Radiobiologie je Efekty biologické záření, zvláště ionizujícího záření na živé věci: citlivost druhů, individuální nebo patologickým radiosenzitivity ( napr. Syndrome Gorlin ), zranitelných skupin ... To je také studijní prostředkem ochrany se před škodlivými účinky některých záření a studium léčby, která má být dodržena v případě kontaminace a / nebo ozáření. Nakonec jde o obor lékařské biologie, který využívá radiologické techniky umožňující vyšetřování lidského těla. V širším smyslu se týká všech technik pro analýzu biologických tekutin, které používají jeden nebo více radioizotopůjako značka s.
Dnešní radiobiologie těží z nesčetných objevů v kinetice buněk a molekulární biologii . Jedná se o zásadní příspěvek k rozvoji radiopatologie , radioterapie a radiační ochrany .
X-ray a radioaktivita byla objevena téměř současně, v roce 1895 a 1896, resp. Zpočátku se o nich věří, že jsou neškodné, ale škodlivé účinky ozařování vysokými dávkami se objevují rychle. U rentgenových paprsků se první studie dokumentující účinky na kůži objevila již v roce 1896, první klinický případ syndromu akutního záření se objevil již v roce 1897 a byla popsána první rakovina kůže vyvolaná zářením (u radiologického operátora) v roce 1902. Již v roce 1904 zemřel asistent Thomase Edisona na rakovinu vyvolanou zářením. První experimentální rakovina je u zvířat způsobena v roce 1910. Později Henri Becquerel a Pierre a Marie Curie předloží popáleniny, protože s preventivními prostředky zacházeli s radioaktivními produkty. Válka v letech 1914-1918 masivně využívala lékařskou radiologii a počet zranění způsobených radiací byl velmi vysoký. Nakonec byl možný mutagenní účinek ionizujícího záření navržen v roce 1927.
Četné epidemiologické studie umožnily odhadnout stochastické účinky (zejména vzhled krátkodobých leukémií a dlouhodobých rakovin ) ionizujícího záření pro expozice mezi 200 milisieverty a 5 sieverty . Není pochyb o tom, že tyto dávky mají pozorovatelné účinky a tyto účinky se nejčastěji řídí lineárním zákonem , to znamená, že riziko vzniku rakoviny se zvyšuje úměrně s podanými dávkami. Jsou však známy určité výjimky, například pozorování rakoviny kostí vyvolané radia 226 a rakoviny jater vyvolané Thorotrastem nebo leukémie vyvolané v Hirošimě a u pacientů léčených radioaktivním jódem.
Vztah mezi dávkou ze záření a jeho účinků je založen především na kohorty přeživších těchto atomových bomb na Hirošimu a Nagasaki . Jejich pozorování v letech 1950 až 2000 ukázalo na kohortě přibližně 90 000 přeživších přebytek úmrtí na 479 druhů rakoviny a 93 leukémií . Přebytek rakoviny je významný pro dávky větší než 100 milisievertů a počet rakovin se zvyšuje způsobem přibližně úměrným přijaté dávce.
Tak, dánský studie případů a kontrol bylo dospět k závěru, že chronické a domácí vystavení domácí radonu v kombinaci s automobilový vzduchu znečištění významně zvyšuje riziko dětské leukémie; účinek pozorovaný v této studii byl však detekován pro expozice radonu vyšší než 1 000 Bq / (m 3 · rok) (což by odpovídalo expozici řádově 200 mSv).
Existují silné nejistoty ohledně dávek, které skutečně přežili, a ti, kteří byli vystaveni velmi vysokým dávkám, většinou podlehli okamžitým následkům výbuchů. Avšak tím, že montáž křivku relativního přebytku rakoviny jako funkce ozáření podle přímky , a integrací různých opravných koeficientů, získáme koeficient riziko rakoviny vyvolané ozářením, to znamená 10% za sievert , a koeficient riziko úmrtí z rakoviny vyvolané zářením nebo 5% na sievert. Při absenci údajů k dosažení větší přesnosti jsou tyto poměry 10% dalšího rakoviny a 5% dalších úmrtí na rakovinu pro každý získaný sievert obecně přijímány a slouží jako základ pro odhady rizik používané Mezinárodní komisí pro radiační ochranu v rámci rámec lineárního modelu bez prahové hodnoty.
U skupin, které přežily atomové bombardování, stejně jako v jiných epidemiologických studiích, studie, které dospěly k závěru o účinku nízkých dávek ozařování, detekovaly tento účinek pouze při dávkách vyšších nebo rovných 100 milisievertů .
Byly studovány další populace vystavené ionizujícímu záření: pracovníci v jaderném průmyslu , likvidátoři v Černobylu , pracovníci létající v letecké dopravě , operátoři a lékaři v radiologii , obyvatelé žijící v blízkosti jaderných zařízení atd.
Ozáření přeživších atomových bomb proběhlo po krátkou dobu vysokou dávkou . Pokud jde o účinky dlouhodobé expozice při nízkém dávkovém příkonu, studie potenciálně autorizující největší statistickou sílu spočívá v monitorování obyvatel řeky Techa . Tito byli chronicky vystaveni slabé radioaktivitě ze závodu Mayak (jižně od Uralu v Rusku); to produkovalo vojenské plutonium z roku 1948 a zpočátku skládkovalo svůj odpad přímo do řeky. Závod také kontaminoval okolí (ale v menší míře) během kychtymské jaderné katastrofy v roce 1957, klasifikované na úrovni 6 stupnice INES .
Od roku 1967 tam byla sledována kohorta 29 756 lidí, kteří byli vystaveni tomuto radioaktivnímu znečištění . Tato populace zaznamenala chronickou vnitřní expozici absorpcí a fixací cesia 137 , stroncia 90 a stroncia 89 hlavně prostřednictvím vody a / nebo potravy. Průměrná kumulativní dávka pro kostní dřeň se odhaduje na 0,3 šedé , což vede k 92% vnitřní expozice.
Již v roce 1999 ukázaly případové kontrolní studie úmrtnosti v této kohortě významnou souvislost mezi radiační expozicí a všemi typy leukémie. Podle údajů dostupných v roce 2005 je nadměrné relativní riziko (ERR) leukémie (s výjimkou chronické lymfoidní leukémie) lineárně závislé na dávce do kostní dřeně s ERR na šedý koeficient 4,9. Tato závislost je statisticky významná a 59% leukémie (s výjimkou chronické lymfoidní leukémie) pozorované v této kohortě lze připsat expozici ionizujícímu záření. ERR je významně větší než 1 z 0,2 Gy. Studie případové kontroly provedená na malém počtu subjektů odebraných z kohorty (83 případů leukémie a 415 kontrolních subjektů) naznačuje pouze statisticky významné výsledky pro vypočtené expozice vyšší než šedá .
Tyto studie umožňují pouze odhadnout účinky dávek vyšších nebo rovných 100 mSv u dospělých. Extrapolace těchto konstant a tohoto lineárního modelu pod tuto hranici je předmětem debaty o nízkých dávkách.
O záření se říká, že je „ ionizující “, když je schopné způsobit odtržení periferních elektronů od hmoty. K tomu je nutné, aby energie dopadajícího záření byla dostatečná k odtržení elektronu, to znamená, že tato energie je větší než minimální vazebná energie elektronů v médiu.
Existují dva typy ionizujícího záření:
Přímé ionizující zářeníJe to záření tvořené elektricky nabitými částicemi:
Nepřímo ionizující zářeníJsou to částice a / nebo elektromagnetické záření, které není elektricky nabité:
Účinky záření na živou hmotu jsou konečným výsledkem počátečních fyzikálních událostí. Ionizující záření působí přenosem energie na hmotu a konečný biologický účinek je výsledkem řetězce fyzikálních událostí a chemických transformací, které jsou spouštěny ionizačními jevy .
Účinek ionizujícího záření se nejprve projevuje interakcí mezi zářením a hmotou: za několik nanosekund záření interaguje s periferními elektrony biologické hmoty, což vyvolává výskyt excitovaných atomů v ozářené tkáni, poté ionizace.
Radiochemické interakce jsou kvalitativně identické pro všechna ionizující záření a probíhají ve velmi krátké době (10 - 5 sekund).
Přímá akceIonizovaná molekula se stala nestabilní. Během reorganizace elektronického procesoru vypuzuje přebytečnou energii, a to buď emisí fluorescenčních fotonů, nebo prasknutím vazby , což může vést ke změně jeho biochemické aktivity nebo k jeho zničení. Po několika mikrosekundách excitace a ionizace způsobí výskyt volných radikálů , vysoce reaktivních.
Lidské tělo se skládá z více než 2/3 vody. Působením ionizujícího záření se molekuly vody rozpadají a vytvářejí volné radikály.
Nepřímá akceMolekulové interaguje s volnými radikály generované radiolýzy z vody .
Po několika milisekundách tyto volné radikály způsobují abnormální chemické reakce, které denaturují proteiny a další složky buňky, narušují vazby buněčné struktury a narušují její funkci a strukturu. Vyrobené volné radikály mají vysokou chemickou reaktivitu. Volné radikály produkované radiolýzou vody mají velmi krátkou životnost, jsou to silné redoxní látky schopné napadat organické molekuly včetně deoxyribonukleových kyselin za vzniku organických volných radikálů. Je to však poškození DNA, které způsobuje buď buněčnou smrt, nebo pozdní účinky.
Právě tyto poruchy vedou po více či méně dlouhé době latence k projevům radiolezí.
Molekuly DNA jsou hlavní složkou chromozomů zapojených do procesů přenosu genetické informace z mateřských buněk do dceřiných buněk a prostřednictvím různých RNA při syntéze bílkovin.
Nejznámější změnou je přetržení řetězce v důsledku radikálu . Počet prasknutí se zvyšuje s přijímanou dávkou a minimální požadovaná energie by byla řádově 10 eV . Během jednoduché ruptury vstupují molekuly vody do mezery vytvořené volným radikálem: vodíkové můstky mezi nukleovými kyselinami se rozpadají a dva řetězce se pohybují od sebe. Tento druh změny DNA lze opravit opravnými enzymy, které procházejí DNA buňky: proces excize-resyntézy , transkylace ...
Mohou však existovat důsledky pro replikaci DNA, které mohou generovat mutace, jejichž pravděpodobnost se liší podle fáze (existují čtyři z nich) buněčného cyklu, ve kterém se buňka nachází.
Existuje pět hlavních typů poškození DNA:
Léze DNA záření nejsou přímo pozorovatelné, neodrážejí se ve strukturních anomáliích nebo změnách v počtu chromozomů viditelných pod mikroskopem během kondenzace chromozomu.
Ionizující záření může také narušit průběh buněčného cyklu a způsobit buněčnou smrt s vědomím, že buňka je radiosenzitivnější ve fázi G2 a ve fázi M. Mitochondrie jsou velmi radiosenzitivní, bobtnají a jsou zničeny během několika hodin. Oprava je pozorována po jednom nebo dvou dnech. Radiační poranění cytoplazmy jsou obvykle léčitelná, zatímco poranění jádra obvykle způsobí buněčnou smrt, pokud je dávka velká. Pouze DNA vazby způsobují dlouhodobé účinky, a to za několik dní.
Studie vlivu ionizujícího záření na poškození DNA ukazuje, že pozorované poškození je kvalitativně stejné jako poškození, které spontánně utrpí buňky, ale ne jejich distribuce. Vezmeme-li v úvahu vše, vystavení buňky ionizujícímu záření zvyšuje podíl dvouvláknových zlomů, můstků DNA / DNA a můstků DNA / proteinů.
Poškození DNA | Spontánní léze / buňka / dny | Radiačně indukované léze / Gy | Poměr 1 Gy / přírodní |
Přerušení jednoho vlákna | 10 000 až 55 000 | 1000 | 0,03 |
Základní ztráta | 12 600 | neposuzováno | |
Základní poškození | 3200 | 2 000 | 0,1 |
Přerušení dvou pramenů | 8 | 40 | 5 |
DNA / DNA můstek | 8 | 30 | 4 |
DNA-proteinový můstek | trochu | 150 | ~ 50 |
multilésés weby | neohodnoceno | trochu |
Účinek ionizujícího záření na indukci mutací, transformaci buněk a ztrátu proliferační kapacity neodpovídá účinkům izolovaných lézí, ale je vysvětlen vytvořením klastrových lézí, které vedou k dvojitým zlomům. -Pramen nebo jiné více komplexní léze. "Ionizující záření produkuje přesné léze molekul DNA, náhodně distribuovaných." Tyto velmi nestabilní léze, nazývané primární, budou z velké části věrně opraveny. Léze, které uniknou z procesu opravy, mohou vést ke stabilním reziduálním lézím, které jsou jediné schopné biologické exprese. "
Oprava lézí zahrnuje nejpozoruhodnější enzymy, které známe. "Přerušení jednoho vlákna jsou opravena během několika sekund nebo minut." Většina ostatních zranění je opravena během několika hodin. "
"Vzhledem k vícestupňovému mechanismu karcinogeneze není známo, zda linearita dávka-odezva pro komplexní primární poškození DNA a poškození fixovaných buněk, které je kritické, vede k lineárnímu vztahu dávka-odezva, pokud jde o rakoviny vyvolané radiační expozicí." "
Dlouhodobý účinek závisí na dávce a dávkovém příkonu: pro mnoho genů je transkripce buněčných genů modifikována mnohem nižšími dávkami (řádově mSv ), než pro které je pozorována mutageneze; a proto v závislosti na dávce a dávkovém příkonu nejsou transkribovány stejné geny.
Následně bude mutace přenesena během buněčného dělení, ale vývoj abnormální buňky bude záviset na jejím prostředí: proces karcinogeneze naráží na účinné obranné mechanismy na úrovni tkáně a organismu, které musí být samy vineny rakovina se objeví.
Dávkový příkon, pro který je počet dvouvláknových zlomů v důsledku ozáření stejný jako rychlost produkovaná během stejné doby buněčným metabolismem v proliferujících buňkách (endogenní CDB), je 5 mGy / min; toto číslo je v obou případech 0,14 dvouvláknových zlomů za minutu.
Účinky ionizujícího záření zahrnují širokou škálu reakcí, které se navzájem velmi liší v závislosti na dávce, klinických projevech, časové posloupnosti a odpovídajících prognózách. Kvůli pohodlí jsou efekty často rozděleny do dvou širokých kategorií:
V prvních zprávách UNSCEAR bylo v bezprostředním poválečném období hlavním identifikovaným rizikem genetické riziko, které lze akumulovat z jedné generace na druhou. U lidí však nikdy nebyl pozorován žádný dědičný účinek, děti přeživších atomových bombových útoků na Hirošimu a Nagasaki (největší kohorta studovaná pro účinky ozáření) nikdy nepředstavovaly žádné pozorovatelné následky, což ukazuje, že relativně mírná expozice může mít jen minimální dopad i na relativně velkou populaci. V případě savců nebyly experimentálně prokázány žádné genetické poruchy, včetně ozáření 2 Gy na generaci během 83 po sobě jdoucích generací.
Po tomto pozorování bylo hlavním rizikem zmíněným pro nízké dávky ozařování riziko vzniku nadměrné rakoviny.
Vznikají hlavně spálením nebo ochuzením počtu buněk schopných reprodukce nebo opravy v ozářených tkáních a objevují se pouze v přítomnosti dostatečně velkých dávek, aby zničily mnoho těchto buněk. O těchto efektech se říká, že jsou „ nestochastické “ nebo deterministické .
Akutní poranění byla běžná u prvních pracovníků vystavených ionizujícímu záření a u prvních pacientů podrobených radioterapii . Prakticky zmizely po zlepšení bezpečnostních opatření a metod léčby, nebo jsou spojeny s průmyslovými nehodami ( např. Černobylská katastrofa ) a vzácněji se zdravotními nehodami .
Závažnost těchto generalizovaných ozařování závisí na dvou faktorech: 1) přijatá dávka, 2) radiosenzitivita, která se liší podle jednotlivců (věk, genetické dědictví a další zdroje lidského polymorfismu ospravedlňující odlišnou reakci ozářených organismů) a možné fenomén „ radioadaptace “. Důsledky sahají od odloženého rizika , stále špatně pochopeného, po smrt, rychlé nebo opožděné po vzniku rakoviny, nádorů, leukémie, infekcí atd.
Jedná se zejména o mutagenní a karcinogenní účinky , považované za stochastické jevy vyplývající z náhodných molekulárních změn v jednotlivých buňkách, jejichž frekvence se zvyšuje jako lineární funkce dávky.
Existuje také větší riziko vzniku kardiovaskulárních onemocnění .
Reakce na velmi lokalizované záření, produkované vnějším zdrojem nebo radionuklidem uloženým uvnitř těla, má tendenci se projevovat pomalu s několika příznaky nebo známkami směrem ven, pokud není ozářený objem tkáně nebo dávka není relativně velká (hořet, pak rychle viditelný).
Některé radionuklidy, jako je například tritium ( 3 H), uhlík 14 ( 14 C) a cesia 137 ( 137 Cs), mají sklon k rozdělení po celém těle, produkovat celkové ozáření.
Jiní naopak cílí spíše na konkrétní orgány, což způsobuje velmi lokalizované léze. Například radium a stroncium-90 ( 90 Sr) jsou v podstatě fixovány v kosti, zejména způsobují kostní léze, zatímco radioaktivní jód se koncentruje ve štítné žláze, které je dosaženo jako první.
Byly studovány přinejmenším od 60. let. Od té doby byly kromě více či méně škodlivých přímých účinků na rostliny (úmrtnost, zpomalený růst, mutageneze atd.) Pozorovány i obecnější účinky, včetně indukované mikroklimatické modifikace .
V šedesátých letech byl tedy les dubů a borovic experimentálně vystaven Brookhavenskou národní laboratoří ( BNL ) gradientu radioaktivity zvyšující se od okraje ke středu lesa. Za tímto účelem umístil BNL do středu lesa silný zdroj gama záření (22. listopadu 1961 ). V následujících letech pozorovali laboratorní vědci pod záštitou americké komise pro atomovou energii zejména pokles evapotranspirace (kumulativní průměr za celý rok) z expozice radioaktivitě o 11,5 Röntgens / den ve srovnání s nepoškozenými oblastmi. V nejvíce radioaktivních oblastech (> 160 R / den, v gama záření ), kde přežilo jen několik rozptýlených bylin , byla kumulativní evapotranspirace asi 85% evapotranspirace neporušeného lesa s lineárním vztahem mezi evapotranspirací lesa a radioaktivitou ( s výjimkou období sucha, kdy byla evapotranspirace snížena všude.
Izotopy radioaktivní stopovací látky mohou být použity v vyšetření lékařské zobrazování ( in vivo ) nebo lékařské biologie ( in vitro ).
Po možné neviditelné a nepředpokládané expozici, a zejména při absenci vnitřního kontaminantu emitujícího beta nebo gama, je pro lékaře nebo pacienta obtížné rychle podezřívat nebo diagnostikovat biologický útok. Určité molekulární markery nelze ve skutečnosti snadno odlišit od těch, které charakterizují expozici DNA jiným mutagenním nebo škodlivým látkám.
Nejznámější příznaky a biologické markery (např. Vnější nebo vnitřní popáleniny, nevolnost, kolaps bílých krvinek) se často objevují pouze tehdy, když je poškození tkání nebo genomu značné a někdy příliš pozdě na to, aby se s nimi zacházelo stejně jako možný. I poškození z vážného nebo smrtelného ozáření není okamžitě patrné.
Vědci doufají, že budou schopni během několika let vytvořit rychlý diagnostický test, který dokáže detekovat změny v mikroRNA (nebo miRNA) přítomných v krvi, aby mohli vybrat a léčit oběti dříve, možná ještě dříve, než se objeví viditelné příznaky.
Vědci z Harvard Medical School v Bostonu v roce 2015 oznámili, že začali - u laboratorních myší - studovat, jak by miRNA analýza krve mohla poskytnout další informace, pokud jde o rozsah a závažnost poškození vyvolaného zářením, nebo dokonce o pravděpodobnosti přežití ozářené osoby (krátkodobé, střednědobé nebo dlouhodobé přežití). Našli u myší 170 různých miRNA a klasifikovali je do 5 rozpoznatelných skupin vzorců. Nejvíce ozářené myši měly mnohem nižší hladinu jednoho z těchto pěti typů miRNA a naopak výrazně vyšší hladiny ostatních čtyř (ve srovnání s méně ozářenými myšmi). Autoři dospěli k závěru, že časná analýza krevních miRNA by umožnila detekci nedávné expozice (již 24 hodin expozice), a to i v případech, kdy detekce prvního viditelného poškození bílých krvinek a krevních buněk trvala 15 dní.
Stejná analýza miRNA by mohla být experimentálně použita k prokázání, že transplantace kostní dřeně by zachránila myš navzdory vystavení smrtelnému záření.
Takový test by také pomohl lékařům lépe se rozhodnout, zda se pokusí o transplantaci kostní dřeně nebo jinou léčbu, než se poškození rozšíří do dalších orgánů.
V případě vážné nehody nebo jaderného útoku akční plány vždy stanoví, že třídění pacientů bude zaměřovat lékařské zdroje na ty, kteří je nejvíce potřebují a / nebo mají největší šanci na přežití. V takovém kontextu může být analýza miRNA „zvláště užitečná pro indikaci stupně zhoršení hematopoetického systému jedince, což je při hodnocení možností léčby důležitější než pouhé měření dávky záření“, poznamenává Yoshihisa Matsumoto (biolog specializující se na účinky záření Tokijský technologický institut.
Autoři však trvají na skutečnosti, že před provedením rutinního diagnostického testu pro člověka; je třeba především potvrdit, že u lidí existují stejné miRNA (nebo podobné molekuly) (z čehož vyplývá spolupráce s institucemi, které odebíraly a uchovávaly vzorky krve od obětí radiačních nehod). Tvar těchto miRNA se navíc mohl měnit v průběhu času a / nebo v závislosti na jednotlivci; a pak možná sníží přesnost testu. Nakonec se tento test týká pouze nejrychlejších účinků akutního ozáření a neříká nic o možných opožděných účincích nízkých dávek, zejména o možnosti dlouhodobého rozvoje rakoviny .