Биологические эффекты

1.

Биологические эффекты
ионизирующего излучения
Ю.Н. Мартынюк
НПП «Доза»
www.doza.ru [email protected]

2.

История
1895 г.
Открытие рентгеновских (X)
лучей.
1901 г. – первая
Нобелевская премия по
физике
Вильгельм Конрад Рентген

3.

История
1896 г. Открытие
радиоактивности.
Нобелевская премия по физике
1903 г.
Антуан Анри Беккерель

4.

История
1898 г.
Открытие полония
и радия
Нобелевская премия
по физике 1903 г.
Мария и Пьер Кюри

5.

Ионизация
J.J. Thomson
Начало 1896 года
Открытие эффекта ионизации воздуха
рентгеновским излучением
A.H. Becquerel
Середина 1896 года.
Открытие ионизирующих свойств у
излучения урана

6.

История
Первые исследования воздействия радиации на живые
объекты.
1896 г.
Первые сообщения о лучевом поражении кожи (эритема)
1902 г.
Первое сообщение о радиационно-индуцированном раке
кожи.
1914 г.
Данные о 114 случаях рака у рентгенологов.

7.

История
Косметика на основе радия и тория

8.

Радиобиологический парадокс
Эффект воздействия многократно
превосходит энергию воздействия
Например, летальная доза гаммаизлучения нагревает тело человека на
0,001 0С.
Это свидетельствует о том, что
воздействию подвергаются управляющие
системы организма

9.

Информационое воздействие
воздействие
Нормальный сценарий
Исходная
информация
Правильное
действие
Ненормальный сценарий
Неправильное
действие

10.

Белки
• В организме человека по разным
оценкам от 30000 до 120000 видов
белков
• Белки осуществляют основные функции
организма: метаболизм, движение,
гуморальную регуляцию, нервную
активность, размножение и т. д.
• Белки определяют индивидуальность
каждого организма

11.

АМИНОКИСЛОТЫ
• Глицин, лейцин, тирозин, серин,
глутаминовая кислота, аспарагин,
аспарагиновая кислота, фенилаланин,
аланин, лизин, аргинин, гистидин,
цистеин, валин, пролин, триптофан,
изолейцин, метионин, треонин

12.

Белки

13.

SAR белок
Примеры структур белка
миозин
иммуноглобулины
гемоглобин

14.

Клетка
Строение клетки эпителия

15.

Дезоксирибонуклеиновая
кислота (ДНК)
Нуклеотиды (основания):
аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г или G), цитозин (Ц или C)
Водородные
связи

16.

Генетический код

17.

18.

Роль ДНК в метаболизме

19.

Гены
• Для управления нормальными
функциями клеток млекопитающих
требуется 60000 – 70000 генов.
• Это всего 3% от общего объема ДНК

20.

Клетка, хромосомы

21.

Действие излучения на ДНК
прямое (35%)
косвенное (65%)

22.

Свободные радикалы
Радиолиз
Образование свободных
радикалов
Время жизни
радикалов: 10-5 с
Расстояние –
несколько нм

23.

Повреждение ДНК
двойной разрыв
молекулярной цепочки
одиночный разрыв
молекулярной цепочки
сложное повреждение

24.

Модель ионизации в клетке
Доза 10
мГр
Гамма 1
МэВ.
150 пар
ионов
Доза 10
мГр
Нейтроны
1 МэВ.
6500 пар
ионов

25.

Повреждение ДНК
Тип повреждения
Выход (число дефектов на клетку на 1 Гр)
гамма-излучение
Однонитевые разрывы
1000
Повреждение оснований
500
Двунитевые разрывы
40
Поперечные сшивки
ДНК - белок
150

26.

Облучение клетки
изменений нет
излучение
попало в
клетку
мутация ДНК

27.

Клетка после облучения
Мутация Клетка жизнеспособна
исправлена
Клетка нежизнеспособна
Смерть клетки
Рак?
Мутация ДНК
Клетка спасена
но мутирована

28.

Деление клетки

29.

Восстановление
Тело человека содержит около 1014 клеток.
Поглощенная доза 1 мГр в год (естественный
фон) создает около 1016 ионизации, что можно
оценить как 100 на клетку. Если
предположить что масса ДНК составляет 1%
массы клетки, в результате происходит одна
ионизация в ДНК в каждой клетке каждый год.
Благодаря механизмам восстановления или
«репарации», не наблюдаем большого числа
мутаций

30.

Радиочувствительность
Радиочувствительность клетки, ткани или
органа это вероятность их повреждения
при одном и том же воздействии.
Клетка тем более уязвима при облучении,
чем больше и чаще обращается к
генетическому материалу
Максимальная чувствительность при
делении клетки и при интенсивном
синтезе белков

31.

Радиочувствительность
Высокая
Костный мозг
Селезенка
Вилочковая
железа
Лимфоузлы
Гонады
Хрусталик глаза
Лимфоциты
Средняя
Низкая
Кожа
Мускулы
Органы
Кости
мезодерма
Нервная система
(печень, сердце,
легкие…)

32.

Биологические эффекты
Прямое
воздействие
Косвенное
воздействие
Первичный
ущерб
Восстановление
Изменение
клетки
Смерть
клетки
Ущерб
органу
Соматические
клетки
Рост
клетки
Клетки плода
Смерть
организма
Рак,
лейкемия
Наследственные
эффекты
Терратогенные
эффекты
Детерминированные
эффекты
Стохастические
эффекты

33.

34.

Кожа
Гистология кожи
EPIDERMIS
DERMIS
From “Atlas de Histologia...”. J. Boya
Клетки базального слоя,
Эффекты:
- Эритема: 1-24 часа после
облучения дозой 3-5 Гр
- облысение: обратимое 5 Гр;
необратимое 20 Гр.
- пигментация:
обратимое
появляется через 8 дней после
облучения.
- сухое или влажное шелушение:
- доза около 20 Гр
- замедленные
эффекты:
фиброзы

35.

Детерминированный эффект
6-8 недель
18-21 месяц
6-21 неделя
После пластики

36.

Детерминированный эффект

37.

Глаза
• Свертывание белка
происходит при дозах
более 2 Гр
• Два эффекта:
Хрусталик глаза имеет высокую
радиочувствительность.
Эффект
Зв-облучение
одноразовое
Зв/год в теч.
многих лет
непрозрачнос
ть
0.5-2.0
> 0.1
5.0
> 0.15
ухудшение
зрения
(катаракта)

38.

Глаза
непрозрачность

39.

Пороговые дозы при
детерминированных эффектах
• Катаракта хрусталика глаза
2-10 Гр
• Постоянная стерильность
– Муж.
3.5-6 Гр
– Жен.
2.5-6 Гр
• Временная стерильность
– Муж.
– Жен.
0.15 Гр
0.6 Гр

40.

Пороговые дозы
Зависят от того как получена доза:
- одноразовая высокая доза приводит к
большему эффекту
- получение дозы по частям приводит к
значительному увеличению пороговой дозы
- уменьшение мощности дозы приводит к
увеличению пороговой дозы
Пороговые дозы могут быть разными для
разных людей

41.

Летальная доза 50 / 30
Выражает процент летальной дозы
в зависимости от времени.
Означает: “Доза которая вызовет
смерть 50% популяции в течение
30 дней”.
Его значение - около 5 Гр при
облучении всего тела.

42.

Облучение всего тела
Поглощенная
доза (Гр)
Синдромы,
органы
Симптомы
1-2
Костный мозг,
селезенка
Тромбопения,
инфекции
2-5
Желудочнокишечный тракт
диарея,
лихорадка,
электролитический
дисбаланс
>10
Центральная
судороги, тремор,
нервная система атаксия, летаргия,
слабое зрение, кома

43.

Облучение всего тела
Поглощенная
доза, Гр
Терапия
Прогноз
Летальный
исход
1-2
Симптоматическая
Благоприятный
0%
2-5
Переливание
лейкоцитов и
тромбоцитов.
Трансплантация
костного мозга.
Неопределенный
0-90%
5-10
Смягчающая
Очень плохой
90-100%
>10
Симптоматическая
Безнадежный
100%

44.

Аварийное облучение ЧАЭС
Официальные данные МЗ РФ
• Всего работало 1986-1987 гг
• Острая лучевая болезнь
• Летальный исход (100 дней)
• Поражения кожи
• Поражения легких и верхних
дыхательных путей
226242 чел.
134 чел.
26 чел.
59 чел.
80 чел.

45.

Радиочувствительность
Биологический вид
Доза D(50) Гр
Овца
1,5 – 2,5
Осел
2,0 – 3,8
Собака
2,5 – 3,0
Человек
2,5 – 3,5(?)
Обезьяны разных видов
2,5 – 6,0
Мыши разных линий
6,0 – 15,0
Крысы разных линий
7,0 – 9,0
Птицы
8,0 – 20,0
Рыбы
8,0 – 20,0
Кролик
9,0 – 10,0
Хомяк
9,0 – 10,0
Змеи
80,0 – 200,0
Насекомые
10,0 – 100,0
Растения
10,0 – 1500,0
Ярмоненко

46.

Стохастические эффекты
Лейкемия на 100 000
Облученное население
Вся Япония
Необлученное население
Хиросимы

47.

Стохастические эффекты
Рак щитовидной железы диагностированный до 1998г. у детей
которым было от 0 до 17 лет (во время Чернобыльской аварии)
Кол-во
случаев
Thyroid cancer diagnosed up to 1998 among
children 0-17 years at the time of the Chernobyl
accident
300
Number
250
Belarus
200
Russian Federation
150
Ukraine
Total
100
50
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Year
года
Беларусь
Россия
Украина
Всего

48.

Генетические эффекты
Частота (%)
10
5
0
10
20
30
40
поглощенная доза (Гр)

49.

Генетические эффекты
Известно что ионизирующее излучение
вызывает наследственные мутации у многих
растений и животных
но
в результате изучения 70 000 потомков
выживших после атомной бомбардировки не
удалось идентифицировать увеличение
врожденных аномалий, рака, хромосомных
аберрации в лимфоцитах или мутационных
изменений белка крови

50.

Тератогенные эффекты

51.

Тератогенные эффекты

52.

Оценка риска
• Риск = вероятность эффекта
• Оценку риска обычно получают для
больших доз и экстраполируют к малым
дозам

53.

Риск
PROBABILITY OF FATAL CANCER
Детерм.эффекты
Deterministic effects
Observations
10
9
8
7
6
4
3
2
1
0
Наблюдения
5
С
м
е
р
т
е
л
ь
н
ы
й
р
а
к
ABSORBED DOSE
Поглощенная
доза
Риск – это вероятность возникновения стохастических эффектов
Приемлемый риск – менее 10-5

54.

Что происходит при малых дозах?
Область известных эффектов
Эффект
(риск рака)
Существуют
разные подходы к
оценке риска при
малых дозах:
a) Линейная экстраполяция
b) Пороговая доза
c) При малых дозах
величина «риск на единицу
дозы» меньше
d) При малых дозах
величина «риск на
единицу дозы» больше
доза

55.

Особенности импульсного облучения
Импульсное облучение существенно
повышает радиочувствительность для
детерминированных эффектов и несколько
снижает вероятность появления
стохастических при тех же дозах облучения

56.

Выводы (1)
Существует два эффекта от облучения:
- детерминированный
- стохастический
Задача радиационной защиты:
- избегать детерминированных эффектов,
устанавливая дозовые пределы ниже
дозовых порогов этих эффектов;
- уменьшать стохастические эффекты до
разумно достижимых (принцип ALARA - as
low as reasonably achievable)
- уменьшать индивидуальный риск

57.

Выводы (2)
Предполагается, что для стохастических
эффектов порогов нет и их вероятность
пропорциональна полученной дозе, т.е.
безопасной дозы нет.
Ущерб здоровью (публикация 60 МКРЗ)
включает в себя не только угроза смерти
вследствие облучение, но и:
- уменьшение продолжительности жизни;
- заболевания
- наследственные эффекты

58.

Литература
МАГАТЭ. Серия норм по безопасности.
Оценка профессионального облучения от внешних источников
ионизирующего излучения. МАГАТЭ, Вена, 1999.
Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных.
Учебник для биологических специальностей вузов. 3-е издание,
переработанное и дополненное. М. Высшая школа, 1988.
Кудряшов. Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения).
ФИЗМАТЛИТ, М., 2004.
Отчет НКДАР ООН 2000 генеральной ассамблее с научными
приложениями, ООН, Нью Йорк, 2000.