Biologické účinky ionizujícího záření

Absorpce energie ionizujícího záření v látce má kvantový charakter;  dochází k excitacím a ionizacím atomů či molekul, tj. energie je předávána elektronům. Pro některé druhy záření a určité energie mohou nastat primárně i jiné jevy (např. rozptyl nebo jaderné reakce u neutronů, Comptonův jev nebo materializace fotonů g-záření apod.), avšak ve svém důsledku sekundárně vzniklé částice také ztrácejí energii excitacemi a ionizacemi. Tím se ionizující záření principiálně liší od jiných fyzikálních a chemických faktorů, které rovněž mohou negativně ovlivňovat biologické systémy (např. zvýšená teplota, UV-záření, jedy apod.).

Kvantový charakter přenosu energie záření hmotě vede k tomu, že i v homogenně ozářeném vzorku lze nalézt mikroskopické objemy (objekty, místa) s větším počtem ionizací a excitací, nebo naopak místa, kde k žádnému předání energie prakticky nedošlo. Pomocí pravděpodobnosti vzniku  ionizací (která  je pochopitelně úměrná dávce záření) lze charakterizovat počet nezasažených, tj. přežívajících mikroskopických objektů (buněk) v závislosti na dávce záření – na základě tohoto byl formulován tzv. zásahový model/teorie -  k dosažení biologického efektu je nutno zářením zasáhnout (jednou nebo několikrát) určitou citlivou strukturu. Taková citlivá struktura v biologických objektech existuje – je to molekula DNA. Zásah nemusí odpovídat jedné excitaci nebo ionizaci, může to být také shluk ionizací, průchod částice citlivou strukturou apod.

Se vznikem a rozvojem mikrodozimetrie se očekávalo, že se podaří objasnit rozdíly v biologické účinnosti různých druhů záření právě odlišným rozdělením specifické energie, tj. předpokládalo se, že buňka reaguje podle množství energie v ní deponované. Toto očekávání se však nesplnilo, neboť biologická reakce závisí nejen na množství energie, ale také na jejím rozložení uvnitř biologického objektu.

Biologické systémy obvykle obsahují vysoké procento vody a značná část energie záření se proto absorbuje ve vodě. Je tedy důležité vědět, jak působí ionizující záření na molekuly vody. Radiolýzou vody vznikají vysoce reaktivní produkty, jako je hydroxylový radikál OH^·, vodíkový radikál H^·, hydratovaný elektron e_aq a v přítomnosti kyslíku vzniká také značné množství peroxidu vodíku H₂O₂. Všechny tyto produkty mohou vyvolávat další (sekundární) reakce s biologickými molekulami, a mluvíme proto o nepřímém účinku záření – na rozdíl od přímého, kdy je energie záření přenesena bezprostředně na biologickou molekulu. Ve vodném roztoku závisí podíl nepřímého účinku záření na koncentraci biologických molekul, v nichž účinek sledujeme. Čím je menší koncentrace (tzn. že na jednu biomolekulu připadá více molekul vody), tím je nepřímý účinek záření větší. Buňky představují prostředí s poměrně vysokou koncentrací biologických molekul a je zde nutno brát v úvahu jak přímý, tak i nepřímý účinek záření.

Molekula DNA je v buňkách unikátní a je pro existenci buňky velmi důležitá, neboť v ní je obsažena základní informace o struktuře a funkci buňky. U vícebuněčných organismů je navíc v molekule DNA obsažena základní informace o struktuře a funkci organismu jako celku, a to v každém okamžiku jeho vývoje – počínaje od zárodečných buněk a konče smrtí dospělého jedince. Ionizující záření je typické tím, že produkuje ve vysoké míře zlomy DNA. Obecně jsou však radiační změny DNA velmi různorodé - kromě jednoduchých a dvojitých zlomů vznikají také poškození basí, cross-linky uvnitř DNA, lokální denaturace DNA, apod. Často vznikají tato poškození dohromady s jednoduchými nebo dvojitými zlomy.

Řada studií se věnuje  souvislosti mezi vznikem dvojitých zlomů (DSB) a letálním nebo mutagenním účinkem záření. Proporce nereparovaných DSB se zvětšuje při vyšším LET záření, z čehož plyne, že kvalita DSB se může lišit. V poslední době je stále více pozornosti věnováno tzv. komplexním poškozením DNA. Jedná se o poškození vzniklé jako následek vydělení většího množství energie záření ve formě klastru. Takové jevy nastávají i pro g-záření, a přestože jejich četnost je malá, mohou významně přispívat k výslednému radiobiologickému efektu. Komplexní poškození vznikají s podstatně větší četností pro hustě ionizující záření; kyslíkový poměr  pro jejich vznik je menší než pro zlomy DNA (jejich modifikovatelnost na fyzikálně-chemické úrovni je menší) a jejich reparovatelnost enzymatickými systémy je rovněž menší.

Molekuly DNA jsou uspořádány v buňce do chromosomů;  zlomy DNA mohou vést ke vzniku chromosomových aberací. Chromosomové aberace jsou považovány za hlavní příčinu letálního účinku záření. To se potvrzuje podobnou nebo shodnou závislostí vzniku aberací a letálního účinku záření na různých podmínkách ozáření, jako jsou např. přítomnost kyslíku, dávková závislost, závislost na fázi buněčného cyklu, fyzikální vlastnosti záření apod. Frekvence vzniku chromosomových aberací závisí nelineárně na dávce. Lineárně-kvadratická závislost pro vznik dicentrických aberací u buněk ozářených slabě ionizujícím zářením se vysvětluje tou skutečností, že pro vznik této aberace jsou zapotřebí dva DSB, jejichž výtěžek závisí na dávce lineárně. Lineární komponenta je způsobena vznikem shluků ionizací a excitací i pro slabě ionizující záření. Pro silně ionizující záření (neutrony nebo a-záření) je lineární komponenta dominantní.

Zlomy DNA a následně chromosomální aberace jsou většinou neslučitelné s životními funkcemi buňky. Nejčastěji dochází k zániku buňky při pokusu o dělení, kdy neproběhne zdárně separace chromosomů do dceřiných buněk. Zůstane tedy jedna buňka, která následně zahyne. Některé typy aberací zachovávají v buňce prakticky všechny geny ve funkčním stavu a ty se pak mohou dále dělit, i když jejich vlastnosti mohou být pozměněné. Buňky s pozměněnými vlastnostmi jsou nebezpečné pro organismus, neboť mohou vést k nádorovému bujení.

Kromě reprodukční smrti buňky se často setkáváme [Klener 2000]s pojmem “programovaná smrt” neboli apoptóza. Tento typ smrti se od nekrózy liší koordinovaným působením určitých enzymů na počátku procesu. Apoptóza indukovaná zářením je závislá na přítomnosti funkčního genu p53, který nemusí být potřebný pro apoptózu indukovanou jinými prostředky Programovaná smrt buňky je zřejmě určitou ochranou organismu před nádorovým bujením, neboť podnětem k apoptóze je určitý typ poškození DNA. Jestliže buňka nedokáže včas opravit vzniklé poškození, stává se pro organismus rizikovou a je vhodnější tuto buňku nahradit doplněním ze zdravé populace; dochází proto k jejímu sebezničení. Je otázkou, zda by nebylo možné v některých případech zvýšit účinnost radioterapie využitím apoptózy. Programovaná buněčná smrt je v současné době předmětem intenzivního výzkumu.

Kromě letálních účinků způsobuje záření také vznik dědičných změn v živých systémech, tj. změn v genetickém kódu. Může se jednat o genové mutace, ale také o chromosomové aberace slučitelné s životem buňky. V důsledku genetických změn mohou buňky např. změnit svoji schopnost růstu v určitém prostředí.

Velká pozornost byla věnována porovnání různých typů záření z hlediska jejich mutagenní účinnosti. Účinnost různých typů záření se porovnává pomocí tzv. relativní biologické účinnosti (RBE) záření. RBE určitého (testovaného) typu záření je koeficient, který udává, nakolik je tento typ záření biologicky účinnější než tzv. referenční záření (obvykle X nebo g záření). Čím je větší účinnost záření, tím menší dávka je potřebná pro dosažení určitého biologického efektu. RBE je tedy poměr dávek D_g /D_z, kde D_g je dávka referenčního záření a D_z je dávka testovaného záření pro stejný biologický efekt. RBE závisí na dávce, dávkové rychlosti, typu záření (na LET, energii, u neutronů také na spektru sekundárních částic) a může se lišit pro různé sledované biologické efekty. V oblasti malých dávek záření je při lineárních dávkových závislostech veličina RBE na dávce nezávislá. Pro mutagenní účinky záření u savčích buněk ozářených urychlenými těžkými ionty RBE roste se vzrůstající hustotou ionizace, dosahuje maxima při LET (100-200) keV/mm a pro ještě větší LET hodnoty RBE opět klesá. Uvedená závislost společně s dalšími radiobiologickými výsledky vedly k doporučení zavést multiplikačních koeficientů pro záření různé kvality.

Vhodným modelem lidského organismu pro popis účinků záření na člověka je představa lidského těla jako souhrnu sebeobnovných buněčných populací. Sebeobnovné buněčné populace jsou plně rozvinuty v organismu plodu a novorozence, později se diferencují a plně jsou zachovány po celý život jen v některých tkáňových a buněčných systémech, např. v systému červené krvetvorby. V periferní krvi člověka cirkulují bezjaderné erytrocyty, které jsou plně vybavené svým tvarem a obsahem hemoglobinu pro transport kyslíku. Vliv ionizujícího záření na červenou krvetvorbu lze zjednodušeně vysvětlit tím, že vnímavými populacemi jsou kompartmenty buněk schopných dělení. Po jednorázovém ozáření se velikost těchto kompartmentů v závislosti na výši dávky zmenší. Přijmeme-li představu, že lidský organismus je souborem buněčných populací různých růstových charakteristik, pak při znalosti prostorové a časové distribuci dávky můžeme patogenetické pochody vedoucí ke klinickým projevům poměrně výstižně rekonstruovat. Pro komparativní posuzování účinků ionizujícího záření na biologické systémy je zaveden pojem radiosenzitivita.

Ozáření člověka může vyvolávat některé chorobné změny projevující se v průběhu dnů až týdnů, jiné v průběhu roků a desítiletí. To vedlo v minulosti k rozlišování časných a pozdních následků ozáření. V posledních desítiletích bylo zavedeno jiné třídění opírající se o základní typy vztahu dávky a účinku. Poznání tohoto vztahu a jeho popis vhodným kvantitativním parametrem je hlavním cílem biologických a medicínských studií zaměřených na ochranu před ionizujícím zářením. Na základě těchto znalostí lze pro činnosti za kontrolovaných podmínek vymezit cíle a kritéria radiační ochrany a pro případy mimořádných situací spojených s ozářením lidí odhadnout možné následky i úkoly zdravotnické pomoci. Účinky ionizujícího záření se z hlediska integrovaného savčího organismu dělí na deterministické, kdy při dosažení určité dávky ionizujícího záření efekt zákonitě nastává, a stochastické, kdy se stoupající dávkou stoupá pravděpodobnost poškození.

Pro deterministické účinky je charakteristická prahová závislost na dávce. Kvantitativním ukazatelem, pomocí něhož lze odhadnout možné následky ozáření, je prahová dávka pro ten který účinek, popřípadě hodnota 50% efektivity vztažená ke zvolené referenční době po ozáření, tedy např. LD 50/30. Důležitým rysem této skupiny účinků je měnící se klinický obraz se stoupající dávkou, jinak řečeno, intenzita projevů a jejich zdravotní závažnost je závislá na dávce.

Akutní nemoc z ozáření vniká typicky po jednorázovém celotělovém ozáření vyšší dávkou pronikavého záření. Takové případy nejsou časté a v denní praxi radiační ochrany se s nimi nesetkáváme. Přesto je rozbor takových případů velmi instruktivní pro pochopení patogenetických představ o rozvoji deterministických účinků. Akutní nemoc z ozáření u člověka byla podrobně popsána u obětí jaderného útoku na japonská města v roce 1945, později se vyskytla řada jednotlivých případů ozářených při nehodách reaktorů nebo při ztrátě kontroly nad radionuklidovými zdroji; rovněž černobylská havárie přispěla k poznání tohoto syndromu pro rozsáhlou skupinou jednorázově ozářených pracovníků elektrárny a záchranářů.

Druhým typem významných biologických změn v důsledku ozáření jsou stochastické účinky, jež jsou důsledkem změn v buňkách přeživších ozáření. Změněná buňka se může, po značném časovém odstupu, vyvinout v nádor. Obranné a reparační schopnosti organizmu činí tento vývoj při malých dávkách velmi nepravděpodobným, nicméně nejsou známy žádné dávky, pod nimiž by ke vzniku nádoru nemohlo dojít. Kancerogenní účinek záření byl prokázán v epidemiologických studiích u různých ozářených populací, kde byl pozorován zvýšený výskyt nádorů oproti srovnatelné kontrolní populaci. S hlediska jednotlivce roste s dávkou záření pravděpodobnost vzniku nádoru, nikoliv intenzita či stupeň účinku. Stochastický, tedy náhodný s hlediska určitého jedince, charakter mají i dědičné důsledky ozáření, projevující se u potomstva ozářených osob.

V návaznosti na studiu biologických účinků záření byly analyzovány  poznatky o radiační kancerogenezi - za základ  výpočtů byla zvolena data o úmrtích na zhoubný nádor u obětí jaderného bombardování japonských měst. Pomocí těchto analýz byly odvozeny koeficienty objektivní zdravotní újmy, do které jsou zahrnuty koeficienty rizika úmrtí na nádor, koeficienty charakterizující význam vyléčených nádorů a koeficienty dědičných poškození, a to všechno zvlášť pro obecnou populaci a zvlášť pro pracovníky.

Tabulka : Koeficienty pravděpodobnosti výskytu stochastických účinků [ICRP 1991]

Obecně vyjadřují modely rizika funkční závislost velikosti rizika na vnějších faktorech. Hodnocení kancerogenního rizika ve vztahu k radiační dávce, resp. expozici vychází z bezprahového lineárního modelu.

Jestliže lze zabránit vzniku deterministických účinků tím, že dávka nepřekročí prahovou hodnotu daného účinku, v případě stochastických účinků nelze jejich vznik zcela vyloučit; můžeme jej pouze omezit pravděpodobnost jejich vzniku na míru pokládanou za přijatelnou pro jednotlivce a společnost.