Jonizuojančiosios spinduliuotės biologinis poveikis
Jonizuojančioji spinduliuotė, sąveikaudama su gyvaisiais organizmais, sukelia pakitimus molekulėse ir pažeidžia ląsteles. Jonizuojančiosios spinduliuotės biologinį poveikį aiškina tiesioginio ir netiesioginio poveikio teorijos. Pagal netiesioginio poveikio teoriją pirmiausia jonizuojamos ląstelėje esančios vandens molekulės, susidaro laisvieji radikalai, kurie, sąveikaudami su DNR molekule, sukelia joje struktūros ir cheminius pokyčius. Manoma, kad 70% jonizuojančiosios spinduliuotės sąveikos su ląstele atvejų vyksta per netiesioginį poveikį. Pagal tiesioginio poveikio teoriją jonizuojančioji spinduliuotė veikia ląstelę tiesiogiai ją pažeisdama. Pagrindinis taikinys yra DNR molekulė, kurioje atsiradę trūkiai atstatomi, nepilnai atstatomi arba neatstatomi. Tais atvejais, kai atsiradę pažeidimai nepilnai atstatomi ar atstatomi neteisingai, įvyksta ląstelės pakitimai (modifikacijos ir mutacijos), kurios gali būti perduodamos sekančioms ląstelių kartoms. Po tam tikro laiko iš pakitusių ląstelių gali išsivystyti vėžiniai susirgimai. Apšvitinus lytines ląsteles gali būti stebimi paveldimi efektai, pasireiškiantys sekančiose kartose. Dėl pakitusių ląstelių pasireiškiantis (po metų, dešimtmečių) žalingas poveikis nepriklauso nuo gautos dozės dydžio, bet tikimybė jam atsirasti yra tiesiogiai proporcinga gautai dozei. Tokie efektai vadinami atsitiktiniais arba stochastiniais. Jeigu pažeista ląstelė nesugeba atstatyti pažeidimų, ji žūsta arba nustoja dalintis. Žuvus dideliam ląstelių skaičiui sutrinka audinio ar organo funkcijos. Tokie efektai vadinami lemtaisiais arba determinuotaisiais. Lemtieji efektai pasireiškia gavus didesnes nei slenkstinė dozes ir jų sunkumas priklauso nuo gautos dozės dydžio. Kuo gauta dozė didesnė, tuo laikotarpis, per kurį pasireiškia klinikiniai simptomai, yra mažesnis. Determinuotojų efektų simptomai pasireiškia gana greitai, – po valandų, dienų, savaičių. Gavus dideles apšvitos dozes, pasireiškia ūmus radiacinis sindromas, kurio yra išskiriamos 4 fazės (1 lentelė).
1 lentelė. Ūmaus radiacinio sindromo fazės
Fazė
Trukmė
Pasireiškimo Kelios valandos – kelios dienos
Latentinė Viena – trys savaitės
Kritinė Nuo antros iki septintos savaitės
Atsistatymo 8-15 savaitės
Pasireiškimo fazėje galimi klinikiniai simptomai yra pykinimas, vėmimas, viduriavimas, karščiavimas, eritema, orientacijos sutrikimas, silpnumas, koma, konvulsijos, šokas, mirtis.
Po pasireiškimo fazės seka latentinė fazė, kurios metu žymūs klinikiniai simptomai nestebimi.
Sekanti fazė – kritinė fazė. Jos metu pasireiškiantys klinikiniai simptomai yra: karščiavimas, infekcijos, pilvo, galvos skausmai, hemoragija, plaukų nuslinkimas, svorio mažėjimas, vėmimas, pykinimas ir kt.
Po kritinės fazės seka mirtis arba atsistatymo fazė, kuri trunka vidutiniškai nuo aštuntos iki penkioliktos savaitės po ūmios apšvitos.
Jonizuojančiosios spinduliuotės žala priklauso nuo gautos apšvitos dozės ir jos pasiskirstymo kūne. Ūmios apšvitos metu gavus 3,5 Gy sugertąją dozę ir negydant, per pirmus du mėnesius pusei gavusiųjų ši dozė bus mirtina. Esant gerai pacientų priežiūrai ir gydymui, laikoma, kad pirmus du mėnesius išgyvena pusė gavusiųjų 3,5 Gy sugertąją dozę. Pagal (ICRP) ir Jungtinių tautų mokslinis komiteto jonizuojančiosios spinduliuotės efektams tirti (UNSCEAR) pasaulyje atliktų epidemiologinių tyrimų apibendrintus duomenis, suaugusiam žmogui determinuotuosius efektus gali sukelti tokios ūmios apšvitos dozės:
• trumpalaikį limfocitų skaičiaus sumažėjimą kraujuje – 0,5 Sv efektinė dozė;
• sėklidžių laikiną sterilumą – 0,15 Sv lygiavertė dozė;
• visišką sėklidžių sterilumą – 3,5 -6,0 Sv lygiavertė dozė;
• kiaušidžių sterilumą – 2,5-6,0 Sv lygiavertė dozė;
• akių lęšiuko drumstumą (kataraktą) 5 Sv lygiavertė dozė.
Jonizuojančiosios spinduliuotės ilgalaikiai efektai pasireiškia vėžio išsivystymu. Šiuo metu yra nustatyta, kad jonizuojančioji spinduliuotė sukelia leukemijas, virškinamojo trakto, plaučių, skydliaukės vėžinius susirgimus. Po Černobylio AE avarijos yra užfiksuota apie 1000 skydliaukės vėžinių susirgimų Baltarusijos ir Ukrainos vaikų tarpe. Siekiant nustatyti dozes, kurios sukelia susirgimus, reikalingos išsamios žinios apie radionuklidų, patekusių į žmogaus organizmą, pasiskirstymą, kaupimąsi, poveikį kamieninėms ląstelėms. Tačiau, nors ir yra atlikta daug epidemiologinių tyrimų, įvertinti jonizuojančiosios spinduliuotės riziką, išreikštą grėjais ir sivertais, yra labai sudėtinga. Tam, kad būtų galima statistiškai patikimai įvertinti riziką, kurią sąlygoja dauguma radionuklidų, yra nepakankamas apšvitintų žmonių skaičius arba gautos apšvitos dozės yra per mažos.
Daugiau informacijos apie jonizuojančiosios spinduliuotės biologinį poveikį bei gydymą pasireiškus ūmiai spindulinei ligai, galite rasti krizių valdymo centro puslapyje.
Iš krizių valdymo centro tinklalapio
Dozės dilema
Besiplečiantis radiacijos ir branduolinės energijos naudojimas kelia vis didesnį visuomenės ir profesionalų susidomėjimą galimu pavojumi ir sveikatos apsaugos problemomis. Viena iš pagrindinių tarptautinių organizacijų, nagrinėjanti radiacinės saugos problemas, yra Tarptautinė radiacinės apsaugos komisija. Remiantis naujausiais biologiniais stebėjimais, epidemiologiniais tyrimais ir kitais eksperimentais, rekomenduojamos radiacinės saugos sistemos ir leistinos dozės. Dažnai tokių normų laikymasis yra susijęs su didelėmis išlaidomis. Dėl šios priežasties radiacinės biologijos ir radiacinės saugos srityse vyksta moksliniai ginčai ir diskusijos. Jų esmė – išsiaiškinti, kokia radiacijos dozė yra nepavojinga. Tam tikros radiacijos dozės pavojingumą rodo jos sukeliamas biologinis efektas.
Biologinis radiacijos efektas, atsižvelgiant į radiacinę saugą skirstomas į dvi kategorijas: nulemtąjį (determinacijos) ir atsitiktinį (stochastinį
Nulemtieji efektai
Atsiranda tik nuo tam tikros (“slenkstinės”) dozės.
• Kuo dozė didesnė, tuo pažeidimas sunkesnis.
• Turi sutrikti daugelio ląstelių funkcija ar daug ląstelių turi žūti.
Nulemtasis efektas būna vietinis: eritema, fibrozė, kaulų čiulpų pažeidimas ir bendrasis: ŪSL (ŪRS).
Nulemtasis efektas atsiranda, kai “slenkstinė” reliatyviai didelė dozė (daugiau kaip 500-1000 mSv), absorbuota audiniuose, sukelia daugelio ląstelių žūtį, dėl to po apšvitinimo greitai pažeidžiamas organas ar sutrinka jo funkcija. Toks efektas lengvai nustatomas laboratorinių ar klinikinių tyrimų metu.
Determinacijos (nulemtųjų efektų) teorijos argumentai
• Jei dozė mažesnė kaip 200 mSv, paveldimumo patologija pirmosios kartos palikuonims žmonių, išlikusių po atominės bombos sprogimo, nepasireiškia.
• Nėra pastebimos rizikos net ir tose vietovėse, kur natūralus radiacijos fonas įprastinį viršija 3-10 kartų.
• Audiniuose, kuriuose kelioms ląstelėms pasireiškė mutacija dėl radiacijos poveikio, kancerogenezė nebuvo svarbiausias kinetinis procesas.
• Kelių DNR spiralės elementų ar jungčių pažeidimas ląstelei neturi jokios įtakos, nes atsinaujinimas ir teigiami pokyčiai dėl kitų endogeninių ar egzogeninių faktorių poveikio vyksta daug greičiau.
• Dozė būtų “slenkstinė” tik tuo atveju, jei slaptasis ekspozicijos laikas būtų gana ilgas, palyginti su žmogaus gyvenimo trukme.
• Mažos dozės nesukelia jokių pastebimų biologinių pokyčių ar sveikatos pakitimų.
• Stochastinę teoriją tikslinga taikyti tik kaip rizikos įvertinimo priemonę.
• Efekto pasireiškimo “slenkstinės” dozės nėra (arba ji nežinoma).
• Kuo dozė didesnė, tuo efekto pasireiškimo tikimybė didesnė.
• Efektas gali pasireikšti pažeidus net vieną ar tik kelias ląsteles.
Pavyzdžiai: neoplazmos, paveldima patologija.
Atsitiktiniai efektai
Atsitiktinis efektas galėtų atsirasti, jei reliatyviai maža dozė (10-200 mSv) vėliau sukeltų pasekmes: auglius ir paveldimumo patologiją. Maža dozė yra nustatyta remiantis epidemiologiniais stebėjimais bei ląstelių radiacinės biologijos tyrimo būdais. Ląstelių struktūra kinta ir atsinaujinimas vyksta, jei dozė yra 10-100 mSv, o jei ji yra ne didesnė kaip 200 mSv, sukelti vėžio tikrai neturėtų (paveldimumo patologija pirmos kartos palikuonims žmonių, išlikusių po atominės bombos sprogimo, nepasireiškia, tačiau tokia tikimybė yra nustatyta radiacinės biologijos eksperimentinių stebėjimų metu).
Stochastinės (atsistiktinių efektų) teorijos argumentai
• 1928m. Miuleris eksperimentais nustatė, kad radiacija daro genetinį poveikį drozofiloms.
• Radiacinės biologijos ląstelių kultūros eksperimentiniai stebėjimai daugeliu atvejų patvirtina dozės ir efekto linijinį priklausomumą , jei dozė yra maža arba jei ji didėja iki 1 Gy.
• Paskutinių tyrinėjimų duomenys rodo, kad pavojus susirgti skydliaukės ir krūties vėžiu yra didesnis, jei vaisius apšvitinamas 10-100 mGy doze.
• Žmonių, išlikusiųjų po atominės bombos sprogimo, pirmosios palikuonių kartos paveldimumo patologijos pavojus reikšmingai padidėja, jei dozė didesnė kaip 50 mGy, tačiau akivaizdu, kad rizika susirgti jei ji mažesnė kaip 100 mGy yra labai maža.
• Černobylio avarijos likvidatoriams iki 1995m. dažniau negu kitiems žmonėms atsirasdavo piktybinių virškinimo trakto auglių (vidutinė jų apšvitinimo dozė tirtoje kohortoje maždaug 108 mGy).
• Tyrimai rodo, kad dvigubų jungčių DNR grandinėje nutraukimo padariniai, jei jos neatnaujinamos, yra daug reikšmingesni už viengubų jungčių suardymą.
Radiacijos efektas priklausys nuo šių faktorių:
• Radiacijos šaltinio aktyvumo.
• Apšvitinimo trukmės, periodiškumo.
• Apšvitinimo tipo ( vidinis ar išorinis ).
• Radiacijos šaltinio skilimo tipo.
• Radionuklido patekimo į organizmą kelio.
• Biologinio radionuklido afiniteto.
• Biocheminės radionuklido apykaitos būdo.
• Radionuklido skilimo pusperiodžio.
• Kitų traumų, ligų.
• Nukentėjusiojo amžiaus, lyties.
• Bendrosios sveikatos būklės.
• Medicinos pagalbos efektyvumo ir nuoseklumo
Radiobiologija
Kraujodaros sistema
Kraujodaros ir limfinės sistemos ląstelės yra labai jautrios radiacijai. Jautriausios kamieninės kaulų čiulpų ir limfinės sistemos ląstelės, esančios blužnyje, kepenyse, limfmazgiuose ir užkrūčio liaukoje. Cirkuliuojančiame kraujyje labiausiai jautrūs limfocitai. Net nedidelis apšvitinimas gali greitai sumažinti limfocitų kiekį kraujyje, todėl jų sumažėjimas yra svarbus apšvitinimo dozės nustatymo kriterijus. Mažiausiai jautrūs trombocitai ir eritrocitai, matyt, todėl, kad neturi branduolio. Po apšvitinimo pakitimų periferiniame kraujyje atsiranda tik po kelių dienų ar savaičių, nes subrendusios kraujo lastelės radiacijai atsparios. Pasibaigus brandžių kraujo lastelių gyvavimo laikui, dėl eritrocitų, trombocitų ir leukocitų sumažėjimo atsiranda anemija, hemoragija, infekcija.
Lytinė sistema
• Vyro dauginimosi sistemoje radiacijai labiausiai jautrios besidauginančios lytinės ląstelės. Subrendę spermatozoidai ir intersticinės sėklidžių ląstelės, reguliuojančios hormonų pusiausvyrą, radiacijai yra atsparios.
• Net po 6Gy sterilizacinio apšvitinimo brandūs spermatozoidai išlieka gyvybingi, bet jų genetinė informacija gali būti sutrikusi. Nevaisingumas atsiranda po 64-72 dienų, t.y. tiek , kiek trunka spermatogenezė.
• Po radiacinės sterilizacijos potencija, prostatos funkcija, balsas, plaukuotumas, lytinis elgesys nepasikeičia.
• Mažesnės kaip 6Gy dozės nuolatinio nevaisingumo nesukelia, paprastai vaisingumas ir normalus spermatozoidų kiekis visiškai atsinaujina po 1-2 metų.
• Vyresnėms kaip 40m. moterims 2Gy dozė sukelia visišką, nuolatinį nevaisingumą ir ankstyvą menopauzę su visais išorinių lytinių požymių ir elgesio pokyčiais, nes žūva visi bręstantys folikulai. Jaunesnėms kaip 35m. moterims tokia pati dozė sukelia laikiną nevaisingumą, 1,5-5 Gy dozė 50% tokių moterų sukelia menopauzę.
Vaisius
• Vaisius yra labai aktyvi proliferacinė sistema, kurioje yra daug nediferencijuotų ląstelių, todėl yra labai jautrus (1cGy).
• Vaisiaus pažeidimas radiacija pasireiškia klasikine triada:
intrauterininio augimo sutrikimu;
embriono, vaisiaus ar naujagimio mirtimi;
įgimtais augliais.
• Reliatyviai silpnas apšvitinimas sutrikdo kiušialąstės apvaisinimą arba zigotos implantaciją.
Virškinimo sistema
Radiacijai labai jautrus virškinimo trakto epitelis. Po apšvitinimo anksčiausiai pasireiškia plonųjų žarnų epitelio deskvamacija, gaureliai apsinuogina, atsiranda opų, sepsinė žarnų sienelių infiltracija. Viršutinės virškinimo trakto dalies (ryklės, stemplės, skrandžio) pažeidimas pasireiškia sausumu, peršėjimu ir smulkiomis petechijomis ryklėje bei stemplėje, druskos rūgšties ir pepsino sekrecijos slopinimu, pykinimu, vėmimu. Apatinės virškinimo trakto dalies (storosios žarnos) pažeidimas pasireiškia skysčių ir elektrolitų netekimu per žarnos sienelę ir diarėja.
Oda
Odos jautrumas radiacijai yra sąlyginis. Odos pažeidimas priklauso nuo dozės, jos pasiskirstymo ir apšvitinimo tipo. Sąlyginai mažas apšvitinimas sukelia odos paraudimą ir laikiną depiliaciją. Sąlyginai didelis apšvitinimas sukelia nuolatinę odos depiliaciją gilesnių odos struktūrų ( kraujagyslių tinklo, prakaito ir riebalų liaukų germinacinio sluoksnio, jungiamojo audinio) pažeidimą. Odą paveikus 2 Gy arba didesne doze, pasireiškia radiacinis dermatitas: iš pradžių – pirminė eritema, sausa deskvamacija, edeminė eritema, šlapia deskvamacija ir pūslės, nekrozė, vėliau – atrofija, gili fibrozė, hiperpigmentacija, sausmė). Didesnė kaip 10Gy lokalaus apšvitinimo dozė sukelia ir gilesnių audinių pažeidimą, (raumenų, kaulų), todėl prarandama galūnės ar audinių segmentai. Ilgalaikis odos apšvitinimas sukelia hiperkeratozę, opas, pakitusią odos trofiką, vėliau ir odos karcinomą.
Gleivinė
Visa gleivinė yra jautri radiacijai. Po stipresnio apšvitinimo per dvi savaites atsiranda sausmė, peršėjimas, petechijų ir opelių. Trečią savaitę gleivinė pabrinksta, atsiranda hipersekrecija, storų apnašų. Vėliau atsiranda fibrozinių pakitimų, lėtinių opų, trofikos sutrikimų
Akies lęšiukas
• Nors pats lęšiukas atsparus radiacijai, 2-6 Gy dozė sukelia kataraktą.
• Paprastai toks apšvitinimas pažeidžia tik nedaugelį lęšiuko ląstelių, tačiau jos turi tendenciją migruoti į centrą ir galinį lęšiuko polių. Katarakta pasireiškia po slaptojo 2 – 35 metų laikotarpio.
Kiti organai
Apskritai kiti organai radiacijai yra atsparūs. Organų funkcija sutrinka dažniausiai dėl jungiamojo audinio ir kraujagyslių tinklo pažeidimo. Jei dozė didesnė kaip 10 Gy, po 4-6 mėn. prasideda radiacinis plaučių uždegimas, jei ji labai didelė po 6 mėn. ar vienerių metų pasireiškia fibrozė. Panašios dozės sukelia obliteracinį kraujagyslių endarteritą. Jei dozė – 30 Gy, po 2-3 metų pasireiškia nefrosklerozė, nefritas, inkstų kilmės hipertenzija, bei nepakankamumas. Didelį pavojų kelia skydliaukės pažeidimas, kuris pradžioje gali pasireikšti hiperfunkcija, o vėliau pereiti į hipotireozę. Prie kritinės žmonių grupės priskiriami vaikai, nėščios ir žindančios moterys. Kadangi vaikų skydliaukė maža, todėl jiems net 2-10 kartų mažesnė apšvitinimo dozė sukelia tokį patį efektą kaip ir suaugusiems. Žmonėms didesnė jodo izotopo dalis prasiskverbia per nėščių moterų placentą ir kaupiasi vaisiaus organizme. Daug jodo izotopo patenka į žindyvių pieną, taigi ir į kūdikio organizmą. Skydliaukės pažeidimas sukelia kitus hormoninės sistemos organų pažeidimus – sutrinka neuroendokrininė reguliacija. Atsiranda širdies ir kraujagyslių bei kitų sistemų pažeidimų.
Nervinė sistema
Nervinės ląstelės, ypač periferinių nervų, yra labai atsparios radiacijai. Tik labai stiprus apšvitinimas (daugiau kaip 5000 R) gali sukelti CNS pažeidimą. Tačiau ir mažesnės dozės gali sukelti kraujagyslių pažeidimą, edemą, dėl kurios sutrinka CNS funkcija
Molekulė, chromosoma, ląstelė
• Radiacija, perduodama energiją, sukelia jonizaciją ar atomų skilimą.
• Radiacijos perduodama energija sukelia tiesioginį ar netiesioginį molekulių pažeidimą audiniuose.
• Tiesioginis poveikis pasireiškia labai svarbių biologinių sistemų molekulių atomų jonizavimu, todėl molekulė inaktyvuojama ar sutrinka jos funkcija: nutrūksta DNR, fermentų molekulių jungtys.
• Netiesioginis poveikis pasireiškia laisvųjų radikalų susidarymu (vandens radiolizė, vandenilio peroksido, laisvojo deguonies, vandenilio ir kt. toksinių medžiagų atsiradimas). Jie, darydami toksinį poveikį svarbioms molekulėms, sukelia neigiamą biologinį efektą.
Pirmiausiai pažeidžiama DNR molekulė, ypač replikacijos stadijos metu. DNR pažeidimo lygis: atskiro nukleotido pažeidimas, jungčių tarp amino rūgščių nutraukimas, atskiro DNR fragmento nutraukimas -priklauso nuo jonizuojančios spinduliuotės intensyvumo. DNR atnaujinimo mechanizmas yra aktyvus. Jį užtikrina fermentai DNR polimerazė ir DNR ligazė. Šio mechanizmo efektyvumas priklauso nuo pažeidimo lygio. Jei pažeidimų daug, fermentai nespėja jų pašalinti, todėl chromosomos praranda savo dalis, būna sulipusios ar turi papildomų elementų
Chromosomų pažeidimas sukelia ląstelės dauginimosi sutrikimą – nuo mutacijos iki žuvimo. Ląstelės struktūrų membranų funkcijų sutrikimas dėl membranų baltymų pažeidimo sukelia ląstelės žūtį dėl vidinių fermentų (lizosomų) poveikio ar sutrikdo jos funkciją. Pagal Bergonie-Tribondą radiacijai yra jautriausios šios lastelės:
mažai diferencijuotos (neaišku kodėl, bet įrodo eksperimentai);
aktyviai besidauginančios;
tos, kurių mitozės fazė ilga