Biologické poškození tkáně

			Samostatná práce
			Tento článek je editován studenty 2. LF UK v rámci plnění jejich studijních povinností (seminární práce – vypracování zkouškových otázek z biofyziky). Ostatní uživatele prosíme, nezasahujte výrazněji do jeho tvorby až do doby, než bude práce odevzdána (s výjimkou malých editací – opravy překlepů, pomoci s formátováním apod.). Máte-li nějaké náměty či připomínky, uveďte je prosím v diskusi. V případě potřeby kontaktujte autory stránky – naleznete je v historii.
			Stránka byla naposledy aktualizována v pondělí 18. 6. 2018 v 17.21.

Biologické poškození tkáně je patologický projev lidského organismu vystaveného účinku záření. Při procesu poškození je důležitá ionizace – schopnost záření vyrážet elektrony z atomového obalu a tím látku ionizovat, tj. měnit atomy na elektricky nabité ionty. Ionizující záření způsobuje poškození a smrt buněk, na straně druhé může vyvolat adaptační a obranné mechanismy. Důsledkem jsou změny orgánové a systémové, které vedou na úrovni organismu ke vzniku nemoci z ozáření. Pozdní somatické a také genetické poškození se projevuje také na úrovni populace. Biologické poškození tkáně může vyvolat záření vlnové (elektromagnetické) i korposkulární (proud hmotných částic pohybujících se rychlostí menší než rychlost světla, které si zachovávají svou existenci i po zastavení pohybu).

Radiosenzitivita tkáně

Karcinom dělohy a vaječníků

Tkáně tvořící lidský organizmus představují rozdílnou citlivost vůči záření. Tato jejich vlastnost se dá označit jako radiosenzitivita. Při stejném množství absorbovaného záření se v různých tkáních projevují rozdílné biologické účinky. Všeobecně platí, že tkáně, kde probíhají rychlé buněčné dělení, mají výrazně vyšší hodnotu radiosenzitivity (viz dále).

Způsob poškození tkáně

Při ozáření organismu vznikají reaktivní látky, které na úrovni molekulární vedou k radiačně-chemickým změnám molekul, čímž ztrácejí své specifické vlastnosti. Mění se aktivita enzymů, je narušena fosforylace, syntéza NK, specifických bílkovin apod. Buněčná úroveň poškození se projevuje nejdříve v redukci počtu proliferujících buněk. Ztráta specializovaných buněk vede k prohloubení biochemických změn a k narušení funkce životně důležitých orgánů (např. krvetvorba, střevní epitel apod.). Účinek inonizujícího záření je buď přímý nebo nepřímý:

• Přímý – Při přímém účinku dochází k bezprostředně k absorbci zářivé energie uvnitř jádra buňky. Změny v chemických vazbách způsobují inaktivaci až rozpad zasažené molekuly. Přímý účinek převládá v buňkách s nízkým obsahem vody.
  

  Ionizace molekuly vody.
• Nepřímý – Dochází k radiolýze vody s tvorbou agresivních volných radikálů, které jsou odpovědné za radiační poškození důležitých molekul. Absorbce záření v biologickém prostředí je ovlivněna vysokým obsahem vody. Vzniklé molekuly mohou reagovat s molekulami DNA a vytvářet zlomy v této molekule a tím i letální poškození.

Dopad záření:

• Změna cytogenetických informací. Tento proces vyvolává mutace (podle rozsahu rozdělujeme na bodové, genové, chromozómové a gametické).
  

  Bodová mutace.
• Smrt buňky.Usmrcení buňky je podmíněné vysokou dávkou záření, které způsobuje buď denaturací (ztráta biologické aktivity bílkovin) v buněčných složkách anebo ztrátou schopnosti dělení. Tohoto dopadu záření na buňky je možné vysvětlit nejvyšší biologické poškození v tkáních, kde probíhá rychlé buněčné dělení (např. vyvíjející se zárodek, krvotvorné orgány anebo epitelové tkáně střev).

Dopad záření na lidský organismus

Citlivost k vyvolání cytogenetického efektu

Specifická citlivost lidského organizmu k vyvolání cytogenetického efektu, a tedy s různou predispozicí vzniku nádorů závisí:

• na dávce záření a na dávkovém příkonu, resp. na způsobu ozáření (tedy prostorové distribuci látky)
• na použitém druhu záření
• na metabolickém stavu organismu v době ozáření

Reparační mechanizmus

Konečný výsledek působení ionizujícího záření na buňku a její komponenty je spolu určován teprve uplatněním obnovných mechanismů, reparačních dějů, které v závislosti na časovém faktoru odstraní část důsledků ozáření. Účinky záření na lidský organismus jsou tedy podmíněné rychlostí obnovy buněčného dělení na úrovni postihnuté buňky. Hlavní typy biologického poškození tkání teda můžeme rozdělit na včasné (akutní choroba z ozáření, akutně lokální změny, poškození fertility... ) a pozdní (zhoubné nádory, zákal oční rohovky... ). Molekulární úroveň reparace zahrnuje enzymatické procesy, jimiž jsou napravovány poškozené struktury DNA. Pro obnovu funkcí tkání je významná především obnova cestou proliferace, buněčného dělení z přežívajících kmenových buněk.

Účinky radioaktivního záření na buněčný cyklus

Účinky radioaktivního záření na buněčný cyklus rozumíme sled dějů, které obecně vedou k řadě škodlivých změn (radiotoxicita), z nichž většina bývá reparačními mechanismy buňky opravena. Část však může vést k zániku buňky (buněčná deplece), nebo ke změně genetické informace (mutace), které mohou být trvalé a přenést se do dalších generací. V ozářené populaci se často vyskytují oba typy zároveň.

Buněčná smrt

Buněčná smrt může nastat v případě zásažení buněčného jádra ionizujícím zářením, což může nastat jak během mitozy, tak i během interfáze. V interfázi může dojít k buněčné depleci pouze vlivem velmi vysokých dávek záření (desítky až stovky Gy), při nichž dojde k destrukci a denaturaci zásadních složek buňky, a tím k nekroze buňky. Tento scénář však není příliš častý.

Mnohem častěji dochází k buněčné smrti nepřímo během mitozy (tzv. mitotická smrt buňky). K její iniciaci stačí menší dávky záření (jednotky Gy). Při tomto poškození nedojde k narušení metabolismu buňky, avšak dojde k inhibici buněčného dělení a následné apoptoze.

Obecně platí, že nejčastěji bývají zasaženy tkáně a orgány s vysokou radiosenzitivitou.

Poměr přežívajících savčích buněk v závislosti na druhu a velikosti ozařující dávky. Červené linie označují frakční ozařovaní.

Změny genetické informace

Při nízkých dávkách záření dochází ke změnám, které bezprostředně nenarušují průběh buněčného dělení, ani neusmrcují buňku. Může však dojít k chemickým změnám genetické informace (vlivem vzniklých radikálů), které se nemusí podařit opravit v jednotlivých kontrolních uzlech buněčného cyklu. V tomto případě dochází ke vzniku tzv. mutace, která se může buněčným dělením rozšířit do další buněčné generace.

Radiosenzitivita v jednotlivých fázích buněčného cyklu

Radiosenzitivita buňky se liší podle toho, v jaké fázi buněčného cyklu se daná buňka nachází. Nejvyšších hodnot dosahují buňky v premitotické fázi G2 a M. U buněk s dlouhotrvajícím buněčným cyklem dochází k dalšímu vrcholu ve fázi G1. Naopak nejvyšší radiorezistence je charakteristická pro fázi S.

Z výše uvedeného vyplývá, že ionizujícím zářením budou nejčastěji postiženy ty tkáně, ve kterých dochází k intenzivnímu buněčnému dělení (krvetvorné orgány, výstelka střeva, vyvíjející se zárodek atd.). Dalším důvodem je, že u rychle se dělících buněk je v průměru méně času na opravu poškozené DNA. Naopak tkáně definitivně diferencované či pomalu rostoucí (nervové, svalové) vykazují relativní radiorezistenci.

Ochrana před ionizujícím zářením

Každý materiál má tzv. ochranný faktor. Vždy závisí na typu ionizujícího záření (alfa, beta, gama, neutrony), druhu materiálu a síle vrstvy. Pro jednotlivé typy záření a druhy materiálu se uvedený ochranný faktor běžně vyjadřuje tzv. polotloušťkou označující sílu vrstvy daného materiálu, která sníží za daných podmínek intenzitu dopadajícího (procházejícího) záření na polovinu. Nejjednodušší je stínění pro záření alfa a beta. Pro praktickou představu o záchytu záření alfa a beta můžeme dále uvést:

1. záření alfa zachytí již papír, běžný oděv i osobní ochranné prostředky;
2. pro záření beta postačí překližka, slabá prkna, hliníková fólie o síle 2 až 3 mm; běžný oděv a osobní ochranné prostředky ho zachytí pouze zčásti.

Ionizující záření ve zdravotnictví

Pracovníci na odděleních nukleární medicíny jsou v důsledku manipulace s otevřenými zářiči vystaveni jak externímu záření tak i ozáření z vnitřních zdrojů, jež pochází z vnitřní kontaminace, tj. přítomnosti radionuklidů v jejich těle. Naproti tomu pracovníci v dalších lékařských oborech využívajících ionizujícího záření - radiodiagnostice a terapii – jsou ohrožováni jen externím zářením. V nukleární medicíně je externí záření emitováno jak radionuklidovými zdroji - radiofarmaky, tak i pacienty, v jejichž těle jsou přítomna radiofarmaka aplikovaná pro diagnostické a terapeutické účely. Zdroje ionizujícího záření na radioterapeutických odděleních jsou využívány jak pro zevní ozáření, tak pro brachyterapii (brachyterapie je metoda, při které jsou radioaktivní zářiče zaváděny do orgánů). Zevní ozáření se provádí zejména na přístrojích, které produkují fotonové záření o vysoké energii. Těmito přístroji mohou být urychlovač částic nebo cobaltové cesiové gama ozařovače. K radionuklidovým zdrojům řadíme také Lekselův gama nůž. Další zdroje ionizujícího záření: Rentgenka, Zubní Rentgen, CT – výpočetní tomografie, PET- pozitronová výpočetní tomografie atd.

Ochrana před ionizujícím zářením v medicíně

Kapesní dozimetr.

Ochrana před ionizujícím zářením v medicíně:

1. Pomůcky - Pracovníci se vybavují osobním dozimetrem záření beta a gama. Pracovníci, jejichž ruce jsou vystaveny zvýšené expozici (zejména radiofarmaceuti a lékaři), nosí navíc prstové termoluminiscenční (TLD) dozimetry. Účelem měření radiační zátěže pracovníků pomocí osobních dozimetrů je kontrola, zda nebyl překročen roční limit efektivní dávky 20 mSv a dávky na ruce 500 mSv
2. Ochrana časem - Dávka pracovníka je tím větší, čím déle pobývá v blízkosti zdroje záření nebo pacienta, v jehož těle se nachází radiofarmakum. Metoda ochrany časem zahrnuje též střídání pracovníků, zvláště na nejvíce exponovaných místech.
3. Ochrana vzdáleností - Jelikož dávka resp. dávkový příkon klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje, prodlévání v co největší vzdálenosti od zdroje je nutností, ovšem nesmí to opět být na úkor provedení přípravy pacienta a dohledu nad ním při vyšetření.
4. Ochrana stíněním - Nejvhodnějším materiálem pro odstínění záření gama je olovo pro jeho snadnou zpracovatelnost, dostupnost a cenu, pro pozitronové radionuklidy emitující anihilační záření je vhodnější wolfram, který má větší hustotu a tím i větší absorpční schopnost než olovo.

Odkazy

Související články

• Ionizující záření
• Mutace
• Nádory
• Buněčný cyklus

Externí odkazy

• https://www.med-ed.virginia.edu/courses/rad/radbiol/index.html

Zdroje

• ULLMANN, Vojtěch. Biologické účinky ionizujícího záření [online]. [cit. 2014-12-04]. <http://astronuklfyzika.cz/RadiacniOchrana.htm>.

• HLOUŠEK, Jan. Biologické poškození tkáně [online]. [cit. 2014-12-04]. <https://www.jachymov-joachimsthal.cz/kniha/atomove-stoleti/67.pdf>.

• PEASE, C. Scott. Radiosenzitivity and the Cell Cycle [online]. [cit. 2014-12-04]. <https://www.med-ed.virginia.edu/courses/rad/radbiol/02bio/bio-04-01.html>.

Použitá literatura

• NAVRÁTIL, Leoš a Josef ROSINA. Medicínská biofyzika. 1. vydání. Praha Publishing, a.s. : Grada, 2005. Kapitola 8.17

Biologické účinky ionizujícího záření. s. 371-377. ISBN 80-247-1152-4.