Radiobiologia studiază:

modul în care radiaţiile ionizante interacţionează cu sistemele biologice

efectele acestei interacţii

= Transport de energie prin

unde electromagnetice

particule materiale

Ionizante E > 10 eV

Neionizante E < 10 eVRadiaţii

Radiaţia

Radiaţii electromagnetice: X, , UV dure ( < 120 nm)

Radiaţii corpusculare:

a) radiaţii de particule încărcate electric

- particule ( )

- protoni (1p ≡ ion H+)- deuteroni (1p, 1n)- ioni de Ne, Ar, Xe etc.

radiaţia - (electroni)

+ (pozitroni)

b) radiaţii de particule fără sarcină electrică

radiaţii de ioni grei

He24

neutroni

Radioactivitatea nuclee instabile emit radiaţii în mod spontan

Naturală Artificială

Elementeradioactive naturale

nuclee stabile bombardatecu fotoni, neutroni, particule încărcate

RadiaţiRadiaţiii

naturale • radiaţii cosmice• radiaţii terestre elemente radioactive naturale

- roci - sol - structura clădirilor (radonul)

artificiale• proceduri medicale (radioterapie, radiodiagnoză)• laboratoare – dispozitive electrocasnice

(televizoare, ceasuri luminoase, detectoare de fum etc.)• accidente nucleare• poluare etc.

Fondul natural de radiaţii = totalitatea radiaţiilor ionizante naturale prezente în atmosferă

= Rata de dezintegrare a nucleelor radioactive= Rata de dezintegrare a nucleelor radioactive

Unitatea de măsură a activităţii radioactive = BecquerelBecquerel

1 Bq = 1 dez/s

Curie – unitate tolerată: 1 Ci = 3,7 1010 Bq

activitatea unui gram de radiu (226Ra )

Nucleele de acelaşi tip

au aceeaşi probabilitate de dezintegrare

Număr mare de nuclee radioactive

sursa emite continuu

Număr mic de nuclee radioactive

sursa emite discontinuu

Probabilitatea de dezintegrare în unitatea de timp

const. d/d

NN

tn

numărul de nuclee radioactive din sursă

N = NN = N0 0 ee––tt

numărul iniţial de nuclee radioactive

Lege statistică

- valabilă pentru un număr foarte mare de nuclee

- toate nucleele au aceeaşi probabilitate de dezintegrare

O sursă radioactivă emite în timp

din ce în ce mai puţine radiaţii

Timpul de înjumătăţire ( T1/2 )

N = N0/2

2ln

2/1T

Efectele unei surse radioactive depind de:

• activitatea sursei• timpul de înjumătăţire• tipul şi energia radiaţiei emise

Depind de: sistemul biologic tipul radiaţiei doză debitul dozei

Efectele biologice ale radiaţiilor ionizante: moarte celulară, mutaţii, inducerea cancerului etc.

Leziunile in ADNLeziunile in ADN – efect dominant al iradierii

prin actiunea radicalilor liberi

Efecte:Efecte: directedirecte indirecteindirecte

Tipuri de leziuni in ADN Tipuri de leziuni in ADN

Un cluster de ionizari in ADNUn cluster de ionizari in ADN

Rupturiuni-catenare

Rupturidublu-catenare

Situsabazic

Leziunea bazei

Leziunea zaharului

Situs cu leziuni multiple

Doza absorbităDoza absorbită

= energia absorbită de unitatea de masă din material

D = E /m

energia absorbită de material

masa materialului

Unitatea Unitatea de măsurăde măsură1 Gy (Gray) = 1 J/kg1 Gy (Gray) = 1 J/kg

Unitate tolerată: rad-ul 1 rad = 0,01 Gy

Debitul dozeiDebitul dozei d = D/t se măsoară în Gy/s sau în rad/s

Doza incidentăDoza incidentă de radiaţie X sau

= sarcina ionilor produşi într-un kg de aer

Di = Q/Vsarcina totală

a ionilor pozitiviproduşi în volumul V densitatea aerului

volumul

Unitatea de măsurăUnitatea de măsură:: C/kgC/kg

Roentgen - unitate tolerată: 1 R = (1/3876) C/kg

DDebitul dozeiebitul dozei di = Di/t se măsoară în C/kgs sau R/s

Cunoaşterea Cunoaşterea dozeidozei şi a şi a debitului dozeidebitului dozei este este

extrem de importantă în radioterapie şi radiodiagnozăextrem de importantă în radioterapie şi radiodiagnoză

In radioterapie, administrarea unei doze cu o eroare > 5% reprezintă un tratament neadecvat

Celulele tumorale care supravieţuiesc

• continuă proliferarea• devin mult mai rezistente la radiaţii

Doză prea mică

• Ţesutul sănătos este grav afectat• Complicaţii severe

Doză prea mare

EfEficacitateicacitatea biologică relativăa biologică relativă (EBR) (EBR)

= DX / D

De câte ori este mai eficace radiaţiafaţă de o radiaţie de referinţă

radiaţia X cu energie 250 keV

Doze absorbite de acelaşi sistemcare produc acelaşi efect biologic

Radiaţii X, şi electroni = 1

Neutroni, protoni, particule > 1 efect mai puternic

acelaşi efect

=5-20 =1-5 =20

Doza Doza biologicbiologicăă

B = D

Unitatea de măsură - Sievert (Sv)

- doza de radiaţie X care produce acelasi efect biologic

- măsură a efectului iradierii la o anumită doză absorbită

Ex.: 1 Gy de radiatie X corespunde dozei biologice de 1 Sv1 Gy de radiaţie ( = 20) corespunde dozei biologice de 20 Sv

Unitate tolerată:

1 rem = 0,01 Sv

Iradierea X cu 1 Sv

Iradierea cu 1 Sv

produc

acelaşi efect !

DDoza echivalentă oza echivalentă

Ţesut / organ iradiat cu mai multe tipuri de radiaţii

R

RT,R

RT,RT BDH

R = tipul radiaţieiDT,R = doza absorbită de ţesut pentru radiaţia de tip „R”BT,R = doza biologică în ţesut pentru radiaţia de tip „R”

Ţesuturile/organele nu au aceeaşi radiosensibilitate

Conversia dozelor echivalente pe o scală comună

Doza echivalentă a organismului la care probabilitatea de producere a leziunilor este aceeaşi

DDoza efectivăoza efectivă

T

TTHwE

Factor de pondere al ţesutului (organului) „T”

se măsoară în Sv

Ţesutul Ţesutul / / organulorganul wwTT

gonade 0,2

măduvă 0,12

colon 0,12

plămân 0,12

stomac 0,12

vezica urinară 0,05

sân 0,05

ficat 0,05

esofag 0,05

tiroidă 0,05

piele 0,01

suprafaţa osoasă 0,01

Radioscopia gastrica cu barita (substanta opaca la radiatii X)

indica tranzitul esogastroduodenal

Interacţia radiaţiilor X şi Interacţia radiaţiilor X şi cu materia cu materia

1. EFECTUL FOTOELECTRIC1. EFECTUL FOTOELECTRIC

Un foton interacţionează cu un atom

Fotonul cedează întreaga sa energie atomului

Atomul este ionizat

Fotonul dispare

Electronul liber poate produce ionizări

Atom ionizat cu un loc vacant într-o pătură electronică

Captura unui electron liber Emisie de radiaţie X caracteristică Emisie de electroni Auger

Un foton interacţionează cu un electron (liber sau legat într-un atom)

Electronul primeşte energie cinetică

Fotonul este împrăştiat

22. EFECTUL . EFECTUL COMPTONCOMPTON

Electronul de recul produce ionizări în materie

3. 3. GENERAREA DE PERECHI ELECTRON – POZITRONGENERAREA DE PERECHI ELECTRON – POZITRON

Un foton cu energie E > 1,02 MeV trece prin apropierea unui nucleu atomic

Fotonul poate să dispară

In locul fotonului apar un electron şi un pozitron

Pozitronul este antiparticula electronului

• au aceeaşi masă de repaus (m0)

• au sarcini electrice egale şi de semn contrar

Conservarea energiei Conservarea energiei

hν = (m0c2 + Ee) + (m0c

2 + Ep) = Ee + Ep + 2m0c2

energia totalăa electronului

energia totalăa pozitronului

Energia de prag

Eprag = 2m0c2 = 1,02 MeV

Un pozitron lent se poate recombina cu un electron liber

Pot forma o stare legată = pozitroniu

timp de viaţă foarte scurt

Electronul şi pozitronul se anihilează

dispar ca particule materiale sunt emişi doi fotoni în direcţii opuse

e– liberEe = 0

e+ lentEp ≈ 0

hν = 0,51 MeV

hν = 0,51 MeV

Radiaţia de anihilare este radiaţie

Tomografia cu emisie de pozitroni (PET)Tomografia cu emisie de pozitroni (PET)

= metodă de imagistică medicală

Detecţia perechilor de fotoni emişi simultan

în direcţii opuse prin procesul de anihilare

Se determină punctul din care au fost emişi fotonii

Se vizualizează distribuţia pozitronilor în ţesut

Informaţii asupra modificărilor metabolice în organ

Interacţia radiaţiei Interacţia radiaţiei cu materia cu materia

Electronii şi pozitronii îşi pierd energia cinetică prin

• ionizări şi excitări ale atomilor

• emisie de radiaţie electromagnetică

e– şi e+ emit radiatie e.m. de 1 milion de ori mai mult decât protonii

Unii electroni expulzaţi din atomi prin ionizareproduc alte ionizări în materie

RRadiaţiadiaţiaa Electroni secundari

Parcursul electronilor (pozitronilor)

= distanţa maximă la care ajung în material

In apă şi în ţesuturile moi P ~ 1 cm

Interacţia ionilor grei cuInteracţia ionilor grei cu materiamateria

Un ion de masă M şi sarcină electrică +ze

trece prin apropierea unui electron liber

Electronul primeşte energie cinetică

Emisia radiativă a ionilor grei este neglijabilă

Ionizări şi excitări

Energia ionului scade pe măsură ce înaintează în material

Doza absorbită creşte cu adâncimea

Ionul pozitiv captează electroni liberi

şi devine atom neutru

La finalul traiectoriei

Puterea de ionizare scade

electroni (21 MeV)

fotoni (E < 8MeV)

carbon (270 MeV/nucleon)

10 20 300

100

80

60

40

20

0

adâncimea în ţesut (cm)

doza

rela

tivă

(%)

CURBA BRAGG

Curba Bragg se obţine numai

cu fascicule monoenergetice de ioni grei

Radiaţia nu se obţine curba Bragg:

electronii nu au traiectorii drepte

HHadroterapiadroterapiaa = = radioterapia cu ioni greiradioterapia cu ioni grei

Doza administrată cu precizie în volumul tumorii

Ţesutul sănătos afectat mult mai puţin

• melanom ocular

• cancer la sân, prostată

• tumori ale creierului

• tumori ale pielii

Tumori superficiale hadroterapia cu protoni

Parcurs mic al protonilor în ţesut P ~ 1 cm

Tumori profunde ioni de carbon

P ~ 10 cm

Radioterapia convenţională cu radiaţii X

energia maximă = 8 MeV

Doza absorbită în ţesut

are un maxim la 2-3 cm adâncime apoi scade exponenţial cu adâncimea

Tumori profunde fascicule multiple

focalizate pe centrul tumorii

Tumori în apropierea unor organe vitale

nu se poate aplica radioterapia cu radiaţii X

Hadroterapia = tratament conformal de mare acurateţe

Volumul iradiat urmăreşte cu fidelitate forma tumorii

Doze fracţionate:

• 4-5 şedinţe de hadroterapie în 8-10 zile

• doza totală 45 … 85 Gy

O singură iradiere durează în jur de 1 min.

Rezoluţia spaţială Rezoluţia spaţială ≤≤ 1 mm 1 mm ! !

Tratament cu protonial melanomului ocular

LNS-INFNCatania, Italia

Radiaţia are o putere de ionizare foarte mare

parcurs foarte mic

2 – 8 cm în aer

0,05 mm în aluminiu

Iradiere externă a organismului

particulele nu depăşesc stratul bazal al epidermei

Radiaţiile sunt periculoase numai dacă iradierea este internă !

Interacţia neutronilor cu materiaInteracţia neutronilor cu materia

Neutronii nu interacţionează cu electronii !

Produc radiaţii ionizante prin reacţii nucleare

Neutroni termici energie mică

Reacţii nucleare de rearanjare (n, )

Reacţii de captură radiativă (n, )

Neutroni rapizi energie mare

Cea mai periculoasă radiaţie ionizantă

reacţii nucleare (n, p)(n, )

fisiune nuclearănucleul se scindează în 2 fragmente plus cel puţin 2 neutroni

ciocniri elastice

ciocniri inelastice

RRadioprotecţiaadioprotecţia faţă de iradierea cu neutroni faţă de iradierea cu neutroni

33 ecrane ecrane: :

1) ecran pentru moderarea neutronilor material pe bază de H (apă, apă grea, grafit, parafină)

2) ecran de cadmiu - captura neutronilor termici

113Cd + n 114Cd +

3) ecran de Pb / Fe pentru absorbţia radiaţiei

La nivelul ADN: – alterări la nivelul bazelor azotate– dimerizarea timinei– rupturi ale catenei cu peroxidarea capetelor– formare de legături cu molecule proteice

Mutaţii

Erori de transcriere a codului genetic

Erori de replicare a ADN-ului

Erori de diviziune celulara

Producere de fragmente de cromozomi

Structura şi secvenţa moleculei ADN

= conservate pe parcursul ciclului celular

Modificările ADN afectează capacitatea de proliferare supravieţuirea celulară

Erori spontane de replicareLeziuni ADN

Mecanisme enzimatice de reparare

Reparare dificilă erori de reparare

Mutaţii genetice

Tipuri de mutaţii:

mutaţii punctuale se modifică o pereche de baze

inserţii se adăugă una / mai multe perechi de baze consecutive

ştergeri se pierd una / mai multe perechi de baze consecutive

Tipuri de leziuni celulare ca funcţie de doză

Celule iradiate ~ 1 rad

RRăspunsăspunsul ul radioadaptiv radioadaptiv - - hormezhormezaa

creşte radiorezistenta

Viteză mai mare de reparare a leziunilor ADN-ului

Mai puţine aberaţii cromozomiale şi mutaţii

Susceptibilitate mai mică la ştergeri şirearanjări cromozomiale

Este recomandată o doză minimă anuală de 1 rad !

HORMEZA reduce mortalitatea prin îmbătrânire şi cancer

Legea BergoniéLegea Bergonié - Tribondeau- Tribondeau

Un ţesut este cu atât mai radiosensibil

- cu cât este mai puţin diferenţiat- cu cât în el au loc mai multe mitoze

Radiosensibilitatea ţesutului creşte cu:

- temperatura- hidratarea- oxigenarea- pH alcalin (pH > 7)

ADN, ARN = foarte sensibile în metafază

Cele mai radiorezistente ţesuturi ţesutul nervos şi ţesutul muscular

Ţesuturile cele mai radiosensibileţesutul epitelial, măduva hematogenă, gonadele

Mecanismele de reparare a leziunilor sunt mai puţin active în mitoză

1. Iradiere externă – sursa de radiaţii în exteriorul

organismului

2. Iradiere internă – sursa de radiaţii este internă

Radioelemente introduse în organism:

- prin contaminare- pe cale digestivă, respiratorie, cutanată - în scop diagnostic sau terapeutic

Iradiere globală - întregul organism este supus iradierii

Iradiere totală - internă + externă

Iradierea internă - frecventă în practica medicală

Efectele iradierii interne depind de:

- timpul de înjumătăţire prin dezintegrare, T1/2

- timpul de înjumătăţire prin eliminare din organism, Tb

Perioada de înjumătăţire efectivă

1/ Tef = 1/ Tf + 1/ Tb

Tb mic Tef mic

eliminarerapidă

Sr90, radiul, plutoniul:Tef = 103 – 104 zile

Doza maximă admisibilă (DMA)Doza maximă admisibilă (DMA)

DMA – stabilita anual de CIPR(Comisia Internaţională pentru Protecţia împotriva Radiaţiilor)

= doza totală pe care o poate primi un om într-un an fără a suferi o leziune observabilă

- Măduva hematogenă- Gonadele

DMA = 5 mSv/an

- oase - tiroidă DMA = 30 mSv/an

Fondul natural – 1,5 mSv/anFondul artificial – 0,3 mSv/an

Radiografiaabdominala – 6,2 mSvpulmonara – 0,3 mSv

6 Sv - moarte intr-o luna

Protecţia fizică- distanţă mare faţă de sursă- reducerea timpului de

expunere- ecrane protectoare

Ecranare: Radiatia X, materiale cu Z mare (Pb, Fe)

Radiatia βmateriale cu Z mic (polistiren, Al)

Evitate materiale cu Z mare (in care electronii produc

r.e.m.) Radiatia βmateriale cu Z mare

Absorb radiatia de anihilare ()

- Radiatii de particule incarcate - materiale cu densitate mare

- Neutroni - ecran pe baza de hidrogen: apa, D2O, parafina, grafit- ecran de cadmiu captura neutronilor termici:

Cd113 + n Cd114 +

- ecran de Pb/Fe absoarbe radiatia

- Radiatie - ecran foarte usor si subtire (chiar hârtie)

- Radiatii mixte β +

- un ecran de plastic/Al- un ecran de Pb/Fe

Protecţia chimică

Inaintea iradierii se administreazăsubstanţe chimice radioprotectoarecare măresc radiorezistenţa organismului

- micşorează conţinutul în apă, mai ales în organele radiosensibile - micşorează temperatura organismului, diminuează metabolismul - diminuează cantitatea de oxigen intra şi extracelular - inhibă/fixează radicalii liberi- împiedică alte organe să amplifice efectele

Substante radioprotectoare:

- hidrosolubile – compuşi cu sulf (cisteamina HS-CH2-CH2-NH2)

M-SH + R RH + MS

MS + MS MS-SM

- liposolubile - derivaţi ai pirogalolului şi naftolului diminuează concentraţia oxigenului intra şi extracelular, împiedicând formarea peroxizilor lipidici

Vitaminele, hormonii, histamina, serotonina sunt substante radioprotectoare