Opracowanie adresowane jest do wszystkich zainteresowanych posiadających wykształcenie ogólne i tym samym wiedzę z fizyki i biologii odpowiadającą programowi szkolnemu.

Celem autorów nie było prezentowanie choćby zarysu radiobiologii, lecz wskazanie ważniejszych i zarazem bardziej interesujących zagadnień. Stąd miejscami nie jednakowy stopień uszczegółowienia informacji. Pozostawiamy Czytelnikowi swobodę wyboru kierunku dalszych dociekań i mamy nadzieję, że nie będzie miał trudności z dotarciem do literatury.

Treści podane na szarym tle zawierają więcej szczegółowych informacji i adresowane są głównie do nauczycieli przedmiotów związanych bezpośrednio lub pośrednio z tematyką niniejszego opracowania (biologia, fizyka, środowisko, obrona cywilna itp.). Mogą być również przydatne osobom, które nie są zawodowo zatrudnione przy promieniowaniu, lecz sporadycznie spotykają się z tą problematyką w swojej działalności.

Dla ułatwienia pracy Czytelnika, na końcu zamieszczono słowniczek trudniejszych (oznaczanych w tekście symbolem gwiazdki) pojęć, wykaz literatury w języku polskim oraz tabelę wielokrotności i podwielokrotności wraz z przykładami przeliczeń.

Do początku

2. Działanie promieniowania jonizującego na organizmy żywe

Podstawowymi czynnikami, od których zależą skutki działania promieniowania jonizującego na organizm są:

· wielkość dawki i rodzaj promieniowania,

· warunki napromieniowania,

· biologiczne cechy napromieniowanego ustroju.

Dawka jest miarą energii przekazanej przez promieniowanie jednostce masy absorbenta (pochłaniacza). W zależności od sposobu, w jaki będziemy ten przekaz energii opisywać wyróżniamy kilka rodzajów dawek.

Dawka ekspozycyjna (X) jest miarą jonizacji masy powietrza w warunkach znormalizowanych. Ponieważ jonizacja polega na wytwarzaniu ładunków elektrycznych, jednostką tego rodzaju dawki będzie kulomb na kilogram [C/kg]. Historyczną jednostką jest rentgen [R]. Określenie tej dawki pozwala na przewidywanie dawki pochłoniętej przy znanych warunkach napromieniowania i ocenę narażenia.

1 C/kg = 3876 R

Pojęcie dawki ekspozycyjnej odnosi się tylko do promieniowania X i gamma.

Dawka pochłonięta (D) jest miarą energii przekazanej przez promieniowanie jednostce masy. Jednostką jest Gy (grej) = 1 J/kg. Jednostką historyczną jest [rad] od ang. radiation absorbed dose.

1 Gy = 100 rad

Ponieważ poszczególne rodzaje promieniowania różnią się gęstością jonizacji na swej drodze w pochłaniaczu, przy czym gęstość jonizacji zależna jest od tzw. liniowego przekazu energii (LET od ang. Linear Energy Transfer), dlatego też wywierają odmienny skutek w odniesieniu do napromieniowanych przez nie tkanek. Dla ułatwienia porównywania tych skutków wprowadzono pojęcie względnej skuteczności biologicznej (RBE od ang. Relative Biological Effectivness), będącej miarą skuteczności jakiegoś promieniowania w porównaniu ze skutecznością standardowych promieni X o energii 250 keV, dla których przyjęto arbitralnie wartość RBE=1. Wartość RBE otrzymuje się dzieląc dawkę promieniowania odniesienia, wywołującą określony efekt biologiczny (np. śmierć 50% komórek), przez dawkę innego promieniowania, wywołującą taki sam efekt. Wartość RBE w dużym stopniu zależy od rodzaju tkanki, od mierzonego efektu biologicznego oraz od wielkości stosowanych dawek. Współczynnik RBE definiuje się więc dla określonego rodzaju promieniowania o danej energii, działającego na konkretny układ w dobrze określonych warunkach.

W tej sytuacji zdecydowano, iż współczynnik ten będzie służył badaniom radiobiologicznym, natomiast w ochronie radiologicznej wprowadzono prostszy parametr, tzw. współczynnik jakości promieniowania (QF od ang. Quality Factor), który obecnie występuje jako wagowy współczynnik promieniowania (w_R).

Wartości wagowego czynnika promieniowania

wg: „Sources and effects of ionising radiation”. UNSCEAR 2000 Report to the General Assembly, with Scientific Annexes. Vol. 1, Annex A, str. 56

Rodzaj i zakres energii promieniowania	w_R
Fotony, elektrony i miony wszystkich energii	1
Neutrony <10 keV lub >20 MeV, protony >2 MeV	5
Neutrony 10-100 keV lub >2-20 MeV	10
Neutrony 100 keV-2 MeV, cząstki a, ciężkie jony, fragmenty rozszczepienia wszystkich energii	20

W oparciu o wartość współczynnika RBE i wielkość dawki pochłoniętej wyznacza się wartość dawki równoważnej (H) będącej miarą działania promieniowania na organizmy żywe.

H = W · D

gdzie współczynnik W równy jest RBE lub w_R w zależności od celu, któremu ma służyć obliczany równoważnik dawki.

Jednostką równoważnika dawki jest siwert. Dla promieni X 1 Sv = 1 Gy. Jednostką historyczną równoważnika dawki jest rem od ang. roentgen equivalent man.

1 Sv = 100 rem

Aby uwzględnić różnice w reakcji tkanek na promieniowanie i ich odmienność w pochłanianiu różnych rodzajów promieniowania wprowadzono czynniki wagowe w_T i pojęcie dawki efektywnej*, która ponadto musi uwzględniać dawkę równoważną*. Jeśli całe ciało zostaje napromieniowane dawką jednostkową czynniki w_T mówią, jaki ułamek całości dawki stał się udziałem poszczególnej tkanki.

W obliczaniu dawki efektywnej dla jednego narządu i jednego rodzaju promieniowania posługujemy się wzorem E = D · w_R · w_T.

Tak więc np. dla wywołanej cząstkami alfa dawki 10 mGy pochłoniętej w skórze dawka efektywna jest obliczana następująco: E = 10 · 20 · 0,01 = 2 mSv. W bardziej złożonych sytuacjach obliczenia wymagają większej finezji.

Wartości wagowego czynnika dla różnych tkanek

(wg: „Sources and effects of ionising radiation”. UNSCEAR 2000 Report to the General Assembly, with Scientific Annexes. Vol. 1, Annex A, str. 56 ):

Tkanka lub narząd	w_T
Gonady	0,20
Płuca	0,12
Jelito grube	0,12
Czerwony szpik	0,12
Żołądek	0,12
Wątroba	0,05
Tarczyca	0,05
Przełyk	0,05
Pęcherz moczowy	0,05
Gruczoły sutkowe	0,05
Skóra	0,01
Powierzchnia kości	0,01
Pozostałe	0,05
Całe ciało razem	1,00

Pod hasłem warunki napromieniowania rozumiemy przede wszystkim

· moc dawki,

· sposób frakcjonowania dawki,

· masę napromienianych tkanek,

· napromienianie narządów krytycznych,

· natlenowanie tkanek.

· Mocą dawki pochłoniętej nazywamy stosunek dawki pochłoniętej do czasu w jakim była podana (Gy/h, mGy/min, itp.). Analogicznie określamy moc równoważnika dawki (mSv/y, mSv/h, ...). Jednorazowe napromieniowanie jakąś dawką przyniesie inny skutek niż rozłożenie tej dawki na kilka dni, tygodni, miesięcy lub lat. Niekorzystne zmiany wywołane małymi mocami dawek mogą być naprawione, o ile natężenie ich występowania nie przekracza możliwości obronnych komórki. Przy małej mocy dawki jest czas na naprawę przed następnym „uderzeniem” w komórkę.

· Organizm jest w stanie łatwiej tolerować dużą dawkę sumaryczną rozłożoną na więcej frakcji, niż naświetlanie kilkoma relatywnie dużymi dawkami. W radioterapii tak dobiera się dawkę sumaryczną, poszczególne dawki frakcjonowane i odstępy między naświetleniami, aby proporcja prawdopodobieństwa miejscowego wyleczenia do prawdopodobieństwa wystąpienia powikłań była najbardziej korzystna.

· Napromieniowanie dużej masy tkanek przyniesie bardziej wyraźne ogólnoustrojowe efekty niż skupienie całej energii promieniowania na izolowanej, małej części ciała (pomijamy części o szczególnym znaczeniu). Dotyczy to zarówno wykorzystania możliwości dobroczynnego działania promieniowania, jak np. w stosowanej dla zwiększenia odporności organizmu terapii poprzez naświetlanie całego ciała, jak również w przypadku szkód powodowanych przez zbyt duże dawki promieniowania. W uszkodzonych tkankach powstają różne substancje działające niekorzystnie na cały organizm (np. histamina*), a ich ilość jest wprost proporcjonalna do masy uszkodzonych tkanek.

· Osłonięcie lub napromieniowanie narządów szczególnie ważnych dla funkcjonowania organizmu, a jednocześnie szczególnie narażonych na uszkodzenie przy napromieniowaniu, może mieć kapitalne znaczenie dla ostatecznego wyniku napromieniowania (w przypadku dużych dawek – zwiększenia lub zmniejszenia szansy przeżycia napromieniowanego osobnika).

· Bogate unaczynienie, a tym samym dobre zaopatrzenie tkanek w tlen, zwiększa ich promienioczułość. Nowotwory złośliwe* mają ze swojej natury często bogate, choć patologiczne, unaczynienie. Większe niż fizjologiczne natlenowanie napromieniowywanych tkanek można osiągnąć podając krew bogatą w tlen do tętnicy zaopatrującej dany narząd lub stosując perfuzję pozaustrojową, czyli „przełączając” go do zewnętrznego krwiobiegu. Sposoby te bywają wykorzystywane w radioterapii.

Osobnicza wrażliwość na promieniowanie u przedstawicieli tego samego gatunku jest dość zróżnicowana, a zmienia się również u pojedynczych osobników np. z wiekiem i odpowiednio do stanu ogólnego osoby napromienianej.

Również wrażliwość gatunkowa jest bardzo zróżnicowana. Jest prawidłowością, że przedstawiciele niższych grup taksonomicznych*, są bardziej odporni.

Dla opisu odporności na promieniowanie badanych populacji wprowadza się pojęcie dawki śmiertelnej (LD od ang. lethal dose lub zamiennie DL od łac. dosis letalis). Wszystkie odmiany tej dawki zakładają jednorazowe napromieniowanie w krótkim czasie (do kilku godzin) całego ciała oraz brak pomocy medycznej po napromieniowaniu. Najbardziej przydatną dla porównań jest średnia dawka śmiertelna.

· Minimalna dawka śmiertelna (LD_min) – najmniejsza dawka promieniowania, przy której pojawiają się przypadki śmierci w wyniku napromieniowania opisywanej populacji.

· Średnia dawka śmiertelna (LD₅₀³⁰) – dawka promieniowania powodująca śmierć połowy osobników populacji w ciągu 30 dni od napromieniowania.

· Maksymalna dawka śmiertelna (LD_max) – minimalna dawka powodująca śmierć wszystkich osobników napromieniowanej populacji.

Średnie śmiertelne dawki dla różnych grup taksonomicznych

(UNSCEAR 96; za Hrynkiewicz A. (Red.): Człowiek i promieniowanie jonizujące. PWN, Warszawa 2001)

Grupa taksonomiczna	Dawka [Sv]
Ssaki	2-14
Ryby	7-60
Skorupiaki	12-210
Rośliny wyższe	6-760
Mięczaki	100-1200
Owady	18-2810
Pierwotniaki	95-5400
Glony, mchy, porosty	40-9800
Bakterie	60-9500
Wirusy	170-10000

Średnia śmiertelna dawka dla człowieka wynosi około 3 Sv.

Do początku

3. Działanie promieniowania na komórkę

Ogólne skutki działania promieniowania na komórkę obejmują pełne spektrum odpowiedzi: od braku jakiejkolwiek reakcji, poprzez przejściowe zmiany czynnościowe lub morfologiczne, do zmian trwałych i wreszcie do śmierci nekrotycznej* komórki w wyniku poważnych uszkodzeń lub apoptozy, tj. aktu samobójczego komórki.

W przeszłości funkcjonowały dwie teorie wyjaśniające negatywne (obserwuje się również pozytywne) skutki działania promieniowania na komórkę:

· teoria tarczy, zakładająca uszkodzenie jakiejś ważnej struktury wewnętrznej komórki;

· teoria toksyczna, zakładająca powstawanie w komórce pewnych trucizn komórkowych.

Obie te teorie są w pewnym sensie prawdziwe. Obecnie odpowiedzialnymi za działanie promieniowania jonizującego na komórkę czyni się następujące mechanizmy:

· wytwarzanie w cytoplazmie* wolnych rodników* (głównie produktów radiolizy wody),

· zmiany w przepuszczalności barier komórkowych (zaburzenie transportu i niewłaściwe rozmieszczenie w cytoplazmie jonów i cząsteczek),

· zmiany w układach enzymatycznych,

· oddziaływanie na cykl mitotyczny*,

· uszkodzenia DNA.

Przejście z poziomu tkanki na poziom komórek wymaga istotnej modyfikacji w rozumieniu takich pojęć jak dawka pochłonięta, czy moc dawki. O ile dla cząstek o małych wartościach LET (mniejszych od ok. 5 keV/mm) liczba komórek biorących udział w absorpcji dawki jest porównywalna z liczbą komórek w naświetlonej tkance, przy takiej samej wartości dawki pochodzącej od cząstek o dużej wartość LET (np. cząstek a), dla których LET jest rzędu 100 keV/mm, tylko znikomy ułamek komórek podlega bezpośredniemu działaniu promieniowania. Tak więc mając średnią wartość dawki pochłoniętej w tkance, nie zawsze łatwo da się tę informację przenieść na dawkę pochłoniętą w komórkach tej tkanki, pomimo tego, że im większa wartość LET, tym komórki poddane działaniu przechodzącej cząstki otrzymują większą dawkę. W wypadku cząstek o wysokich LET mamy również do czynienia ze szczególnie wysokimi wartościami mocy dawek i ich konsekwencjami dla funkcjonowania komórki. Sprawy te znajdują się w ognisku zainteresowań tzw. mikrodozymetrii.

Do początku

4. Działanie promieniowania na materiał genetyczny

Wszystkie ww. mechanizmy są ważne dla pojedynczej komórki i napromieniowanego organizmu. Uszkodzenia materiału genetycznego, czyli głównie DNA, mogą rzutować również na potomstwo lub możliwość jego posiadania. Uszkodzenia mogą polegać na

· zerwaniu pojedynczej nici DNA,

· zerwaniu podwójnej nici DNA,

· uszkodzeniu zasad azotowych związanych z dezoksyrybozą* (purynowej lub pirymidynowej),

· powstaniu krzyżowych połączeń białek jądrowych* i DNA (w obrębie jednej lub dwóch nici).

Dawka 1 mSv/rok promieniowania naturalnego daje 0,005 uszkodzeń DNA/komórka/dzień i 10 razy mniej uszkodzeń podwójnej nici. Ponad 100 milionów razy więcej uszkodzeń DNA powstaje z powodów innych niż promieniowanie. W ciele „umownego człowieka” w jednej komórce powstaje 1 milion spontanicznych uszkodzeń DNA dziennie, w tym 1/10 uszkodzeń dwuniciowych. Te spontaniczne uszkodzenia DNA powodowane są głównie przez agresywne rodniki tlenowe (ROS – radical oxygen species) powstające w trakcie metabolizmu. Komórki narażone od początku życia na Ziemi na tak olbrzymi strumień czynników mutagennych, w których promieniowanie stanowi znikomą część, wytworzyły w procesie ewolucji mechanizmy obronne. Napromieniowanie indukuje ekspresję* różnych genów i przekazywanie sygnałów wewnątrzkomórkowych. Geny wczesnej odpowiedzi wyzwalają procesy ułatwiające funkcjonowanie komórki po napromieniowaniu. Produkowane są enzymy wycinające uszkodzone nukleotydy* (glikozylazy*, endonukleazy*) oraz enzymy naprawcze (polimerazy*, replikazy* i inne) odpowiadające za resyntezę* i ligację* nukleotydów. Geny pośredniej i późnej odpowiedzi kodują cytokininy* i czynniki wzrostu mogące wpływać na promienioczułość.

Proces syntezy DNA jest bardzo złożony. Kompleks replikacyjny tworzony jest zapewne przez kilkadziesiąt białek. Nie mamy jeszcze pełnej wiedzy jakie sygnały są potrzebne, aby rozpoczęła się replikacja DNA, jakie czynniki regulują replikację DNA w tkankach młodych i starych, w tkankach zarodkowych i już zróżnicowanych, albo w tkankach zmieniających się nowotworowo.

Dzięki istnieniu potężnych mechanizmów naprawy, pomimo ciągłego ogromnego strumienia spontanicznych uszkodzeń nici DNA, zapis genetyczny w cząsteczkach DNA jest bardzo trwały, o czym świadczy trwałość gatunków i dziedziczonych cech osobniczych.

Do początku

5. Działanie promieniowania na zapłodnione jajo, zarodek i płód

Znaczna liczba dzieci (około 6 %) przychodzi na świat z poważnymi wadami wrodzonymi, z których najtragiczniejsze są zaburzenia rozwoju ośrodkowego układu nerwowego.

Na podstawie badań klinicznych i doświadczalnych stwierdzono że:

1. Istnieje ogromna różnorodność czynników teratogennych (powodujących wady), które można uporządkować następująco:

· czynniki fizyczne (promieniowanie jonizujące, temperatura, niedotlenienie, ciśnienie płynu owodniowego*);

· niedobory czynników odżywczych w przebiegu ciąży;

· inhibitory* wzrostu i swoiste związki metaboliczne;

· czynniki infekcyjne;

· czynniki hormonalne;

· leki i inne związki chemiczne niż wymienione wcześniej, a posiadające właściwości teratogenne.

2. Wrażliwość zarodka na poszczególne czynniki zmienia się w przebiegu rozwoju. Istnieją krytyczne okresy wrażliwości dla poszczególnych tkanek i narządów, różne dla różnych czynników teratogennych.

3. Istnieje specyficzne działanie poszczególnych czynników teratogennych.

4. Czynnik teratogenny nie musi być szkodliwy dla matki.

Skutki napromieniowania zarodka lub płodu zależą od wielkości dawki i okresu ciąży. Wyróżniamy trzy okresy życia wewnątrzmacicznego:

1. preimplantacyjny – od zapłodnienia jaja do jego zagnieżdżenia się w śluzówce macicy około 9 dnia ciąży,

2. organogenezy (do końca 6 tygodnia) – odbywa się proces formowania narządów,

3. płodowy – od momentu wytworzenia łożyska do porodu (około 280-go dnia).

W okresie wczesnej ciąży napromieniowanie dużą dawką prowadzi najczęściej do śmierci zarodka, zaś napromieniowanie w okresie organogenezy sprzyja wystąpieniu wad wrodzonych lub śmierci okołoporodowej.

Napromieniowanie gonad rodziców jednorazowo dużą dawką (dla jąder 3,5-6 Sv i dla jajników 2,5-6 Sv) może prowadzić do trwałej bezpłodności i zwiększa częstość występowania wad wrodzonych. Przemijająca bezpłodność może wystąpić dla dawki na jądra >150 mSv. W Hiroszimie i Nagasaki, u potomstwa osób które przeżyły napromieniowanie nawet wysokimi dawkami nie stwierdzono żadnych zaburzeń genetycznych (UNSCEAR, 2001, p. 83 i 88)

Na przykładzie osób, które w Hiroszimie i Nagasaki otrzymały dawkę około 0,5 Sv, widać wyraźnie korzystne skutki napromieniowania rodziców – mniejszą śmiertelność niemowląt, mniej aberracji chromosomalnych i zaburzeń liczby chromosomów, oraz mniej mutacji białek krwi.

Do początku

6. Działanie promieniowania na tkanki. Narządy krytyczne

Promienioczułość tkanek zależy od stopnia zróżnicowania* komórek tkanki i ich aktywności proliferacyjnej*. W roku 1906 radioterapeuci francuscy Bergonie’ i Tribondeau zauważyli, że radioczułość komórek ssaków jest proporcjonalna do szybkości podziałów komórkowych i odwrotnie proporcjonalna do stopnia ich zróżnicowania. Spostrzeżenie to nosi nazwę prawa albo zasady Bergonie i Tribondeau. Promienioczułymi są więc szpik i tkanka limfatyczna, komórki płciowe i komórki nabłonka jelit. Mniej wrażliwymi są komórki mięśniowe, narządy miąższowe (jak wątroba), tkanka nerwowa i łączna.

Można dodatkowo mówić o promienioczułości względnej, która bierze również pod uwagę znaczenie tkanki dla organizmu i skutki jej popromiennych uszkodzeń. Stosując takie podejście wprowadza się pojęcie narządu krytycznego, czyli takiego który będąc istotnym dla organizmu jest najbardziej uszkadzany przez dany rodzaj promieniowania w danych warunkach napromieniowania. I tak dla promieni X i gamma narządem krytycznym będą szpik, gonady i soczewka oka. Dla wchłoniętego promieniotwórczego izotopu jodu – tarczyca, zaś dla preparatu alfa-promieniotwórczego wprowadzonego do przewodu pokarmowego – śluzówka jelit.

Do początku

7. Skutki napromieniowania małymi dawkami (poniżej ok. 0,2 Sv)

Duże dawki promieniowania są zawsze szkodliwe, natomiast małe (różne dla rozmaitych tkanek) mogą dawać efekty korzystne. W zakresie małych dawek niewielkie uszkodzenia naprawiane są przez stosunkowo silne, indukowane przez promieniowanie, mechanizmy obronne i naprawcze. Uszkodzenia wywoływane przez promieniowanie jonizujące nie różnią się niczym od uszkodzeń powodowanych przez inne czynniki wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe, więc pobudzenie mechanizmów obronnych stawia komórkę w korzystnej sytuacji. W miarę zwiększania mocy dawki wydajność obrony komórkowej maleje.

Napromieniowanie ciała małą dawką rozłożoną w czasie może zwiększyć siłę odpowiedzi immunologicznej, choć zastosowanie dawki nieco większej ma działanie przeciwne. Napromieniowanie np. myszy dawką 0,2 Sv przyniosło znaczny wzrost poziomu przeciwciał w surowicy. Napromieniowanie trzymiesięcznych myszy dawką 0,5-1 Gy promieni gamma cezu-137 dało 2-krotne zmniejszenie częstości występowania raków i mięsaków.

Dla populacji mieszkańców Nagasaki napromieniowanej dawką około 0,1 Sv stwierdzono zmniejszenie zapadalności na białaczki, raka płuc i raka jelita grubego. Podobne wyniki dają badania przeprowadzone w USA nad zależnością zapadalności na raka płuc od stężenia radioaktywnego radonu w mieszkaniach.

Opisane wyżej działanie małych dawek znajduje zastosowanie w terapii przy pomocy napromieniania małymi dawkami (LDI od ang. Low Dose Irradiation), podczas którego całe ciało lub jego połowa eksponowane są 3 razy w tygodniu przez 5 tygodni na działanie dawki np. 10 R. (10 R~0,1 Gy) Ten rodzaj leczenia bywa traktowany jako metoda uzupełniająca np. w leczeniu nowotworów.

Tymczasem w ochronie radiologicznej stosowane jest niemal wszędzie na świecie podejście oparte o hipotezę liniową bezprogową (LNT od ang. Linear No-Treshold), zakładającą, że każda zaabsorbowana dawka jest szkodliwa. Istnieją dwie podstawy tej hipotezy:

· Efekty zdrowotne ob