эффекты 1.4. Влияние радиации на эмбрион и плод

49. Чувствительность раннего зародыша • До начала 1980-х, ранний зародыш считался очень чувствительным к радиации - хотя никто не знал, насколько чувствительным. • На самом деле: • органогенез начинается через 3-5 недель после зачатия • В период до органогенеза высокое радиационное воздействие может привести к повреждению имплантата. Низкие дозы могут не приводить к каким-либо наблюдаемым эффектам. Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения

50. Частота пренатальной и неонатальной смертности и нарушений Hall, Radiobiology for the Radiologist pg 365 Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения