Documente online.
Username / Parola inexistente
  Zona de administrare documente. Fisierele tale  
Am uitat parola x Creaza cont nou
  Home Exploreaza
Upload



















































RADIOBIOLOGIE

biologie










ALTE DOCUMENTE

Acizi nucleici
MATERIAL VEGETAL SI METODE DE LUCRU
Tesuturile
Rolul biologic al proteinelor
Ingineria genetica
TOTUL DESPRE CALCIU
MAREA NEAGRA SI LITORALUL
SCHELETUL OSOS
Cum am putea vorbi cu celulele noastre
CIUPERCI MICROSCOPICE

RADIOBIOLOGIE

            Radiobiologia studiaza modul īn care radiatiile ionizante interactioneaza cu sistemele biologice, precum si efectele acestei interactii.

            Radiatiile ionizante au suficienta energie pentru scoate electroni din atomi sau molecule, producānd astfel ionizari īn mediul iradiat. Energia radiatiei care produce o ionizare trebuie sa fie mai mare sau egala cu energia de legatura īn atomul sau molecula respectiva a electronului eliberat.



            Energia minima a radiatiilor ionizante este de 10 eV. Radiatiile electromagnetice ionizante au l £ 120 nm; acestea pot fi numai radiatii g, X sau unele radiatii UV (radiatii UV dure).

            Radiatiile ionizante sunt de doua tipuri:

a) radiatii electromagnetice: X, g, UV dure (avānd l < 120 nm)

b) radiatii corpusculare (compuse din particule materiale):

            - radiatii de particule īncarcate electric:

           

·      radiatia b

·      radiatii de ioni grei 

            - radiatii de particule fara sarcina electrica:

·      neutroni

           

            Radioactivitatea este proprietatea unor nuclee instabile de a emite radiatii īn mod spontan. Īn mod generic, spunem ca un nucleu radioactiv se dezintegreaza si emite radiatie (sau ca se produce o dezintegrare radioactiva).

            Radioactivitatea poate fi artificiala sau naturala.

            Radioactivitatea naturala se datoreaza prezentei elementelor radioactive naturale. Atomii acestor elemente au nuclee instabile, care dupa un timp emit radiatie, trecānd astfel īntr-o stare stabila.

            Radioactivitatea artificiala este indusa prin bombardarea unor nuclee stabile cu fotoni, neutroni sau particule īncarcate. In acest fel nucleele bombardate devin radioactive.

            Radiatia poate fi:

- naturala, cuprinzānd:

·   radiatii cosmice

·   radiatii terestre (produse de elemente radioactive naturale din roci, sol, radonul din                        structura cladirilor etc.)

- artificiala, cuprinzānd radiatii produse īn diferite proceduri medicale (radioterapie, radiodiagnoza), īn laboratoare (de cercetare sau īn sistemul de educatie), radiatii produse de diferite dispozitive electrocasnice (televizoare, ceasuri luminoase, detectoare de fum etc.), sau radiatii datorate unor accidente nucleare, poluarii etc.

            Fondul natural de radiatii reprezinta totalitatea radiatiilor ionizante naturale prezente īn atmosfera.

            Activitatea unei surse radioactive (L) reprezinta rata medie de dezintegrare a nucleelor radioactive din sursa, adica numarul mediu de dezintegrari radioactive care se produc īn sursa īn unitatea de timp.

            Unitatea de masura este 1 Bq (Becquerel) = 1 dezintegrare/sec.

            O unitate tolerata este 1 Ci (Curie) = 3,7 ×1010 Bq, care este activitatea unui gram de radiu (226Ra).

            Chiar daca toate nucleele radioactive dintr-o sursa sunt de acelasi tip, ele nu se vor dezintegra toate dupa acelasi timp. Exista o anumita probabilitate ca un nucleu radioactiv sa se dezintegreze īntr-o secunda. Toate nucleele de acelasi tip au īnsa aceeasi probabilitate de dezintegrare. Aceasta probabilitate depinde de tipul de nucleu si de nivelul energetic al nucleului de pe care se face tranzitia. Daca sursa contine un numar suficient de mare de nuclee radioactive, ea va emite radiatii practic īn mod continuu (la orice moment de timp), astfel īncāt numarul de nuclee active din sursa scade continuu. Daca numarul nucleelor este relativ mic, sursa va emite discontinuu (la anumite momente de timp).

            Fie o sursa radioactiva care la momentul initial (t = 0) are un numar foarte mare (N0) de nuclee radioactive de acelasi tip. Probabilitatea de dezintegrare īn unitatea de timp, notata cu l, este constanta (nu depinde de timp). Ea reprezinta a cāta parte din nucleele radioactive aflate īn sursa la un anumit moment se dezintegreaza īntr-un timp infinitezimal dt, deci este egala cu raportul dintre rata de dezintegrare si numarul N de nuclee radioactive la un anumit moment:

 

unde dn este numarul de nuclee care s-au dezintegrat īn timpul dt.

Deoarece īn timpul dt numarul de nuclee radioactive scade cu dN = -dn, rezulta ca

Deoarece l este constanta, aceasta ecuatie are urmatoarea solutie:

N(t) = N0 e-lt

Aceasta este legea dezintegrarii radioactive.

            Legea dezintegrarii radioactive este o lege statistica: ea este valabila pentru un numar foarte mare de nuclee radioactive.

            Rezulta ca activitatea sursei (L = lN) scade exponential īn timp, deci o sursa radioactiva emite īn timp din ce īn ce mai putine radiatii, devenind din ce īn ce mai slaba.

            Se defineste timpul de īnjumatatire (T1/2) al unei surse radioactive ca fiind timpul dupa care numarul de nuclee radioactive din sursa scade la jumatate:

N = N0/2 Ž

            Pentru a putea estima efectele unei surse radioactive, trebuie 323d38d sa cunoastem activitatea sursei, timpul sau de īnjumatatire, precum si tipul si energia radiatiei emise de sursa.

            Efectele biologice (moarte celulara, mutatii, inducerea cancerului etc.) ale radiatiilor ionizante depind de sistemul biologic, de tipul radiatiei, de doza de radiatie si de debitul dozei.

            Īn general, se determina efectul biologic īn functie de doza absorbita.

            Doza absorbita este cantitatea de energie absorbita de unitatea de masa din materialul iradiat.

D = Eabs/m

Eabs = energia absorbita de material;

m = masa materialului.

Unitatea de masura este 1 Gy (Gray) = 1 J/kg.

Spunem ca doza absorbita este de 1 Gy atunci cānd 1 kg de material absoarbe energie de 1 J.

O unitate tolerata este rad-ul: 1 rad = 0,01 Gy.

            Īn general, daca nu este specificat tipul dozei, prin doza se īntelege doza absorbita.

            Debitul dozei (d) reprezinta rata cu care 1 kg din materialul iradiat absoarbe energie:

d = D/t

D = doza absorbita īn timpul t.

Debitul dozei se masoara īn Gy/s sau rad/s.

            Īn cazul radiatiilor X sau g se defineste doza incidenta (sau expunerea):

Di = Q/rV

Q = sarcina totala a ionilor pozitivi produsi īn volumul V de aer

r = densitatea aerului.

Unitatea de masura a dozei incidente este 1 C/kg, reprezentānd cantitatea de radiatie X sau g care produce īn volumul ocupat de 1 kg de aer un numar de ioni pozitivi avānd sarcina totala de 1C.

O unitate tolerata este 1 R (Roentgen) = (1/3876) C/kg.

            Debitul dozei incidente reprezinta rata expunerii (tot pentru radiatii X sau g):

di = Di/t

t = timpul de iradiere īn care se obtine doza incidenta Di.

Debitul dozei incidente se masoara īn C/kg×s sau R/s.

            Dozimetria radiatiilor ionizante se ocupa cu calculul dozelor de radiatii. Cunoasterea dozei si a debitului dozei este extrem de importanta īn radioterapie si radiodiagnoza.

            Īn radioterapie, administrarea unei doze cu o eroare care depaseste 5% reprezinta un tratament neadecvat. Daca doza este prea mica, celulele tumorale care supravietuiesc iradierii vor continua proliferarea, putānd deveni mult mai rezistente la radiatii. Daca doza este prea mare, tesutul sanatos adiacent va fi grav afectat, determinānd aparitia unor complicatii severe. Pentru fiecare caz īn parte trebuie analizate avantajele/dezavantajele iradierii cu diferite tipuri de radiatie si apoi calculata doza optima.

            Īn cazul tratamentelor cu iradiere externa, este foarte importanta de asemenea si calibrarea fasciculului de radiatii īnainte de tratament, pentru a asigura administrarea dozei corecte īn īntregul volum tumoral. Calibrarea incorecta a fasciculului sau functionarea deficitara a aparatului īn timpul tratamentului pot avea consecinte extrem de grave.

            Daca acelasi sistem biologic este iradiat īn aceleasi conditii cu aceeasi doza dar se modifica tipul radiatiei, efectul biologic va fi diferit.

            Eficacitatea biologica relativa (h) arata de cāte ori radiatia respectiva este mai eficace fata de o radiatie de referinta īn producerea unui anumit efect biologic.

h = DX/D

DX = doza de radiatie X care produce un anumit efect;

D = doza de radiatie utilizata care produce acelasi efect.

Īn general, se considera ca radiatie de referinta radiatia X cu energia de 250 keV.

            Pentru neutroni, h depinde de energia particulelor si de natura efectului biologic. Cu o buna aproximatie, radiatiile X, g si b au h = 1, adica au acelasi efect la aceeasi doza de radiatii, īn timp ce pentru neutroni h variaza īntre 5 si 20, pentru protoni h variaza īntre 1 si 5, iar pentru particule a, h = 20.

            Valorile lui h, care depind atāt de tipul si energia radiatiei cāt si de natura efectului biologic, sunt recomandate de Comisia Internationala pentru Protectia contra Radiatiilor (ICRP) pe baza unor analize detaliate ale tuturor informatiilor fizice si biologice disponibile cu privire la efectele radiatiilor asupra organismului uman.

            Doza biologica (B) a unui anumit tip de radiatie reprezinta doza absorbita de radiatie X care produce acelasi efect biologic ca si radiatia respectiva:

B = hD

Doza biologica reprezinta o masura a efectului iradierii la o anumita doza absorbita. Daca se iradiaza un sistem biologic cu diferite tipuri de radiatii astfel īncāt doza biologica sa fie aceeasi, efectul va fi acelasi.

Unitatea de masura pentru doza biologica este 1 Sv (Sievert) si reprezinta doza de radiatie X care face ca 1 kg de tesut sa absoarba energie de 1/h Jouli.

O unitate tolerata de masura este 1 rem = 0,01 Sv.

Exemple:

1 Gy de radiatie X corespunde dozei biologice de 1 Sv.

1 Gy de radiatie a (h = 20) corespunde dozei biologice de 20 Sv.

Iradierea cu 1 Sv de radiatie X si iradierea cu 1 Sv de radiatie a produc acelasi efect!

            Debitul dozei biologice este

b = B/t

t = timpul de iradiere īn care se obtine doza biologica B.

b se masoara īn Sv/s sau rem/s.

            Pentru a putea īndeplini standardele protectiei contra radiatiei stabilite de ICRP, dozele absorbite ale diferitelor tipuri de radiatii sunt convertite pe o scala comuna, pe care doze egale īnseamna probabilitati egale de a produce leziuni. Aceasta conversie se realizeaza prin intermediul dozei biologice. Daca un tesut sau organ este iradiat cu mai multe tipuri de radiatii se calculeaza doza echivalenta (HT) pentru tesutul (organul) respectiv ca suma dozelor biologice specifice fiecarui tip de radiatii:

unde R indica tipul radiatiei;

DT,R = doza absorbita de tesut pentru radiatia de tip "R";

BT,R = doza biologica īn tesut pentru radiatia de tip "R".

            Deoarece diferitele tesuturi/organe nu au aceeasi sensibilitate la radiatii (radiosensibilitate) trebuie realizata conversia dozelor echivalente pe o scala comuna pentru a determina doza echivalenta a organismului la care probabilitatea de producere a leziunilor este aceeasi. Se defineste astfel doza efectiva (E):

wT = factor de pondere al tesutului (organului) "T".

Doza efectiva se masoara īn Sv.

Valorile wT sunt cunoscute pentru fiecare tesut si organ īn parte. De exemplu, 0,2 pentru gonade, 0,12 pentru plamāni si stomac, 0,05 pentru ficat si tiroida, 0,01 pentru piele.

INTERACŢIA RADIAŢIILOR IONIZANTE CU MATERIA

Interactia radiatiilor X si g cu materia

            1. EFECTUL FOTOELECTRIC

            Un foton interactioneaza cu un atom. Fotonul cedeaza īntreaga sa energie atomului; este rupta legatura unui electron īn atom. Ca urmare, fotonul dispare, iar un electron de pe o patura electronica interioara a atomului este expulzat din atom, primind energie cinetica.

            Īn urma interactiei, rezulta un atom ionizat cu un loc vacant īntr-o patura electronica (atomul ionizat se afla īntr-o stare excitata, deci instabila).

Producerea unui ion prin efect fotoelectric poate fi urmata de unul din urmatoarele procese:

·    captura unui electron liber din mediu; atomul revine īn starea fundamentala. Acest proces nu este nociv.



·    un electron de pe o patura exterioara ocupa locul vacant. Ceilalti electroni se rearanjeaza, atomul trece īntr-o stare de energie mai mica, emitānd radiatie X caracteristica. Acest proces este nociv.

·    emisie de electroni Auger: energia initiala de excitare a atomului ionizat este transferata unui electron de pe o patura exterioara. Energia primita de electron este suficient de mare pentru a rupe legatura electronului īn atom. Acest proces este nociv: electronul Auger emis are energie cinetica mare, putānd produce la rāndul sau alte ionizari īn material.  

            2. EFECTUL COMPTON

            Un foton interactioneaza cu un electron (liber sau legat īntr-un atom). O parte din energia fotonului este transferata electronului ca energie cinetica, iar o parte este īmprastiata (fotonul īsi modifica energia si directia; spunem ca fotonul este īmprastiat).

            Electronul de recul poate produce apoi ionizari īn materie.

            3. GENERAREA DE PERECHI ELECTRON -  POZITRON

            Daca un foton cu energie hν > 1,02 MeV trece prin apropierea unui nucleu atomic sau interactioneaza cu electronii unui atom, exista o anumita probabilitate ca fotonul sa dispara, iar īn locul fotonului sa apara un electron si un pozitron.

            Pozitronul (e+) este antiparticula electronului. Ambele particule au aceeasi masa de repaus (m0) dar au sarcini electrice de semn contrar.

            Pentru ca procesul sa aiba loc, energia fotonului trebuie sa depaseasca o valoare de prag egala cu suma energiilor de repaus ale celor doua particule:

Eprag = 2m0c2 = 1,02 MeV

            Generarea de perechi electron-pozitron nu poate avea loc īn vid! Fotonul trebuie sa interactioneze cu un nucleu care sa preia o parte din impuls; īn vid nu pot fi satisfacute simultan legile conservarii impulsului si energiei īn procesul generarii de perechi.

            Legea conservarii energiei scrise mai sus este valabila deoarece energia de recul a nucleului este neglijabila (masa nucleului fiind mare, viteza de recul este mica).

            Īn tesut, electronii si pozitronii produsi prin procesul de generare de perechi au energie cinetica foarte mare. Ei vor produce numeroase ionizari si excitari īn tesut prin ciocniri cu atomii si moleculele, pierzāndu-si treptat energia.

            De asemenea, un pozitron lent se poate recombina cu un electron liber, putānd forma o stare legata numita pozitroniu. Acesta are un timp de viata foarte scurt, dupa care electronul si pozitronul se anihileaza: ei dispar ca particule materiale si sunt emisi doi fotoni īn directii opuse si avānd aceeasi frecventa. Nu poate sa apara un singur foton deoarece nu ar fi respectata conservarea impulsului. Procesul de anihilare se poate produce si īn mod direct īn urma recombinarii, fara formarea pozitroniului ca faza intermediara.

            Radiatia de anihilare este radiatie g, care la rāndul sau va produce alte ionizari īn tesut.

            Tomografia cu emisie de pozitroni (PET) este o metoda de imagistica medicala bazata pe detectia perechilor de fotoni emisi simultan īn directii opuse prin procesul de anihilare. In acest fel se determina punctul din care au fost emisi fotonii, putāndu-se calcula distributia pozitronilor īn tesut. Imaginea obtinuta furnizeaza informatii asupra modificarilor la nivel molecular care afecteaza functionalitatea organului, permitānd un diagnostic mult mai precoce decāt īn cazul altor metode clinice.

            4. ĪMPRĂsTIEREA COERENTĂ (īmprastierea Rayleigh)

            Este un proces īn care toata energia radiatiei este īmprastiata.

            Cānd unda electromagnetica īntālneste un atom, cāmpul electric oscilatoriu al undei determina vibratia electronilor atomului, care apoi emit radiatie electromagnetica avānd aceeasi frecventa ca si radiatia incidenta. Undele emise de electronii atomului interfera, formānd unda īmprastiata, care īn general este usor deviata fata de directia undei incidente.

            Īn acest proces atomul nu este nici ionizat, nici excitat; nu exista absorbtie de energie. De aceea, īmprastierea coerenta nu contribuie la efectul biologic al iradierii. Are īn schimb o contributie relativ mica (£ 10%) la atenuarea fasciculului de radiatie electromagnetica     īntr-un ecran protector.

Ca o paranteza la acest paragraf, legea Rayleigh arata ca puterea de emisie radiativa a electronilor P~1/l4, ceea ce explica de ce cerul este albastru (lumina albastra este īmprastiata mai mult) .

            5. REACŢII FOTONUCLEARE

            Acestea sunt interactii foton-nucleu, īn urma carora fotonul dispare, iar din nucleu sunt scosi unul sau mai multi nucleoni. Acestia sunt emisi cu energie cinetica si pot produce ionizari īn materie.

Exemple: (g, n), (g, p), (g, pn), (g, 2n), (g, a)

            Conditia de producere a unei reactii nucleare este ca energia fotonului sa fie mai mare decāt energia de legatura a nucleonului īn nucleu (aceasta variaza īntre 1 si 20 MeV).

Exemple de reactii fotonucleare īn tesut:

a) 12C (g, n) 11C;   12C (g, p) 11B

b) 16O (g, n) 15O;   16O (g, p) 15N

Interactia radiatiei b cu materia

            Īn timpul traversarii materiei, electronii si pozitronii īsi pierd treptat energia cinetica prin ionizari si excitari ale atomilor si prin emisie de radiatie electromagnetica.

            Ionizari: cu cāt densitatea atomilor īn material si numarul de electroni ai atomilor sunt mai mari, cu atāt electronii si pozitronii pierd mai multa energie prin ionizari ale atomilor. Spunem ca materialele cu densitate mai mare si care contin atomi cu numar atomic Z mai mare au putere de oprire mai mare a radiatiei b.

            Īntr-o singura ciocnire un electron (sau pozitron) poate sa piarda o mare parte din energie (deoarece se ciocneste cu un electron al atomului, deci masele particulelor īn ciocnire sunt egale) si sa fie īmprastiat sub un unghi mare fata de directia sa initiala. De asemenea, ciocnirile cu nucleele atomice modifica foarte mult directia de deplasare a electronului (sau pozitronului). Cānd energia particulei devine relativ mica, traiectoria prezinta foarte multe deflexii.

            Emisia radiativa: daca o particula de masa m si sarcina ze trece prin apropierea unui nucleu de masa M si sarcina Ze, particula va fi accelerata īn cāmpul electric al nucleului si va emite radiatie electromagnetica. Acceleratia a ~ zZ/M iar rata de emisie radiativa este ~a2~(zZ/M)2. Ca urmare, electronii si pozitronii radiaza energie de cca. 1 milion de ori mai mult decāt protonii, care au masa de aproximativ 1000 de ori mai mare decāt cea a electronului.

            Majoritatea electronilor expulzati din atomi prin ionizare de catre radiatia b incidenta au suficienta energie pentru a produce īn continuare alte ionizari īn materie. Acestia se numesc electroni secundari si reprezinta asa-numita radiatie d.

            Se defineste parcursul electronilor (pozitronilor) ca fiind distanta maxima la care acestia ajung īn material.

            Electronii secundari au energie mai mica decāt particula incidenta si ei ajung īn material la o adāncime mai mica sau egala cu parcursul particulelor incidente.

            Īn apa si īn tesuturile moi parcursul radiatiei b este de ordinul centimetrilor.

Interactia ionilor grei cu materia

            Atunci cānd un ion de masa M si sarcina electrica +ze trece prin apropierea unui electron liber, acesta este atras īn cāmpul coulombian al ionului, capatānd energie cinetica.

            Cu cāt ionul are sarcina si masa mai mare, energia mai mica si trece mai aproape de electron, cu atāt electronul va prelua o energie mai mare de la ion.

            Daca electronul este legat īntr-un atom si energia preluata de electron este suficient de mare, atomul este ionizat, iar electronul este scos din atom si devine electron d (electron secundar). Daca energia preluata de electronul din atom este mai mica decāt energia de ionizare, atomul este excitat.

            Deoarece masa ionului este mare, emisia radiativa a ionilor grei este neglijabila.

            Īn timpul traversarii substantei, ionul cedeaza energie electronilor. Energia ionului scade pe masura ce acesta īnainteaza īn material. Deoarece ionii au masa mare, practic ei nu sunt deviati si au traiectorii drepte īn materialul iradiat. De aceea, de-a lungul traiectoriei ionului energia preluata de electronii mediului va fi din ce īn ce mare, astfel īncāt doza absorbita creste cu adāncimea. La o anumita adāncime, doza absorbita este maxima, dupa care īncepe sa scada, deoarece la energii mici ale ionului apar schimburi de sarcini electrice cu mediul. Ionul pozitiv capteaza electroni liberi si īsi reduce sarcina electrica, devenind īn final un atom neutru. Ca urmare, la finalul traiectoriei ionului puterea de ionizare scade pe masura ce ionul īnainteaza īn material. Toate aceste procese determina forma specifica a curbei D(x) pentru ioni grei, numita curba Bragg.

            Curba Bragg nu se obtine decāt īn cazul radiatiilor de ioni grei, pentru fascicule monoenergetice (toti ionii din fascicul au aceeasi energie). In cazul radiatiei b nu se obtine o astfel de curba deoarece electronii nu au traiectorii drepte.

            Aceasta proprietate specifica radiatiilor de ioni grei este avantajul major al hadroterapiei (radioterapia cu ioni grei), deoarece doza este administrata cu o precizie mult mai mare īn volumul tumorii, iar tesutul sanatos este afectat mult mai putin decāt īn cazul iradierii cu radiatie X sau g. Hadroterapia cu protoni este aplicata īn cazul tumorilor superficiale (melanom intraocular, cancer la sān, prostata, tumori ale creierului, pielii), datorita parcursului mic al protonilor īn tesut (de cātiva centimetri). Pentru tumori mai profunde se folosesc ionii de carbon.

            Tratamentul optim este obtinut cu ioni de carbon, ioni de litiu sau protoni.

            Īn prezent, īn Europa sunt tratati īn fiecare an peste 30000 de pacienti cu ioni de carbon.


            Īn radioterapia conventionala cu fascicule de radiatii X avānd energia maxima de 8 MeV, doza absorbita īn tesut are un maxim la 2-3 cm adāncime, dupa care scade exponential cu adāncimea. Pentru iradierea selectiva a tumorilor aflate īn profunzime, se folosesc fascicule multiple, care sunt focalizate pe centrul tumorii. Totusi, īn numeroase cazuri īn care tumorile se afla īn apropierea unor organe vitale nu se poate aplica radioterapia cu radiatii electromagnetice. De asemenea, anumite tumori (ale pancreasului, ficatului si glandei parotide) sunt rezistente la radioterapia conventionala cu fotoni. In toate aceste cazuri este recomandata hadroterapia.

            Pentru fasciculele monoenergetice de ioni grei (īn care toti ionii au aceeasi energie), adāncimea de penetrare īn tesut depinde de energia ionilor. Īn acest fel, prin reglarea precisa a parametrilor fasciculului (diametrul si intensitatea fasciculului, energia si tipul ionilor) doza letala va fi aplicata exact īn volumul tumorii. Īn plus, doza absorbita de tesutul sanatos traversat de ioni este foarte mica datorita modului de absorbtie a energiei (curba Bragg), iar radiatia nu este īmprastiata īn tesutul sanatos ca īn cazul radiatiilor X.

            Daca se urmareste administrarea unei doze uniforme īn volumul tumorii, se folosesc fascicule modulate de ioni. Acestea contin ioni avānd energii diferite, calculate astfel īncāt maximul Bragg corespunzator fiecarei energii sa se produca īn interiorul tumorii. Doza absorbita va fi maxima pe o distanta de cātiva cm, īn functie de marimea tumorii.

            Rezolutia spatiala a tratamentului prin hadroterapie este de pāna la 1 mm. Deoarece poate fi iradiata cu mare precizie orice parte a tumorii, tratamentul cu ioni grei este un tratament conformal de mare acuratete (fasciculele de ioni sunt configurate astfel īncāt volumul iradiat sa urmareasca cu fidelitate forma tumorii).

            Dozele administrate sunt fractionate: 4-5 sedinte de hadroterapie īn 8-10 zile, totalizānd o doza cuprinsa īntre cca. 45 si 85 Gy, īn functie de caz. O singura iradiere dureaza īn jur de 1 min.

            Īn apa si tesut, radiatia a are o putere de ionizare foarte mare (de 1000 de ori mai mare decāt radiatia b), ceea ce determina un parcurs foarte mic (de 100 de ori mai mic decāt al radiatiei b si de 10000 de ori mai mic decāt al radiatiei g). Parcursul radiatiei a este de aproximativ 2-8 cm īn aer si de 0,05 mm īn aluminiu. Īn cazul iradierii externe a organismului, particulele a nu depasesc stratul bazal al epidermei. Īn plus, īmbracamintea ofera protectie totala fata de radiatia a. Radiatiile a sunt periculoase numai daca iradierea este interna.

Interactia neutronilor cu materia

            Neavānd sarcina electrica, neutronii nu interactioneaza cu electronii. De aceea, neutronii nu produc ionizari īn mod direct, ci producānd alte radiatii īn urma unor reactii nucleare (prin interactii ale neutronilor cu nucleele atomice).

            Neutronii cu energie mica, īn jur de kT » 0,025 keV, se numesc neutroni termici. Acestia pot induce reactii nucleare prin care neutronul este absorbit de nucleu, care devine radioactiv, si anume:

- reactii nucleare de rearanjare (n, a), cu emisie de particule a;

- reactii de captura radiativa (n, g): neutronul termic este absorbit de nucleu, care astfel devine radioactiv si emite radiatie g.

            Neutronii rapizi sunt īn general recunoscuti, alaturi de radiatia a, ca cea mai periculoasa radiatie ionizanta. Exista patru moduri de interactie a neutronilor rapizi cu materia:

1) reactii nucleare cu emisie de particule īncarcate, de tipul (n, p) sau (n, a);

2) fisiune nucleara: īn urma ciocnirii unui neutron cu un nucleu, nucleul se poate scinda īn doua fragmente plus cel putin doi neutroni;

3) ciocniri elastice cu nucleele: īn urma ciocnirii unui neutron cu un nucleu, neutronul cedeaza o parte din energie nucleului. Transferul de energie este maxim īn ciocnirea neutron-proton (ciocnirea cu nucleul de hidrogen).

Cu cāt masa nucleului este mai mare, cu atāt energia transferata este mai mica.

Īn urma unei ciocniri elastice cu un neutron rapid, nucleul se comporta ca o particula grea īncarcata electric avānd energie cinetica si care produce mai departe ionizari īn materie (conform teoriei interactiei ionilor grei cu materia).

4) ciocniri inelastice cu nucleele: neutronul intra īn nucleu, care emite apoi un neutron cu energie mai mica. Nucleul rezultat se afla īntr-o stare excitata si emite radiatie g. La energii mari ale neutronilor pot fi emisi doi sau trei neutroni.

            Prin interactiile cu nucleele, neutronii īsi pierd treptat energia pāna devin neutroni termici. Procesul de reducere a energiei neutronilor pāna īn jur de 0,025 eV se numeste moderare.

            Īn final, dupa suficiente ciocniri, un neutron termic este capturat īn material printr-o reactie de captura radiativa. Īn apa si īn tesut neutronii termici sunt capturati de nucleul de hidrogen, cu emisie radiativa:

1H (n, g) 2H

Īn urma capturii se emite radiatie g cu energia de 2,2 MeV.

            Īn radioprotectia fata de iradierea cu neutroni se folosesc trei ecrane:

1) un ecran pentru moderarea neutronilor, constituit dintr-un material pe baza de hidrogen (apa, apa grea, grafit, parafina);

2) un ecran de cadmiu pentru captura neutronilor termici prin reactia de captura radiativa:

113Cd + n ® 114Cd + g

Īntr-un material pe baza de cadmiu, distanta medie parcursa de un neutron termic īnainte de a fi capturat este mica.

3) un ecran de plumb sau fier pentru absorbtia radiatiei g emise de Cd.

Īn sistemele biologice, cele mai importante reactii nucleare induse de iradierea cu neutroni sunt cele cu nucleele de hidrogen, carbon si oxigen, īn urma carora sunt emise particule a. De asemenea, o pondere mare o au si ciocnirile elastice si inelastice cu nucleele H, C si O.

EFECTE CHIMICE ALE RADIAŢIILOR

            O molecula poate sa fie afectata de radiatie sau poate sa reactioneze cu alte molecule afectate de radiatie.

            Sub actiunea radiatiei, o molecula poate fi ionizata sau excitata.

            Prin reactiile chimice induse de radiatii, se produc si radicali liberi, care sunt atomi, molecule sau fragmente de molecule care au un electron cu spin necompensat. Radicalii liberi sunt extrem de nocivi deoarece sunt foarte reactivi, avānd un timp mediu de viata foarte scurt, de ordinul 10-6 s. Aceasta caracteristica a radicalilor liberi se datoreaza faptului ca starea moleculara īn care un electron are spinul necompensat este extrem de instabila, molecula reactionānd usor cu alte molecule pentru a compensa spinul electronului.

            Īn interiorul celulelor majoritatea interactiilor radiatiei sunt cu moleculele de apa.

Radioliza apei

            Daca radiatia cedeaza energie unei molecule de apa, molecula de apa este ionizata sau excitata:

        H2O ® H2O+ + e-    (ionizare)

               H2O ® H2O*    (excitare)

Ionizarile si excitarile se produc de-a lungul traiectoriei particulei ionizante incidente. Dupa ce sunt generate, moleculele excitate sau ionizate au tendinta de a difuza īn mediu. Procesul de difuzie este īnsa relativ lent īn comparatie cu alte reactii care se pot produce la timpi extrem de scurti de la trecerea particulei ionizante.

            Astfel de reactii sunt:

H2O+ ® H+ + OH·




H2O+ + H2O ® H3O+ + OH·

H3O+ este ionul de hidrogen hidratat;

OH· este radicalul hidroxil.


H· este radicalul hidrogen.

De asemenea, electronul extras prin ionizare se hidrateaza cu 4 molecule de apa, devenind electron hidratat (sau electron solvatat).

Deoarece aceste reactii se produc foarte repede, īn jurul traiectoriei particulei incidente se formeaza o aglomerare de radicali liberi, electroni solvatati si alti produsi ai reactiilor de mai sus, īnainte ca acestia sa difuzeze īn mediu.

            Īn aceste conditii, radicalii liberi pot sa reactioneze īntre ei:

H· + H· ® H2

H· + OH· ® H2O

OH· + OH· ® H2O2

e-solvatat + OH· ® OH-

e-solvatat + e-solvatat ® H2 + 2 OH-

Produsii moleculari ai acestor reactii si radicalii liberi care nu au reactionat difuzeaza īn mediu, unde pot reactiona cu alte molecule.

Radicalul H· nu are sarcina neta. Īn apa pura are un timp de viata de 1 ms.

Radicalul OH· are 9 sarcini pozitive si 9 sarcini negative, deci nu are sarcina neta. Are un electron mai putin decāt este necesar pentru a fi stabil. Īn apa pura OH· are un timp de viata de 1 ms.

            Īn prezenta oxigenului, efectele radiatiilor sunt mai severe. Acest efect al oxigenului este important īn radioterapie, deoarece tumorile cu aport sanguin redus sunt mai radiorezistente.

            Īn prezenta oxigenului se poate produce radicalul hidroperoxid HO2· prin reactia:

O2 + H· ® HO2·

Hidroperoxizii produsi pot participa la reactii de combinare īntre radicali:

HO2· + HO2· ® H2O2 + O2

HO2· + H ® H2O2

HO2· si H2O2 sunt cei mai nocivi produsi ai radiatiilor, avānd un timp de viata lung, dar ei sunt produsi īn cantitati mici.

            Īn interiorul celulelor iradiate, radicalii liberi produsi care difuzeaza īn celula pot produce leziuni īn proteine, lipide, ADN. De exemplu, radicalii liberi afecteaza gruparile proteice SH, care sunt gruparile active a numeroase enzime.

            Produsii radiolizei apei pot reactiona cu molecule organice (RH), ducānd la formarea de radicali liberi organici (R·):

RH + OH· ® R· + H2O

Īn prezenta oxigenului acestia pot produce radicalii liberi peroxizi (RO2·):

R· + O2 ® RO2·

Peroxizii pot reactiona cu alte molecule organice, producānd radicali liberi organici:

RO2·+ R' H ® RO2H + R' ·

Peroxizii persista mult timp dupa iradiere. Ei induc numeroase efecte īntārziate ale iradierii (mutatii, instabilitate genomica, oncogeneza etc.), care se manifesta dupa mult timp de la iradiere (luni-ani).

            Radicalii liberi organici pot fi produsi si prin scindarea unor molecule organice excitate de radiatie.

R-R' * ® R· + R' ·

De asemenea moleculele organice excitate pot suferi o ruptura sau pot transfera energia de excitare unei alte molecule:

M1* + M2 ® M1 + M2*

            Vorbim despre efectele directe ale radiatiilor ionizante atunci cānd ne referim la excitarile si ionizarile produse de radiatia primara sau radiatiile secundare (fotoni, particule īncarcate sau neutroni emisi īn urma interactiilor radiatiei primare cu atomii si moleculele din substanta).

            Efectele indirecte ale radiatiilor ionizante sunt excitarile si ionizarile produse de radicalii liberi care se formeaza prin reactii radiochimice.

EFECTE BIOLOGICE ALE RADIAŢIILOR

            Prin excitarile si ionizarile produse īn urma iradierii sunt afectate macromolecule importante: ADN, ARN, proteine, lipide, hormoni etc.

            O molecula excitata poate emite radiatie electromagnetica, poate produce radicali liberi sau poate suferi ruptura unei legaturi chimice.

            Un atom ionizat poate emite radiatie X caracteristica sau electroni Auger, poate induce ruperea unei legaturi moleculare sau poate capta un electron liber din mediu (acest ultim proces nu este nociv).

            Ca urmare, īn molecula de ADN se pot produce alterari la nivelul bazelor azotate,  dimerizarea timinei, rupturi simple/multiple ale catenei cu peroxidarea capetelor, formare de legaturi cu molecule proteice (cross-links).

            Toate aceste modificari pot induce mutatii, erori de transcriere a codului genetic, erori de replicare a ADN-ului, erori de diviziune celulara, producere de fragmente de cromozomi.

            Structura si secventa moleculei ADN sunt conservate īntr-un mod strict pe parcursul ciclului de diviziune celulara (ciclul celular). Modificarile moleculei de ADN afecteaza atāt capacitatea de proliferare cāt si supravietuirea celulara.

            Erorile spontane de replicare si leziunile ADN produse de radiatii sau alti agenti fizico-chimici activeaza mecanisme enzimatice de reparare.

            Īn cazul īn care procesul de reparare este dificil, apar erori de reparare, secventa ADN-ului este modificata, producāndu-se astfel mutatii genetice.

            Exista trei tipuri de mutatii:

  1. mutatii punctuale - este modificata o singura pereche de baze
  2. insertii - sunt adaugate una sau mai multe perechi de baze consecutive

3.      stergeri - se pierd una sau mai multe perechi de baze consecutive

            stergerile sunt mutatiile cu rolul cel mai important īn raspunsul celular la iradiere. Printr-o stergere este compromisa functia a cel putin unei proteine.

            Producerea de mutatii ale anumitor gene implicate īn controlul ciclului celular poate induce oncogeneza.

            Legea Bergonié - Tribondeau

            Un tesut este cu atāt mai radiosensibil cu cāt este mai putin diferentiat si cu cāt īn el au loc mai multe mitoze.

            Radiosensibilitatea tesutului creste cu temperatura, gradul de hidratare si oxigenare, precum si cu pH-ul (la pH alcalin: pH > 7).

            ADN-ul si ARN-ul sunt foarte sensibile la radiatii īn special īn metafaza. De asemenea, mecanismele de reparare a leziunilor ADN-ului sunt mai putin active īn mitoza.

Cele mai radiorezistente tesuturi sunt tesutul nervos si tesutul muscular.

            Īn schimb, tesuturile caracterizate de o frecventa crescuta a mitozelor sunt cele mai radiosensibile: tesutul epitelial, maduva hematogena si gonadele.

            Daca celulele sunt mai īntāi expuse la o doza foarte mica de radiatii (~ 1 rad), ele devin mai putin sensibile la o doza mare ulterioara. Acest proces se numeste raspuns radioadaptiv sau hormeza. Mecanismele moleculare ale hormezei īnca nu au fost elucidate pāna īn prezent.

            Īn urma iradierii cu o doza mare, celulele radioadaptate au o viteza mai mare de reparare a leziunilor ADN-ului, prezinta mai putine aberatii cromozomiale si mutatii, iar susceptibilitatea la stergeri si rearanjari cromozomiale este mai mica decāt la celulele netratate cu doza foarte mica de radiatii.

            Studii detaliate pe populatii expuse la un fond natural de radiatii ridicat au demonstrat ca hormeza reduce mortalitatea indusa prin īmbatrānire si cancer. Este recomandata o doza minima anuala de 1 rad.

            Administrarea unor doze mari (³ 1 Gy) īn timp scurt (cel mult cāteva ore) determina alterarea imediata a procesului de diviziune celulara la celulele mitotice (cele mai importante efecte sunt la limfocite, maduva osoasa, celulele intestinale).

            Toate efectele asupra organismului (inclusiv moartea) au o doza caracteristica de prag: exista o doza minima de siguranta sub care efectul nu apare. Doza de prag depinde si de debitul dozei. Spunem ca aceste efecte sunt deterministe: pentru producerea efectului trebuie ca un numar minim de celule sa fie lezate.

            La doze mici (≤ 0,2 Gy) apar efecte stocastice, care nu au un prag al dozei si nu depind de debitul dozei, ci de doza totala acumulata. Cele mai importante sunt inducerea cancerului (care apare cu īntārziere) si diverse efecte genetice, care afecteaza descendentii.

Doza (Gy)

Tipul de leziuni celulare



Observatii /

Efecte asupra organismului

< 0,1

Mutatii

Aberatii cromozomiale

Leziuni genetice

Rupturi cromozomiale ireversibile

Este posibila repararea

Stimularea proliferarii

~ 1

Rata mutatiilor induse este dublul ratei mutatiilor spontane

Intārziere mitotica

Functie celulara modificata

Efectele sunt reversibile

Scaderea imunitatii

Greturi, astenie

@ 3

Inhibarea permanenta a diviziunii

Functie celulara modificata

Activarea si inactivarea unor gene

Apoptoza

Unele functii pot fi refacute

Una sau cāteva diviziuni

Sterilitate

4 - 10

Reducerea sintezei ADN-ului

Moarte īn interfaza (prin necroza)

Nici o diviziune

Aplazie

Afectiuni oculare, gastro-intestinale, pulmonare

500

Moarte instantanee

Coagularea proteinelor

Tipuri de iradiere a organismelor

            Iradierea poate fi externa, atunci cānd sursa de radiatii se afla īn exteriorul organismului, sau interna, atunci cānd sursa de radiatii este īn interiorul organismului.

            Surse interne de radiatii sunt diverse radioelemente introduse īn organism prin contaminare, pe cale digestiva, respiratorie sau cutanata, sau radioelemente utilizate īn scop diagnostic sau terapeutic.

            Exista de asemenea iradiere interna naturala, determinata de prezenta īn organism a unor nuclee radioactive naturale, cum ar fi 40K.

            Efectele iradierii interne depind de:

- timpul de īnjumatatire prin dezintegrare, T1/2 = ln 2/l;

- timpul de īnjumatatire prin eliminare din organism, Tb = ln 2/lb;

            unde     l = constanta ratei de dezintegrare a nucleelor radioactive;

                        lb = constanta ratei de eliminare biologica a nucleelor radioactive.

            Perioada de īnjumatatire efectiva (Tef) īn organism este data de relatia:

            De exemplu, timpul de īnjumatatire al unei surse de plutoniu este de de 390000 ani, iar timpul biologic de īnjumatatire este de cca. 100 ani īn tesutul osos. Rezulta ca timpul efectiv de īnjumatatire al plutoniului īn organism este de cca. 100 ani.

            De asemenea, sursele de radiu si strontiu au timpi efectivi de īnjumatatire foarte mari īn organism, de cca. 103 - 104 ani.

            Iradierea totala a organismului este data de contributia sumata a iradierii interne si externe a organismului.

            Īn cazul īn care este iradiat īntregul organism, iradierea este globala.

            Doza maxima admisibila (DMA) reprezinta doza efectiva de radiatii pe care o poate primi un om īntr-un an fara a suferi o leziune observabila (fara a se tine cont de efectele genetice ale iradierii).

            DMA este stabilita anual de CIPR (Comisia Internationala pentru Protectia īmpotriva Radiatiilor).

            DMA este determinata de sensibilitatea maxima a tesuturilor.

            DMA este de cca. 5 mSv/an, fiind determinata de radiosensibilitatea gonadelor si a maduvei hematogene.

            Ţesutul tiroidian si tesutul osos admit o doza biologica maxima de 30 mSv/an fara a suferi o leziune observabila.

            Doza efectiva corespunzatoare fondului natural de radiatii este de cca. 1,5 mSv/an, iar cea corespunzatoare fondului artificial de radiatii este de cca. 0,3 mSv/an.

            Īntr-o radiografie abdominala doza efectiva administrata este de 6,2 mSv, iar īntr-o radiografie pulmonara de 0,3 mSv.

            O doza efectiva de 6 Sv induce moartea īntr-o luna de la iradiere.

            Protectia fizica fata de efectele iradierii externe se realizeaza prin cresterea distantei fata de sursa, prin reducerea timpului de expunere si prin ecranare.

            Pentru ecranarea radiatiilor electromagnetice X, g, UV dure se folosesc materiale cu Z mare (ecrane de plumb sau fier).

            Pentru radiatia β- (electroni) se folosesc materiale cu Z mic (materiale plastice: polistiren, sau metale usoare: aluminiu). Trebuie evitate materialele cu Z mare (īn care electronii produc radiatii electromagnetice ionizante prin emisie radiativa). Pentru surse puternice se utilizeaza ecrane īn dublu strat: primul din material cu Z mic (suficient de gros), iar al doilea de plumb sau fier pentru absorbtia radiatiei electromagnetice emise de electroni.

            Pentru radiatia β+ (pozitroni) se folosesc materiale cu Z mare, care absorb si radiatia de anihilare (radiatie g).

            Pentru radiatiile de particule īncarcate se folosesc materiale cu densitate mare, care au putere mare de oprire datorita densitatii mari de ionizari produse.

            Pentru radiatiile de neutroni se folosesc ecrane īn triplu strat: apa/apa grea/parafina/grafit (1); cadmiu (2); Pb/Fe (3).

            Radiatiile a sunt absorbite īn ecrane foarte usoare si subtiri, datorita puterii foarte mari de ionizare a particulelor a. Īmbracamintea ofera o protectie foarte buna contra radiatiilor a.

            Protectia chimica fata de efectele iradierii externe sau interne se realizeaza prin administrarea, īnainte de iradiere, a unor substante chimice radioprotectoare, care maresc radiorezistenta organismului:

·  micsoreaza continutul īn apa, mai ales īn organele radiosensibile;

·  micsoreaza temperatura organismului, diminueaza metabolismul;

·  diminueaza cantitatea de oxigen intra- si extracelular;

·  inhiba/fixeaza radicalii liberi;

·  īmpiedica alte organe sa amplifice efectele.

            Substantele radioprotectoare sunt fie hidrosolubile fie liposolubile.

            Cele hidrosolubile sunt compusi cu sulf (M-SH), de exemplu cisteamina HS-CH2-CH2-NH2, care neutralizeaza radicalii liberi prin reactiile:

M-SH + R· ®  RH + MS·

MS· + MS· ® MS-SM

            Cele liposolubile sunt derivati ai pirogalolului si naftolului care diminueaza concentratia oxigenului intra- si extracelular, īmpiedicānd formarea peroxizilor lipidici.

            Vitaminele, hormonii, histamina si serotonina sunt substante radioprotectoare.

 

Intrebari

Raspundeti cu:

A - AA

B - AF

C - FA

D - FF

1. D

a) Radiatiile ionizante pot fi numai radiatii electromagnetice sau radiatii de particule īncarcate electric.

b) Dintre radiatiile electromagnetice, numai radiatiile X si g sunt radiatii ionizante.

2. B

a) Radiatia b-   este compusa din electroni.

b) Radiatia b+ este compusa din protoni.

3. C

a) Radioactivitatea artificiala este indusa prin bombardarea unor nuclee instabile cu neutroni, fotoni sau particule īncarcate electric.

b) Nucleele radioactive se afla īntr-o stare instabila si emit radiatii īn mod spontan.

4. B

a) 1 Ci este activitatea unei surse radioactive care contine unui gram de radiu.

b) Nucleele radioactive de acelasi tip nu au aceeasi probabilitate de dezintegrare.

5. D

a) Debitul dozei incidente se masoara īn C/kg sau R (Roentgen).

b) Daca celulele tumorale supravietuiesc unui tratament de radioterapie, ele devin mai sensibile la radiatii.

6. A

a) Radiatiile b au o eficacitate biologica relativa h = 1.

b) La aceeasi doza absorbita, particulele a produc un efect mai puternic decāt protonii.

7. D

a) In hadroterapie se folosesc fascicule de radiatii X.

b) Pozitronul este antiparticula protonului.

8. D

a) In procesul de anihilare electronul si pozitronul dispar ca particule materiale si sunt emisi doi fotoni.

b) Tomografia cu emisie de pozitroni este o metoda de imagistica medicala bazata pe detectia perechilor electron-pozitron produse īn procesul de anihilare.

9. C

a) Curba Bragg se obtine īn cazul iradierii cu ioni grei sau cu radiatie X.

b) Hadroterapia cu ioni de carbon este recomandata īn cazul unor tumori aflate īn profunzime.

10. B

a) In tesutul moale, neutronii termici sunt capturati de nucleele de hidrogen, care apoi emit radiatie g.

b) Prin procesul de moderare, neutronii termici devin neutroni rapizi.

11. A

a) Electronul solvatat este un electron hidratat cu 4 molecule de apa.

b) Peroxizii se produc numai īn prezenta oxigenului.

12. C

a) Intr-o mutatie punctuala este adaugata o pereche de baze la secventa ADN.

b) Hormeza reduce mortalitatea indusa prin īmbatrānire si cancer.

13. B

a) Radiosensibilitatea tesutului scade cu temperatura.

b) Doza maxima admisibila este determinata de radiosensibilitatea tesutului tiroidian.

14. A

a) In radioprotectie, pentru atenuarea radiatiei β+ se folosesc ecrane de plumb sau fier.

b) Substantele radioprotectoare liposolubile īmpiedica formarea peroxizilor lipidici.













Document Info


Accesari: 18897
Apreciat:

Comenteaza documentul:

Nu esti inregistrat
Trebuie sa fii utilizator inregistrat pentru a putea comenta


Creaza cont nou

A fost util?

Daca documentul a fost util si crezi ca merita
sa adaugi un link catre el la tine in site

Copiaza codul
in pagina web a site-ului tau.




Coduri - Postale, caen, cor

Politica de confidentialitate

Copyright © Contact (SCRIGROUP Int. 2019 )