1. VIRI IONIZIRAJOČEGA SEVANJA

Ionizirajoče sevanje: je sevanje, katerega energija (ionizacijska) je tako velika (E10eV), da povzroči sprostitev elektronov iz atoma ali molekule.
1 eV je kinetična energija, ki jo pridobi delec z nabojem e0 v električnem polju, ko preide potencialno razliko 1V.
• Umetni viri: rentgenska cev, jedrsko orožje, naprave za tehnološko vrednotenje strukture kovin itd. Predstavljajo manjši del radioaktivne obremenitve.
• Naravni viri: delimo jih na zemeljske vire in na kozmično sevanje.
Okoli 83 naravnih virov ionizirajočega sevanja predstavljajo zemeljski viri. Ti izvirajo iz naravnih radionuklidov (U-238, K-40, Th-232). V telo prihajajo zlasti z vdihavanjem in zaužitjem (cezij, kalij). Največji delež prispeva radon - 50, nato radiacija mineralov v zemlji (geološka ležišča premoga,…) - 20 in radiacija v naših telesih iz hrane (zelenjava, mleko) in vode - 13. Kozmično sevanje predstavlja na tleh v povprečju 17 naravnega sevanja ozadja, kateremu smo izpostavljeni vsi. Ti procenti so različni za različne geografske lege zaradi različne sestave zemlje in nadmorske višine.

Kozmično sevanje sestavljajo primarni in sekundarni žarki.
 Primarni žarki so visokoenergijski (108 – 1020 eV) nabiti delci, ki prihajajo iz globine vesolja in Sonca. Večinoma jih sestavljajo protoni, delci alfa in težja atomska jedra, ki so oddali svoje orbitalne elektrone.
 Ko primarni žarki vstopijo v zemeljsko atmosfero, interagirajo z molekulami zraka. Na nižjih višinah se zaradi povečane gostote zraka poveča tudi število trkov primarnih delcev z atomskimi jedri. Ta jedra sprostijo t.i. sekundarne delce kozmične radiacije (no, e-, nevtrine, gama fotone), ki sevajo manj intenzivno. Nekateri teh delcev se absorbirajo v atmosferi, ostali dosežejo površino zemlje ali pa prodrejo še v globlje plasti. Med drugim so vir 14C v atmosferi in organizmih.

Intenziteta kozmičnega sevanja je odvisna od nadmorske višine (na nadm. višini 0m – 0,26 mSv/leto, na 3000m – 1,33 mSv/leto (glej poglavje 3. Doze in enote)), geografske širine (najmanjša na ekvatorju, največja okrog polov) ter od barometrskega pritiska (pri visokem je zrak gostejši in zato absorbira več radiacije). Na nadmorskih višinah, kjer letijo letala, je obrambna plast zemeljske atmosfere mnogo tanjša kot na tleh in zato je intenziteta kozmične radiacije približno 100 krat večja. Za ljudi, ki letijo občasno, je doza zelo majhna, za letalsko posadko pa naj bi bila letna doza primerljiva z dozo, ki jo prejmejo ostali bolj izpostavljeni delavci, ki imajo opravka z radiacijo.

Do leta 1991 je zgornja meja poklicne doze znašala 50mSv/leto; nova priporočila ICRP (International Commission on Radiological Protection) pa znašajo 20 mSv/leto. Prebivalec naše države prejme povprečno zaradi naravnega sevanja letno efektivno ekvivalentno dozo okoli 2 mSv. Zaradi umetnega sevanja smo dodatno obsevani zelo malo, 1 mSv/leto. 90 tega prinese ionizirajoče sevanje pri postopkih v medicini.

Preiskava mSv
slikanje zob 0,01-0,02
slikanje pljuč 0,01-0,05
slikanje lobanje 0,1-0,2
slikanje medenice 0,7-1,4
CT 2-4
Tabela 1: Izpostavljenost X- žarkom pri rentgenskem slikanju

Pri neposrednem delu z ionizirajočim sevanjem moramo vedno upoštevati zaščitne ukrepe: na območju sevanja se zadržujemo čim manj časa in uporabljamo zaščitna sredstva (svinčeni predpasnik, svinčene rokavice itd.). Pri tem se moramo zavedati, da popolne zaščite ni. Zato je po priporočilih ICRP uporaba sevanja sprejemljiva samo, kadar je pričakovana korist večja od škode. Pa še zlato pravilo: če se da, uporabljajmo varnejša sredstva, npr. ultrazvok namesto rentgenskih žarkov in MRI (Magnetic Resonance Imaging) namesto CT.

2. TIPI IONIZIRAJOČEGA SEVANJA

DELEC ALFA
Delci α so helijeva jedra, ki sestojijo iz dveh protonov in dveh nevtronov, ki jih povezujejo močne nuklearne sile. Imajo dva pozitivna naboja. Nastanejo z razpadom nestabilnih težkih jeder (Z>82), npr. U238, U235, Ra226,…
Razpad nestabilnega jedra X: zXA → z-2YA-4 + 2α 4

Delci α so MONOENERGETSKI, kar pomeni, da imajo točno določeno energijo (3-8 MeV), ki je specifična za dani nuklid. Hitrost α delca je 14,000-20,000 km/s, kar je ena desetina hitrosti svetlobe. Pot, ki jo delec prepotuje v določeni snovi, je odvisna od njegove energije in števila interakcij na poti ter od narave in gostote snovi. Kljub visoki kinetični energiji imajo majhen doseg (visok LET): nekaj cm v zraku in nekaj deset μm v tkivu. Delce α ustavi že list papirja in epidermis, ki ima približno enako debelino in gostoto. Zunanji viri α delcev zato ne predstavljajo pomembne biološke obremenitve, notranji α sevalci pa pridejo v telo s hrano, zrakom, skozi rane in lahko povzročajo hude okvare sluznic. Velike doze radioaktivnega radona lahko povzročijo nastanek pljučnega in bronhialnega raka. Ko delec α potuje skozi snov, oddaja energijo bodisi z ekscitacijo (prehodom orbitalnih elektronov v višje energijske ravni) bodisi z ionizacijo (odstranitvijo orbitalnih elektronov iz atoma). Zaradi visokega naboja in majhne hitrosti so ti delci močni ionizatorji. Potem ko odda vso energijo in ujame dva e- iz okolja, postane helijev atom.

DELEC BETA:
Poznamo dve vrsti β delcev:

NEGATRONI: β – delci, naboj -1, nastanejo s subnuklearno transformacijo, pri čemer se nevtron spremeni v proton. Novo jedro ima enako atomsko maso, atomsko število pa je povečano za ena. Energija, ki se sprosti pri prehodu jedra v osnovno stanje se porazdeli na visokoenergijski foton, kinetično energijo nastalih delcev in delec antinevtrino. Po izgubi energije še vedno obstaja, lahko ga ujame kakšen atom v svoje orbitale.
POZITRONI: β+ delci, naboj +1, nastanejo s subnuklearno transformacijo, pri čemer gre proton v nevtron. Novo jedro ima enako atomsko maso, atomsko število pa je pomanjšano za ena. Energija, ki se sprosti pri prehodu jedra v osnovno stanje se porazdeli na visokoenergijski foton, kinetično energijo nastalih delcev in delec nevtrino. Pri izgubi energije se združi z negatronom, nato pa se spremenita v dva γ-fotona.

Primarni vir so jedra, ki imajo višje ali nižje razmerje no/p+, npr. H3, C14,… Masa β delca je enaka masi elektrona, zato je njihova hitrost blizu svetlobne hitrosti. Energijski spekter je zvezen in obsega vrednosti od 0,0186 do 4,81MeV. Ob prehodu skozi snov postopno izgubljajo energijo v interakcijah z atomi absorbenta; ko oddajo vso energijo, se ustavijo. Absorpcija je odvisna od njihove energije, gostote in debeline absorbenta. So bolj prodorni od α delcev, imajo večji doseg: v zraku potujejo do 1m, v tkivu pa nekaj mm. Interakcije β-delcev z atomi se v splošnem imenujejo TRKI, ki rezultirajo v odklonu delca iz njegove ravne linije (posledica Coulombove sile):

1. elastični: ne pride do sprememb notranje ali totalne kinetične energije delcev, ki trčijo.
RUTHERFORDOVO SIPANJE: je elastični trk β-delca z jedrom atoma; delec se odkloni, a ne izgubi kinetične energije.

2. neelastični: pride do sprememb obeh vrst energij enega ali več delcev, ki trčijo.
ZAVORNO SEVANJE: če sta Z in energija β-delca visoka; delec se zaustavlja, izgubljena energija pa se pretvori v EM-sevanje, ki je po valovni dolžini podobno X-žarkom. Ker nastane zavorno sevanje najverjetneje v težkih snoveh, so voda in plastične mase boljša zaščita pred β-sevanjem kot pa svinec.
IONIZACIJA: interakcija med β-delcem in orbitalnim elektronom. Delec se odkloni, nekaj kinetične energije pa odda elektronu, ki zapusti atom. β delec se ustavi, atom pa se spremeni v ion.

ŽAREK GAMA
Žarki gama so EMV (elektromagnetno valovanje) s svetlobno hitrostjo (300.000 km/s). So fotoni, ki jih sevajo jedra. So zelo prodorni in imajo majhno ionizacijsko moč;zaustavi jih komaj več cm debela svinčena opeka ali zelo gosta betonska stena. Nastanejo z razpadom vzbujenih nestabilnih jeder, ki prehajajo v osnovno stanje (pri β radioaktivnem razpadu). Primer: 60Co sprosti β-delec, tako da nastane 60Ni. Ta je v vzbujenem stanju, v osnovno stanje pa preide tako, da odda dva fotona gama.
*-žarki so monoenergetski, v primeru 60Co pa jih sestavlja nekaj diskretnih energij. Razpon energij je 0,2-1,5 MeV.

Interakcije med snovjo in žarki *
Žarki * se pri prehodu skozi snov obnašajo kot rentgenski žarki. Tako lahko pride posamezen foton v snovi zelo daleč, ne da bi se mu karkoli zgodilo. Snov lahko celo preleti in je zato še vedno tak, kot je bil pred vstopom v snov. Obstaja pa določena verjetnost, da se posamezen foton, ki potuje skozi snov, absorbira, to je, da se izniči in da se njegova energija pretvori v drugo vrsto energije.
Obstajajo trije tipi interakcij s snovjo, ki največ prispevajo k absorbciji fotonov:

1. Fotoefekt
Foton lahko odda svojo energijo nekemu atomu tako, da mu izbije njegov elektron. Pri tem nastane pozitivno nabiti ion. Energija fotona se tako deloma porabi za premagovanje vezavne energije elektrona (kar omogoči izbitje elektrona iz notranje atomske lupine), kar pa jo ostane, jo ima izbiti elektron v obliki kinetične energije. S to energijo lahko postane sekundarni vir ionizacij. Ta pojav imenujemo fotoelektrični pojav ali fotoefekt. Verjetnejši je pri nižjih energijah žarkov in v težjih elementih (z večjim Z), ni pa zelo škodljiv.

2. Comptonovo sipanje
Fotoni lahko tudi trčijo z elektroni v snovi in pri tem izgubijo le del svoje energije. Svojo smer spremenijo za določen kot. Po trku ima foton daljšo * in nižjo *. Izgubljena energija se prenese na elektron (Comptonov elektron), ki se izbije iz atoma z določeno kinetično energijo, in je zato sposoben sekundarnih ionizacij.
Je verjetnejše pri srednjeenergijskih fotonih (0,5-2 MeV) in v lažjih snoveh (voda).

3. Tvorba parov
Zanj je potrebna minimalna energija fotonov 1,02 MeV (22Na, 65Zn), verjetnost nastanka pa se povečuje z večjim vrstnim številom (Z). Ko se visokoenergijski foton gama zelo približa jedru visokega Z, interagira z močnim jedrskim elektrostatskim poljem atoma in izgine. Njegova energija se pretvori v dva delca: negatron in pozitron (materializacija energije). Ko negatron razprši vso svojo energijo, preide v miruoče stanje in obstaja kot prost elektron ali orbitalni elektron atoma. Ko pa se ustavi pozitron, se združi z negatronom. Oba skupaj izgineta. Njuna snov se spremeni v energijo, nastaneta 2 *-fotona, vsak z energijo 0,51 MeV in z nasprotno smerjo gibanja (anihilacijsko sevanje). Sevanja s tako visoko energijo so v nuklearni medicini neuporabna.
ŽAREK X
So EMS, po fizikalnih lastnostih zelo podobni γ sevanju, le da nastajajo v rentgenski cevi (zavorno sevanje). Imajo daljšo valovno dolžino in zato nižjo energijo.V snovi se močneje absorbirajo, so manj prodorni, a bolj ionizirajoči.Uporabljamo jih v diagnostični in terapevtski radiologiji.

NEVTRONSKO SEVANJE
Je snop prostih nevtronov, ki potuje z veliko hitrostjo in povzroča indirektno ionizacijo. Nevtroni so delci brez naboja, prisotni v vsakem jedru (razen pri najlažjem izotopu vodika). Znotraj jedra so stabilni delci; prosti pa so nestabilni in razpadejo, če jih prej ne ujame drugo jedro. Pri razpadu oddajo ß negativen delec in se tako pretvorijo v protone (razpolovni čas je 13 min).

Izvor so:
• jedrski reaktorji (s pomočjo jedrske fisije urana in plutonija)
• pospeševalniki in jedrski topi
• atomske eksplozije
• redki kratko obstojni umetni radionuklidi (17N in 5He)

Materija, ki je obsevana z nevtroni, postane radioaktivna in povzroča ionizacijo. Obnašanje nevtronov in interakcija z materijo, sta odvisna od njihove energije.
Ker so brez naboja (sami po sebi ne ionizirajo), lahko potujejo zelo daleč skozi materijo, ne da bi pri tem interagirali z atomi. Njihov doseg je mnogo večji od α in β delcev. Energijo lahko oddajo le v primeru direktnega trka z jedrom. Trki so pogostejši v snoveh z nizkim Z, zato so materiali narejeni iz lahkih elementov (voda, parafin, grafit,…) bolj efektivni pri ustavljanju nevtronov. Nevtroni interagirajo z jedri na 3 načine: z elastičnimi trki, neelastičnimi trki in ujetjem nevtronov v jedro.
Nevtronsko sevanje se uporablja v bioloških analizah kot metoda za detekcijo, identifikacijo in kvantitativno merjenje elementov v sledeh pri organizmih.

3. DOZE IN ENOTE

• Aktivnost radioaktivnega vzorca (A)
To je število razpadov na časovno enoto radioaktivnega vzorca z N jedri. Je sorazmerna številu teh jeder:
A = ψ × N; ψ -razpadna konstanta
ENOTA: becquerel = Bq (1Bq = razpad 1 jedra v 1 sekundi)
STARA ENOTA: curie = Ci (1Ci = 3,7 × 1010 Bq)

• Absorbirana doza (D)
Je količina energije, ki se absorbira na enoto mase, ob prehodu ionizirajočega sevanja skozi snov.
ENOTA: gray *Gy* = 1J/kg
STARA ENOTA: rad (Radiated Abbsorbed Dose); 1Gy = 100rad
Biološki efekt sevanja je pogosto odvisen tudi od hitrosti, s katero sevanje preda svojo energijo snovi - hitrosti absorbirane doze: ENOTA: Gy/s.

Različni delci in žarki povzročajo različne učinke (absorpcija e- ali fotonov je manj škodljiva kot absorpcija nevtronov ali delcev *). Imajo različen doseg v snovi, biološki učinek in specifično ionizacijo. Bolj nevarni so delci z veliko specifično ionizacijo, ker je pri preletu teh delcev koncentracija škodljivih ionov večja. Zato so uvedli pojem, ki izraža škodljivost sevanja. To je relativni biološki učinek (Relative Biological Effectiveness = RBE).
Dogovorjeno je, da se biološki učinek nekega sevanja primerja z biološkim učinkom izbranega standardnega sevanja (sevanja *-izotopa Co-60).
RBE = D:D; D - doza standardnega sevanja; D - doza kateregakoli sevanja z enakim biološkim učinkom
Elektroni imajo približno enak učinek kot sevanje *-izotopa Co-60, zato za elektrone velja RBE = 1. RBE za protone je dvakrat večji (RBE = 2), za nevtrone 2-10 krat, za delce * pa 10-20 krat večji.

RBE radiacije je močno odvisna od vrednosti LET (linear energy transfer). Ta opisuje gostoto ionizacije oz. povprečno energijo, ki jo nabit delec lokalno prenese na daljinsko enoto poti.
ENOTA: J/m = KeV/*m
LET je obratno sorazmeren hitrosti delca; ko z oddajanjem energije delec izgublja hitrost, gostota ionizacije narašča. Tako nabiti delci odložijo največ energije proti koncu svoje poti (Braggov vrh). Ta maksimum v absorbirani energiji skušamo izkoristiti v radioterapiji z nabitim delci: geometrijo obsevanja načrtujemo tako, da se bo maksimum absorbirane energije ujemal z lego tumorja pod površino telesa. Fotonom (γ sevanje) ne moremo določiti vrednosti LET. S snovjo interagirajo drugače od delcev α ali β, za seboj ne puščajo sledi. Če pa izbijejo elektron iz atoma, lahko temu elektronu določimo LET.

• Ekvivalentna doza
Glede na vrsto in energijo sevanja se določi ekvivalentno dozo. Je enaka produktu doze in relativne biološke učinkovitosti: D = RBE ×D.
ENOTA: J/kg = 1 sievert (1Sv = RBE * 1Gy)
STARA ENOTA: 1rem (Roentgen-equivalent-man) = 1 rad * RBE = 0,01 Sv.
Pri obsevanosti lahko upoštevamo tudi časovno razporeditev sevanja, saj se poškodovani deli organizma tudi obnavljajo, a le v določenem času. Tako je pomembna tudi hitrost ekvivalentne doze: ENOTA: Sv/s.
Pri enaki ekvivalentni dozi različnih vrst sevanj lahko pričakujemo v različnih organih in tkivih različno verjetnost bioloških posledic (npr. doza 200 mSv naredi manjše poškodbe v mišici kot v kostnem mozgu).

• Efektivna doza
Ta upošteva še specifičnost posameznih organov in tkiv. Z efektivno dozo prikažemo delno obsevanost telesa kot obsevanost celega telesa.
ENOTA: sievert (Sv)

Ekvivalentna doza in efektivna doza sta količini za rabo v varstvu pred sevanjem; z njima ocenjujemo verjetnost stohastičnih učinkov doz, ki so daleč pod pragom za deterministične učinke.

• Ekspozicijska (ionizacijska) doza
Meri, koliko ionizacij nastane v 1kg zraka pri normalnih pogojih pri prehodu ionizirajočega sevanja skozi snov.
ENOTA: C/kg = 1 Columb/kg (povpr. energija za produkcijo ionskega para v zraku je 34eV; 1C/kg = 34 Gy. Za vodo in tkiva : 1C/kg * 36-38 Gy. To velja le za X in * žarke.)
STARI ENOTI: 1 rentgen = 2,58 * 10-4 C/kg
1 rad (rd) = 100 ergov/g = 10-2 Gy

4. DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA VODO

Ker večina bioloških sistemov vsebuje velik odstotek vode (npr. protoplazma), imajo radioliza vode in njeni produkti (vodik, kisik, vodikov peroksid) pomembno vlogo pri indirektni radiaciji. To pomeni, da sevanje ne poškoduje biološke molekule direktno, ampak preko sekundarnih produktov sevanja. Ionizirajoče sevanje vode povzroči nastanek visoko reaktivnih prostih radikalov (za njih je značilno, da imajo neparen elektron v zunanji orbitali ali pa liho število elektronov): VODIKOVEGA in HIDROKSILNEGA.

Primarna ionizacija: ionizirajoče sevanje izbije eˉ; H2O → H2O+ + eˉ
Za nastanek prostih radikalov pa obstajata dve razlagi:
1. eˉ nima dovolj energije, da bi odpotoval zelo daleč (15 nm) in ioniziral druge molekule vode. Ujame ga molekula vode, ki postane negativno nabita in disociira:
eˉ + H2O → H2O-
H2O- → H· + OH-

Pozitivni ion disociira, ali pa reagira z novo molekulo vode:
H2O+ → OH• + H+
H2O++ H2O → OH· + H3O+
Po tej teoriji vodikov radikal izvira od negativnega iona, hidroksilni radikal pa od pozitivnega.

2. eˉ izgubi svojo energijo tako hitro, da ne more uiti elektrostatskemu polju pozitivnega iona (prepotuje razdaljo samo 2 nm), nastane vzbujena molekula vode:
H2O++ eˉ→ H2O*→ H· + OH·

V čisti vodi lahko pride do kombiniranja :
OH· + OH· → H2O2
H· + H· → H2
Zgornji dve reakciji sta bolj verjetni pri sevanju z veliko gostoto ionizacije (visok LET), zato ker je razdalja med istovrstnima radikaloma manjša od tiste med raznovrstnima. Ti produkti nastanejo v rangu 10-7.
Za sevanje z nizkim LET pa sta značilni reakciji:
H· + H2O → OH· + H2
H· + OH·→ H2O
Nekateri prosti radikali in končni produkti lahko napadejo organske ali anorganske molekule v vodni raztopini, reakcije pa so odvisne od stopnje reaktivnosti radikala, narave topljenca in pH raztopine.

5. DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA BIOLOŠKE MAKROMOLEKULE

Vpliv ionizirajočega sevanja na makromolekule je direkten (pride do trka z ionizirajočim delcem ali fotonom, ki gre mimo) ali indirekten (ne absorbira direktno radiacijske energije, ampak jo dobi preko neke druge molekule ali prostega radikala). Vplivi se kažejo v 4 zaporednih fazah:

1.faza (fizikalna faza): ionizirajoči delec ali foton s prenosom energije aktivira molekule in tako nastanejo zelo nestabilni primarni produkti.

2.faza (fiziokemična faza): primarni produkti preko sekundarnih reakcij preidejo predvsem v visoko reaktivne proste radikale.

3.faza (kemična faza): prosti radikali reagirajo med seboj ali z okolnimi molekulami. Pri tem nastanejo nove molekule, ki jih pred obsevanjem ni bilo in so stabilne ali ne. Nestabilne molekule reagirajo še naprej in čez čas se vzpostavi kemijsko ravnotežje.

4.faza (biološka faza): celična protoplazma se odzove na novo nastale kem. produkte.
Prve tri faze trajajo del sekunde, medtem ko je biološki odziv počasen in postane viden šele po več let trajajoči latentni dobi.

Posebno pomembne so funkcijske okvare makromolekul kot so proteini, encimi, NK in polisaharidi (glikogen, celuloza,…). Sevanje povzroči, da makromolekule razpadejo, spremenijo strukturo zaradi prekinitve vezi ali tvorbe novih intra-/intermolekularnih vezi. Pri tem se spremenijo lastnosti molekul, npr. topnost, viskoznost, sedimentacijska hitrost, molekulska masa, absorpcijski spekter,…

PROTEINI:
Prevlada neposredni učinek sevanja, in sicer najpogosteje pride do prekinitve vodikove vezi, S-S mostičkov, deaminacije amino acilnih ostankov, sproščanja vodikovega sulfida iz cisteina in razklenitve imidazolnega obroča. V raztopini in prisotnosti kisika lahko sevanje pri nekaterih proteinih povzroči razpad peptidne vezi; pri tem nastanejo amidi in karbonilne skupine.
Inaktivacijo encimov v raztopini povzročajo indirektni vplivi sevanja preko hidroksilnega radikala. V prisotnosti encimskega substrata je škoda manjša. Pomembno je, kateri del encima je poškodovan; najbolj občutljiv je aktivni center.

NUKLEINSKE KISLINE :
Obsevanje povzroči znižanje viskoznosti, ki je linearno proporcionalno z dozo. Do tega pojava pride, ker sevanje povzroči zvitje NK v bolj kompaktno strukturo (NK zavzamejo manjši volumen) ali pa zaradi prekinitve obeh verig dvojne vijačnice (manjši fragmenti imajo manjšo viskoznost). Bolj pogosta je prekinitev ene verige, ki se nadalje prečno poveže z drugo tovrstno poškodovano DNA. Do takšne povezave pride v primeru odsotnosti kisika, saj le ta povzroča peroksidacijo prostih koncev razklenjene verige in prepreči povezovanje. Sevanje povzroča tudi deaminacijo ali uničenje baz (X- ali γ sevanje v prisotnosti kisika); pri tem so bolj občutljivi pirimidini (najbolj timin). Vodikova vez v DNA za razliko od proteinske ni občutljiva na sevanje.

VLOGA KISIKA PRI OBSEVANJU
Ob prisotnosti kisika je za isti biološki efekt potrebna manjša doza sevanja kot pri hipoksičnih razmerah, saj prisotnost kisika poveča indirektne poškodbe povzročene s prostimi radikali. Kisik je ključen za permanentno poškodbo DNA, ki jo povzročijo prosti radikali. Razmerju med potrebno dozo v hipoksičnih razmerah in dozo ob prisotnosti kisika, ki povzročita isti biološki učinek, pravimo OER (oxygen enhancement ratio). Za X in γ žarke se ta giblje med 2,5 in 3, ker večino škode povzročijo indirektno s prostimi radikali. -delci uničijo celice predvsem z direktno ionizacijo, zato je OER zanje 1.

Vpliv kisika pri malignih celicah:
Maligni tumorji pogosto preraščajo lokalne žile in s tem ustvarijo hipoksična področja s čim manjšo količino kisika, ki še omogoča preživetje. Na ta način so maligne celice manj občutljive na uničenje z X-žarki in učinek radioterapije je manjši. Zato se razmišlja o alternativnih metodah zdravljenja: uporaba nevtronov (imajo manjši OER); zdravila, ki specifično uničijo hipoksične celice.

6. DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA CELICE

Biološka škoda zaradi sevanja se najprej izrazi na celičnem nivoju. V glavnem je odvisna od količine absorbiranega sevanja. Pride do kromosomskih aberacij, do okvar metaboličnih procesov, kar lahko vodi do formacije neoplastičnih celic, sprememb celičnega ciklusa in smrti celice.

Bergonie-Tribondeau-jev zakon
Po odkritju žarkov X je bilo ugotovljeno, da ti lahko ubijejo neoplastične celice brez vidne škode na zdravem tkivu. Diskriminirajo med zdravim in rakavim tkivom in med različnimi zdravimi tkivi organa ali organizma.
Zakon pravi, da je radiosenzitivnost celic premosorazmerna z njihovo reproduktivno aktivnostjo in obratnosorazmerna s stopnjo diferenciacije. Rakave celice pa imajo večjo reproduktivno aktivnost in so manj diferencirane. Izjema so limfociti, ki so visoko diferencirani in se delijo se le ob ustreznem stimulusu, so pa manj rezistentni na sevanje od epitelijskih mukoznih celic.
Kasneje so ugotovili, da se občutljivost na sevanje manjša z večanjem ploidnosti. Radiosenzitivnost je proporcionalna interfaznemu volumnu kromosomov (razmerje med jedrnim volumnom v interfazi in številom kromosomov).

Najbolj pomembni tipi celic so urejeni v skupine po naraščajoči občutljivosti na sevanje:
1.) mišična vlakna in nevroni (visoka stopnja diferenciacije, omejena reproduktivna sposobnost po
rojstvu)
2.) celice vezivnega tkiva (fibrociti, hondrociti)
3.) eritrociti in endotelne celice velikih žil
4.) epitelne celice pljučnih alveolov, granulociti, osteociti in zreli spermiji
5.) spermatociti, spermatide, osteoblasti
6.) malpigijev sloj epidermisa, večina celic GIT mukoze, endotelne celice kapilar in mielociti
7.) spermatogoniji, eritroblasti in zreli limfociti

Občutljivost jedra in citoplazme
Jedro je kontrolni center ter nosilec genetskega materiala,zato je veliko bolj občutljivo kot citoplazma, ki vsebuje kopije več struktur ali organelov.

Kromosomske aberacije
Kromosomi so zelo občutljivi na sevanje. Po absorpciji doze, ki ni letalna za celico, kažejo spremembe v številu in morfološke alteracije, znane kot aberacije.
Sevanje lahko povzroči zlepljanje kromosomov. V anafazi je potem moteno potovanje dveh setov sestrskih kromatid proti poloma delitvenega vretena.
Pride lahko do prelomov kromosomov na enem ali več mestih. Zlomljena dela se lahko povežeta, kar imenujemo restitucija in ne pride do poškodb ali sprememb kromosoma. Če do restitucije ne pride, imamo dve možnosti:
1.) centrični kromosomski fragmenti bodo preživeli in se prenesli v naslednje generacije. Ti bodo nosilci delecije. Acentrični se ne morejo pritrditi na vreteno, zato se izgubijo v procesu citokineze ali prenesejo na eno hčerinsko celico.
2.) zlomljeni konci se lahko spet združijo in producirajo nenormalne kromosomske konfiguracije. Nehomologna kromosoma lahko izmenjata fragmente (recipročna translokacija), lahko pride do inverzije ali nastanka dicentričnega kromosoma.

Poznamo kromosomski in kromatidni tip aberacij: če obsevamo, ko DNA še ni podvojena, se ob podvajanju zlom podvoji na obeh sesterskih kromatidah. Nastanejo aberacije kromosomskega tipa, ki se prenesejo na obe hčerinski celici.
Kromatidni tip aberacij nastane po podvajanju DNA. Ta prizadane samo eno kromatido in se prenese le na hčerinsko celico, ki je prejela kromatido.

Delovanje ionizirajočega sevanja na celice v različnih fazah celičnega ciklusa
Obsevanje aktivno deleče se celice ima lahko različne posledice, ki so odvisne od izpostavljene doze, hitrosti absorbiranja doze, tipa celice in faze celičnega ciklusa, v katerem se nahaja:
• celica se ne more več deliti,
• delitveni čas je podaljšan: zakasnitev nastane zaradi poškodb v jedru, njeno trajanje pa je odvisno predvsem od doze, ki jo je celica prejela. Razlog zanjo, naj bi bila motnja v sintezi proteinov, ki sodelujejo v podvajanju DNA.
Graf 1 Graf 2
Graf opisuje odvisnost preživetja celice od faze celičnega ciklusa v katerem je bila med
obsevanjem.
Občutljivost pada v smeri: MG2G1S
Zato imajo celice, ki so v S fazi največjo
možnost preživetja pri obsevanju z večjimi
dozami.
Če sevalno dozo razbijemo na intervale, se celotni učinek sevanja zmanjša, ker popravljalni mehanizmi v času med posameznimi intervali popravljajo nastalo škodo.
Pri višjih dozah pa so poškodbe že tako velike, da preživetje začne ponovno padati. Po določenem času, ko prenehamo z obsevanjem, pa se preživetje znova popravi(krivulja narašča).
TEORIJA TARČ IN REPARACIJA
Krivulja preživetja
Preživetveno krivuljo dobimo tako, da določeno populacijo celic obsevamo z dozami naraščajočih vrednosti in gledamo, kakšno je preživetje celic. Vidimo, da je krivulja eksponentna, in sicer z večanjem doze eksponentno pada delež preživetih celic (Graf 3).
Teorija tarč
Eksponentno naravo krivulje so razložili s t.i. teorijo tarč. Ta pravi, da v bioloških sistemih (npr. bakterijska celica ali virusni delec)obstajajo določena kritična, prostorsko omejena področja, ki so izredno občutljiva na sevanje-tarče. Predstavljajo jih lahko posamezne molekule, celični organeli ali pa kar celica sama. Učinek ionizirajočega sevanja, ki neposredno zadane tarčo, je lahko inaktivacija tega predela in posledično celo celična smrt.
Kljub temu, je doza zadosti velika, da bi bile vse tarče enkrat zadete, nekatere ostanejo brez zadetkov, druge pa so zadete večkrat. Verjetnost kolikokrat, če sploh, bodo tarče zadete, opisuje Poissonova enačba:
če je a=1
Pn je verjetnost, da bo tarča zadeta n-krat, medtem ko je povprečno število zadetkov (a) ena.
Glede na krivuljo preživetja lahko vidimo, da povečanje doze za nek faktor ne bo zmanjšalo deleža preživetih celic za isti faktor, pač pa bo slednji manjši (nekatere celice bodo zadete več kot enkrat). Pri zelo nizkih dozah, ko je število zadetih celic majhno, je krivulja preživetja skoraj linearna (premica b).
Če to premico podaljšamo, tako da se seka z ordinatno osjo, dobimo na presečišču dozo, ki je potrebna, da je vsaka tarča v opazovanem sistemu vsaj enkrat zadeta (D0). Ta je za vsak organski sistem različna in nam pove kakšna je njegova občutljivost za sevanje.
Graf 3 (linearna skala) Graf 4 (logaritemska skala)


Teorija tarč velja samo za sisteme, kjer nastane določeni učinek zaradi neposrednega zadetka tarče z ionizirajočim delcem. Lahko pa pride do podobnih učinkov tudi zaradi indirektnega delovanja sevanja na celice. To se zgodi v primerih, ko zaradi poškodb okolnega tkiva nastanejo prosti radikali, ki difundirajo v celico in jo poškodujejo (večja verjetnost, da bo do tega prišlo, je v bolj oksigeniranih tkivih).

7. ZDRAVSTVENE POSLEDICE SEVANJA

Deterministični učinki (nestohastični učinki)
Za deterministične učinke je značilno, da imajo prag (sledijo od mejne doze naprej) in so nujna posledica izpostavljanja sevanju. Prag je seveda različen za otroke, odrasle, ostarele, bolne, zdrave itd. Odrasel zdrav človek s precejšnjo verjetnostjo preživi dozo 2 Gy, ki pa je skoraj gotovo smrtna za dojenčka. Za deterministične učinke je značilno tudi, da je stopnja poškodbe odvisna od doze.

Iz praktičnih razlogov jih delimo na zgodnje in pozne:
• Zgodnji deterministični učinki po enkratni dozi sevanja nastanejo takoj pa do nekaj tednov po izpostavljenju: opekline, poškodbe CŽS, okvare hemopoetskega in imunobiološkega sistema, prebavil, gonad in večina okvar zarodka zaradi obsevanja in utero.
• Pozni deterministični učinki so pogosto trajne posledice zgodnjih, npr. brazgotine po koži, sterilnost, strikture prebavil, katarakta očesne leče, hipoplazija kostnega mozga, fibroza pljuč, nefroskleroza, nekroze in atrofije vseh mogočih organov, umska manjrazvitost po obsevanju plodu ter zastoj v rasti po obsevanju otrok.

Stohastični učinki
Stohastični učinki so samo verjetna posledica sevanja in nimajo praga (pojavijo se lahko po neomejeno nizki dozi). Stopnja škode ni odvisna od doze, pač pa z dozo raste verjetnost, da se bo škoda pojavila.

Stohastične učinke delimo na somatične in dedne; prvi zadevajo izpostavljenega posameznika (najpomembnejši od teh učinkov je rak), drugi pa njegove potomce.

8. LITERATURA:

ŽUPANČIČ, Andrej O. (1993). Iz varstva pred ionizirajočim sevanjem v Sloveniji. SAZU Ljubljana.
ARENA (1971). Ionizing radiation and life. Mosby, St. Louis.
NIEMANN, Ernst-Georg (1930). Radiation Biophysics. In Biophysics. W. Hoppe, W. Lohmann, H. Markl and H. Ziegler, editors. Springler-Verglar. Berlin. P289-300.

Viri, dosegljivi na URL:
http://www.hc-sc.gc.ca/ehp/ehd/rpb/environ/cosmic.htm