INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S ŽIVOU HMOTOU

Výchozí zákonitosti : 1) IZ je starší než Země 2) IZ je významný faktor pro vznik života a evoluci 3) Bez IZ není možný život 4) Každý živý organismus je primárně radioaktivní (40K, 14C, atd.) 5) Nízké dávky IZ mají odlišné účinky než dávky vysoké

6) Stupeň reakce organizmu je mimo jiné od určitého limitu (mGy) závislý na dávce - deterministické účinky. 7) Působením ionizujícího záření nevznikají v organizmu nové chemické sloučeniny, které by mu byly primárně neznámé. 8) První reakce organizmu jsou obdobné jako u jiných toxických látek. 9) Řídce působící ionizující záření ve velmi malých dávkách stimuluje chromozomální reparace (hormeze).

Teorie a účinky významné pro radiační ochranu 1. Lineární bezprahová teorie 2. Teorie hormeze hormeze stochastické deterministické

TEORIE INTERAKCÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S ŽIVOU HMOTOU Neexistuje žádná teorie, která je úplná a vyčerpávající ! Podle mechanizmu působení Zásahová Radikálová (nepřímého účinku) Podle místa primárního účinku Duálové radiační akce Molekulárně biologická Membránová

Zásahová teorie též teorie Přímého účinku nebo teorie Radiotoxinová V biologických systémech absorbovaná energie připadá přibližně z jedné čtvrtiny na organické a ze tří čtvrtin na anorganické látky.

Zásahová teorie Z hlediska zásahové teorie má u organických látek největší význam narušení vazby S-H (mění se na vazbu disulfidovou S-S) v rámci disulfidických intermolekulárních můstků Intenzita poškození se zvyšuje tzv. kyslíkovým efektem a snižuje přítomností nebílkovinných S-H skupin v buňce, což bylo prokázáno konkurencí vlivu kyslíku a tiolů blokujících první poškození vznikající v DNA .

Radikálová teorie též Teorie nepřímého účinku Volný radikál je jakýkoliv atom nebo skupina atomů, které mohou existovat samostatně a  obsahují alespoň jeden nepárový elektron. Vysoká reaktivita vede k řetězovým reakcím. Při nich může volný radikál buď předat svůj nepárový elektron další molekule, nebo od ní získat elektron a vytvořit elektronový pár. V obou případech se radikál sice stává stabilním, ale napadená molekula se sama změní na volný radikál.

Vznik radikálů vody RADIKÁLOVÉ REAKCE H. + H2O H2 + .OH EXCITACÍ (*) H2O H2O* H.+.OH IONIZACÍ H2O H2O+ + e- H2O+ H+ + .OH e- + H2O H2O- H.+ OH- e- + O2 .O2 RADIKÁLOVÉ REAKCE H. + H2O H2 + .OH H. + H. H2 .OH + .OH H2O2 H2O + O (singletový) H. + .OH H2O H. + O2 .HO2 H+ + .HO2 H2O2

Anorganické radikály Fe3+ + e- Fe2+ Fe vyvázání Fe z hemoglobinu Cl + .OH .Cl + OH- 2 .O2 + 2 H+ SOD H2O2 + O2 SUPEROXIDOVÝ RADIKÁL .O2 + H2O2 OH- + .OH + O2 .O2 Fe3+ OH- + .OH HABER-WEISOVA pomalá reakce O2 Fe2+ H2O2 FENTONOVA REAKCE rychlá

Teorie duálové radiační akce se manifestuje chromozomálními aberacemi ze sublézí z vznikají léze, jejichž počet je úměrný z2 Velikost biologického účinku E   E(z) = k . z2  , kde k je konstanta úměrnosti.

Molekulárně biologická teorie Poškození a reparace na DNA v závislosti na energii záření: pyrimidinové hydratace - pyrimidinové dimery, především dimerizaci tyminu (UV záření) porušení vodíkových můstků mezi vlákny DNA nejčastěji jednovláknové (jednoduché) zlomy, nebo méně často dvouvláknové zlomy Větší poškození jednoho místa má menší negativní efekt než více drobnějších poškození na celém řetězci

Chromozomální aberace do 10 mGy nižší než kontrola-hormeze Srovnatelné s kontrolou 10 – 40 mGy Stochastické účinky 100 – 500 mGy Deterministické účinky nad 500 mGy Nestabilita genomu je maximální v 5. generaci Návrat k normálu u 10. generace

Molekulárně genetické odpovědi buňky na nízké dávky IZ Odpověď buňky Zaznamenatelný efekt 1. Blokace buň. cyklu změny úrovně mitotické aktivity 2. Nestabilita genomu změny úrovně mutability chromozových aberací 3. Apoptóza morfologické změny, změny diferenciace 4. Blokace apoptózy morfologické změny nádorových buněk IZ

Teorie membránová lokalizace místa poškození buňky má pouze stochastický charakter pravděpodobnost interakce záření s membránovými je mnohem vyšší než s nukleovými kyselinami lipoperoxidace na biomembránových systémech je jedním z dominantních účinků volných radikálů poškození integrity membrán spojených s činností receptorů, pump atd. - rozvrácení viability buňky

TEORIE INTERAKCÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S ŽIVOU HMOTOU    Jakákoliv snaha o vymezení jednotlivých teorií neodpovídá realitě, neboť všechny výše uváděné principy působí komplexně! Dochází jak k přímému poškození energetického obsahu biomolekuly, tak současně i ke vzniku volných radikálů. Rovněž lokalizace místa poškození buňky má pouze stochastický charakter.

Podle časové dynamiky účinku ionizujícího záření lze rozlišit procesy: 1. fyzikální (doba trvání 10-16 s) absorpce energie, vznik iontů 2. fyzikálněchemické (10-10 s) vznik radikálů, 3. chemické, resp. biochemické (10-6 s až celé sekundy) interakce s biopolymery, změny metabolismu 4. biologické (doba trvání sekundy až roky) nemoc z ozáření, proliferace atd.

RADIOBIOLOGICKÉ ZÁKONY Účinek dávky záření má v různých tkáních elektivní (výběrový) účinek. Existuje tedy rozdíl v interpretaci účinku frakcionované a protrahované dávky (nad 6 h). (zákon Schwarzův) Ve tkáních s vyšší proliferační kapacitou je rychlejší i regenerace. (pravidlo Schinze a Slatopolského) V živých tkáních se efekt ionizujícího záření kumuluje. Existuje schopnost paměti.  Čím je buňka radiosenzitivnější, tím nižší dávky, tedy jejich efekty je schopna kumulovat. V rezistentních tkáních je kumulační schopnost malá. (zákon Wintzův)

Významnější je velikost dávkového příkonu než délka úseků bez ozáření Charakteristika zdroje vnější ozáření x vnitřní kontaminace Rozsah ozáření celotělové x část těla (radiosenzitivita) Kvalita záření druh Charakteristika pole záření homogenita, energie, spektrum

Koeficient rizika smrti (Sv-1) Číslo, které udává riziko úmrtí na zhoubný nádor. Vyjadřuje se jako celé číslo krát 104 Představuje počet úmrtí na 10 000 osob 20 . 104 Sv-1 představuje individuální riziko úmrtí na nádor při ozáření orgánu dávkou 1 Sv 20 osob z 10 000, což je poměr 1 : 500

Trvale existující rizika Úmrtí na 10 000 obyvatel a rok 100 20 5 3 2 0,2 0,03 0,01 0,001 Druh rizika Přirozené nemoci Kouření Úrazy Dopravní nehody Sebevraždy Elektrický proud Exhalace elektráren Přírodní katastrofy Jaderné elektrárny

Deterministické účinky u člověka nad 1 Gy NO 1- 6 Gy dřeňový a haemorhagický s. 6 – 10 Gy gastrointestinální s. několik desítek Gy nervový s. nad 3 Gy radiační dermatitis a epilace, trvalá sterilita

Vliv záření na vývoj plodu Kritická dávka 50 mGy výjimečně poškození 25 mGy Nejvyšší radiosenzitivita v první 1/3 Do 2. týdne vše nebo nic 3-8 týden velká organogeneze malformace (mikrocefalie, mikrooftalmie, rozštěp patra) 8-15 týden časný fetální vývoj poškození psychiky (1Sv pokles IQ ze 100 na 70), prah 100 mGy

Antioxidační látky antioxidační terapie fyziologické působení radikálů dýchací řetězec v mitochondriích syntéza prostaglandinů detoxikace xenobiotik (aromatických) detoxikace tetracyklinů a doxorubicinu rozvoj zánětlivé reakce oxidativní vzplanutí fagocytů

Patologické působení radikálů lipoperoxidace diabetes melitus ateroskleróza ischemicko-reperfuzní poškození

Antioxidační látky 1. antioxidační enzymy superoxiddismutáza kataláza glutathionperoxidáza antioxidační substráty vitamíny E, A, C, koenzym Q glutathion, laktoferin

Antioxidační látky 3. Stopové prvky Se, Zn, Cu, Mn 4. kombinované přípravky 5. syntetické antioxidanty chelatační látky (vázání Fe) inhibitory xantinoxidoreduktázy thioly, kys.močová, kys. lipoová, monoestery glutathionu, stobadin 6. specifická léčiva dopamin, kortikosteroidy,estrogeny

Antioxidační látky v potravinách maso, vejce ovoce, zelenina rýže čaj víno

Druhotné biogenní záření paprsky života

Experimentální ověření Induktor Zdroj Druhotné záření Biodetektor

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR 60Co (1173 a 1332 keV) 137Cs (661 keV) dávky, které nenarušují kondenzovaný stav, 1 - 10 Gy

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR srst nebo vlasy vaječný bílek biologická tkáň živý organismus

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR VLASTNOSTI oblast vlnových délek UV záření koherentní záření přenos informace vysoká biologická aktivita

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR efekt v závislosti na čase 15–30 min. maximální 1–2 h pokles 5–6 h ještě statisticky průkazné 24 h statisticky neprůkazné

INDUKTOR  ZDROJ  DRUHOTNÉ ZÁŘENÍ  BIODETEKTOR semena rostlin kvasinky tkáňové kultury jikry ryb pylová zrna

Předpokládaný mechanismus Ozáříme-li rigidní strukturu biopolymerů v kondenzovaném stavu, dojde k excitaci elektronů do elektronového oblaku molekuly, kde interagují s její oscilačněvibrační energií za vzniku polaritonů . Tyto postupně uvolňují záření o malé intenzitě v oblasti delších vlnových délek než mělo záření, které jejich vznik vyvolalo.

Předpokládaný mechanismus Ionty prvků zabudované do struktur biopolymerů mohou potencovat druhotné biogenní záření. Volné biopolymery ve zředěných roztocích nevytvářejí záření, neboť se zbavují energie rotací kolem vlastní osy. Denaturované biopolymery nemají schopnost tvorby polaritonů.