1 UVOD
Sevanje delimo na neionizirajoče in ionizirajoče sevanje. V tem seminarju se bomo osredotočili predvsem na ionizirajoče sevanje.
Neionizirajoča sevanja imajo nižje frekvence v primerjavi z ionizirajočimi sevanji. Delimo jih na električna, magnetna polja, infrardeča svetloba, vidna svetloba, UV svetloba. Glavni viri neionizirajočih sevanj so daljnovodi, gospodinjske naprave radijski in televizijski oddajniki, radarji, vidna svetloba, mobilni telefoni in njihove bazne postaje. Nekatera neionizirajoča sevanja lahko zaznavamo s čutili kot so toplota in svetloba.
Ionizirajoča sevanja imajo višje frekvence in s tem višjo energijo v primerjavi z neionizirajočimi sevanji. Zato lahko snov tudi ionizirajo. Med vire ionizirajočega sevanja sodijo rentgenska sevanja, radioaktivnost v zemeljski skorji in zunaj nje. Ionizirajoče sevanje nismo sposobni zaznavati s čutili.
Ionizacija je pojav, ko nabiti delci (npr. sevanje alfa) pri prehodu skozi snov odtrgajo elektrone iz elektronskega oblaka atoma. Ob tem dobimo pozitivno nabit atom (ion), ki mu manjka en elektron, in prost elektron. Skupaj sestavljata ionski par.
2 IONIZIRAJOČI ŽARKI
Preglednica 1: Pregled lastnosti sevanj
Sevanje Naboj Energija Doseg
v zraku v vodi
Alfa +2 3 – 9 MeV 2 – 8 cm 20 – 40 μm
Beta ±1 0 – 3 MeV do nekaj mm
Nevtroni 0 0 – 10 MeV 0 – 100 m do 1 m
X-žarki - nekaj eV – nekaj MeV do 10 m do nekaj m
Gama-žarki - 10 keV – 10 MeV do 100 m do nekaj m
2.1 DELCI α
Alfa delec je atom helija, ki je izgubil oba elektrona in ima atomsko maso 4 ter naboj +2. Sestavljen je iz dveh nevtronov in dveh protonov, ki jih privlačijo zelo močne jedrske sile. Izvori delcev α so težki atomi, ki dosežejo stanje nestabilnosti, to nestabilnost pa popravijo tako, da izvržejo določeno število nukleonov (dva protona in 2 nevtrona). To so ponavadi delci, ki imajo Z > 82 (U238, U235, Ra226).
Enačba razpada: X: zXA → z-2YA-4 + 2α 4 ali praktično 238U → 234Th + 2α4
Z = število protonov, A = masno število
Delci α so monoenergetski, kar pomeni, da imajo pri razpadu enega elementa v drugega vsi izsevani delci α popolnoma enako energijo (3 – 8 MeV ; 1 eV je kinterična energija, ki jo pridobi dobi nabit delec, ko preleti električno polje s potencialno razliko 1 V), ki pa je specifična za nuklid (element), ki razpada. Hitrost delcev α doseže 14000 – 20000 km/s, ko le-ti zapustijo jedro, kar je relativno nizka hitrost (hitrost delca je funkcija kinetične energije in ker je masa delca precej velika, so takšne hitrosti logične).
Doseg, ki ga ima delec α je odvisen od kinetične energije delca, števila interakcij na poti in od narave in gostote medija, v katerem potuje (absorbirajočega materiala). Ker delci α niso sposobni predreti epidermisa (pot v tkivu znaša do 40 μm), ne predstavljajo biološke nevarnosti. Problem nastane, ko α sevalci pridejo v telo (dihanje, zaužitje) in povzročajo okvare sluznic.
Ko delec α potuje skozi absorbirajoči medij, se njegova kinetična energija izgublja z ekscitacijo (prehodom orbitalnih elektronov v višje energijske ravni) bodisi z ionizacijo (odstranitvijo orbitalnih elektronov iz atoma). Možno je tudi trčenje z jedrom drugega atoma.
Ker ima delec α visok naboj in majhno hitrost, je zelo močan ionizator. Potem ko odda vso energijo in ujame dva e- iz okolja, postane helijev atom.
2.2 DELCI β
Delci β so elektroni, ki jih nestabilno jedro izvrže v procesu radioaktivnega razpada. Obstajata dve vrsti delcev β: negatroni in pozitroni.
Negatroni: delci β–, 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 delec β– še vedno obstaja, lahko ga ujame kakšen atom v svoje orbitale.
Pozitroni: delci β+, naboj +1, nastanejo s subnuklearno transformacijo, pri čemer se proton spremeni 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 delec β+ združi z negatronom, nato pa se spremenita v dva γ-fotona.
V nasprotju z delci α, delci β niso monoenergetski. kljub temu, da je razpadna energija radionuklida enaka, ima vsak β delec različno energijo. Spekter energije delcev β je zvezen in zavzema vrednosti od 0,0186 do 4,81MeV. Povprečna energija izsevanega delca β znaša približno 1/3 maksimalne energijske vrednosti. Ta pojav je mogoče razložiti s tem, da pri razpadu radionuklida ne nastane samo delec β, ampak poleg tega tudi nevtrino. Seštevek energij delca β in nevtrina je enak izsevni energiji radionuklida.
Ko delci β potujejo skozi snov, postopno izgubljajo energijo v interakcijah z atomi absorbirajoče snovi. Absorbcija je odvisna od gostote in debeline absorbenta, prav tako pa od začetne energije delca β. Interakcije delcev β s snovjo imenujemo trki. Poznamo dve vrsti trkov, in sicer elastične in neelastične trke:
1. elastični trki: ne pride do sprememb notranje ali totalne kinetične energije delcev, ki trčijo.

Rutherfordovo sipanje (Slika 1): elastični trk β-delca z jedrom atoma; delec se odkloni, a ne izgubi kinetične energije. Odklon se zgodi zaradi elektrostatskih coulombovih sil, ki so lahko privlačne (negatron) ali odbojne (pozitron).

Slika 1: Ruhtherfordovo sipanje

2. neelastični trki: pride do sprememb energij enega ali več delcev, ki trčijo.

Zavorno sevanje (Slika 2): če sta Z absorbenta 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 v težkih snoveh, so voda in plastične mase boljša zaščita pred β-sevanjem kot pa težke kovine z velikim Z.

Slika 2: Zavorno sevanje

Ionizacija (Slika 3): interakcija med delcem β in orbitalnim elektronom. Delec β se odkloni in upočasni, sprememba kinetične energije β delca pa se prenese na elektron, ki zapusti atom. Atom se spremeni v ion.

Slika 3: Ionizacija

2.3 ŽARKI 
V nasprotju s sevanjem α in β, kjer sevajo delci, je -sevanje elektromagnetno valovanje (fotoni) s svetlobno hitrostjo (300.000 km/s). Enerija -žarka znaša med 0,2 in 1,5 MeV. Ker pa so zelo prodorni in imajo majhno ionizacijsko moč, jih lahko zaustavi šele več centimetrov debela svinčena zaščita.
-žarkom je zelo podobno tudi rentgensko sevanje (X-žarki). Razlika med obema sevanjema je le v izvoru. X-žarki so ekstranuklearnega izvora in nastanejo z mehanizmom zavornega sevanja, medtem ko -fotoni nastanejo v nestabilnem jedru pri radioaktivnem razpadu. X-žarki so polienergetski (imajo zvezen spekter), -žarki pa monoenergetski ali pa so sestavljeni iz nekaj diskretnih energij (npr. pri razpadu 60Co imajo energije 1,17 in 1,33 MeV).
Ko sevanje  potuje skozi snov, izgublja energijo z interakcijo z atomi v absorbirajoči snovi. Prav zaradi zgoraj naštetih lastnosti -žarkov (velika prodornost in majhna ionizacijska moč), so sicer interakcije v snovi precej manj verjetne kot pri sevanju β ali α, vendar pa kljub temu možne. Obstaja 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 žarkov- s snovjo:

1. Fotoelektrični efekt (Slika 4): foton  trči v elektron (ponavadi v notranji elektr. orbiti) in mu preda svojo energijo (sam foton izgine) ter ga izvrže iz orbite atoma – nastane kation. Izvrženemu elektronu pravimo fotoelektron. Fotoelektron ima dovolj energije, da postane vir sekundarnih ionizacij. Pojav se pojavlja predvsem v težjih elementih (visok Z) ter če imajo -žarki nizko energijo, ni zelo škodljiv.

Slika 4: Fotoelektrični efekt

2. Comptonovo sipanje (Slika 5): foton  trči v elektron v eni od zunanjih orbit, vendar pri trčenju ne izgine, ampak odda le del svoje energije in spremeni smer gibanja za določen kot . Izbit Comptonov elektron ima dovolj kinetične energije, da je sposoben sekundarne ionizacije. Efekt je najbolj verjeten v snov z nizkim Z in pri energijah žarkov  srednjih vrednosti (0,5-2 MeV).

Slika 5: Comptonovo sipanje

3. Nastanek parov (Slika 6): Je pojav, kjer se energija spreminja v snov. Ko se visokoenergetski foton približa jedru v visokim Z, interagira z močnim jedrnim elektrostatskim poljem in izgine. Energija fotona se popolnoma pretvori v dva delca, in sicer v pozitron in v negatron. Za formacijo enega e+ in enega e- je potrebno vsaj 1,02 MeV energije, zato lahko produkcijo parov sproži le foton z vsaj takšno energijo. Oba nastala elektrona imata ponavadi zadosti energije, da povzročita sekundarne ione na svoji poti. Ko e- izgubi vso energijo, ostane v snovi kot prosti elektron ali kot elektron v ovojnici atoma, e+ pa se kombinira z e-, njuna masa pa se pretvori v dva -fotona s po 0,51 MeV energije. Verjetnost interakcije je višja v mediju z večjim Z.

Slika 6: Produkcija parov

Sevanje  uporabljamo pri radioterapiji. Pri tem so pomembne interakcije žarkov  s tumorskimi celicami. Ker je v vodnem okolju najbolj verjetno Comptonovo sipanje (nizek Z), je prav ta efekt ključ za zdravljenje pri radioterapiji.
2.4 NEVTRONSKO SEVANJE
Je snop prostih nevtronov pri visokih hitrostih, ki pa nima direktnih ionizacijskih moči, so pa sposobni posredne ionizacije. Ko je namreč (biološko) telo obsevano z nevtroni, postane radioaktivno in je samo izvor ionizirajočega sevanja.
Nevtron je elementaren delec, prisoten v vseh jedrih, razen v vodikovem. Nima električnega naboja in je malo težji od protona. V jedru je zelo stabilen, izven jedra pa postane nestabilen in radioaktivno razpade, razen če ga prej ujame drugo jedro. Ko nevtron razpade, izseva β-delec in se pretvori v proton. Razpolovni čas razpada je 13 minut.
Izvori prostih nevtronov so:
• umetni radionuklidi s kratko življenjsko dobo (17N, 5He)
• fisijski jedrski reaktorji (fisija urana in plutonija)
• pospeševalniki delcev in nevtronski topovi
• jedrske eksplozije
Nevtroni so delci brez naboja, zato so sposobni prepotovati dolge razdalje po snovi, ne da bi interagirali z elektroni ali jedrom. Zaradi tega imajo veliko večji domet kot delci α in β. Edini način, kako lahko nevtroni izgubijo energijo je trk z jedrom (kot krogle za biljard). Ti trki so bolj verjetni v snovi z majhno Z (voda, parafin), ker je v takšnih snoveh gostota jeder višja (tanjše elektronske ovojnice).
Obstajajo 3 tipi interakcij nevtron-jedro:
1. Elastično sipanje: nevtron trči v jedro in ga zapusti brez da bi pustil dodatno energijo ali ga vzburil. Pri tem zgubi nekaj energije in se upočasni. Izgubljena energija se prenese na jedro kot odbojna energija (okoli 60 začetne energije nevtrona).
2. Neelastično sipanje: nevtron trči v jedro in ga zapusti v vzburjenem stanju. Jedro preide nazaj v stabilno stanje tako, da izseva -foton. Nevtron tako izgubi del svoje energije.
3. Ujetje: jedro, v katerega trči, ujame nevtron. Posledica je novo sestavljeno jedro, ki je ponavadi nestabilno. Tako jedro preide nazaj v stabilno stanje z izsevanjem -fotona, dveh nevtronov, protona ali delca α, kar je odvisno od energije vpadnega nevtrona.
Nevtronsko sevanje se uporablja v bioloških analizah kot metoda za detekcijo, identifikacijo in kvantitativno merjenje elementov v sledeh.
2.5 KOZMIČNA RADIACIJA
Kozmično sevanje je sestavljeno iz več tipov delcev in fotonov, ki udarjajo na površje zemlje in prihajajo iz vesolja. Sestavljeno je iz dveh komponent, in sicer primarnih in sekundarnih žarkov. Primarni žarki so visokoenergetski delci, ki imajo svoj izvor izven zemeljske atmosfere (verjetno kvazarji ali supernove) – to so večinoma protoni, delci α in atomska jedra.
Ko ti delci vstopijo v atmosfero, reagirajo z molekulami zraka. Ker imajo vpadni delci zelo visoko energijo, dobesedno razstrelijo tarčna jedra in sprostijo nevtrone, elektrone, nevtrine, mezone in fotone . Vsi ti delci in fotoni so del sekundarnega sevanja, ki pa ni tako močno kot primarno sevanje. 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.
3 INTERAKCIJE RADIACIJE S SNOVJO
Katerakoli vidna, z radiacijo povzročena poškodba organizma na celični ali višji ravni se začne s poškodbo na nivoju molekul. To pomeni, da znake, kot so npr. lomljenje kromosomov, uničenje celic, rak, povzročijo spremembe, ki so nastale zaradi radiacije na molekulah, ki so prisotne v citoplazmi.
Del radiacijske energije, odložene v kemični sistem, povzroči kemične spremembe. Energija, ki se ne uporabi na ta način, se razsipa kot toplota; njen učinek je povišanje temperature obsevanega materiala. Kilogram vode se segreje za 2, 4×10-4 ˚C radov, ko absorbira sevanje 1 Gy. Z biološkega stališča je ta energija neškodljiva, ker je potrebnih tisoče za dvig temperature za 1º C.
Radiacija sproži kemično spremembo prek ionizacije ali vzbujanja molekul. Ko je molekula ionizirana, postane zelo nestabilna. Molekula lahko ulovi manjkajoče elektrone ali pa se nekaj njenih kemičnih vezi prekine in nastanejo fragmenti, od katerih imajo lahko nekateri še vedno nestabilno elektronsko konfiguracijo (npr. prosti radikali).
Ionizirajoče sevanje lahko vzbudi molekulo; energija, ki je potrebna za vzbujanje, je precej manjša kot energija, potrebna za ionizacijo molekul. V določenih primerih v vzbujeni molekuli ne pride do sprememb, ker se elektroni spontano vrnejo na osnovni energetski nivo; energija se tako odda v obliki svetlobe (luminiscenca). Sicer pa se lahko izguba odvečne energije odraža v disociaciji vzbujene molekule, kar vodi v kemične spremembe, ali pa lahko vzbujena molekula prenese odvečno energijo na druge molekule s trkom ali kakšnim drugim mehanizmom.
Spremembo molekule lahko ionizirajoče sevanje sproži z direktnim ali indirektnim delovanjem. Sprememba nastane z direktnim delovanjem, če molekula postane ionizirana ali vzbujena, ko jo direktno zadene ionizirajoči delec ali foton, ki gre skozi njo ali blizu nje. Do indirektnega delovanja pride, ko molekula ne absorbira radiacijske energije direktno, ampak jo prejme preko prenosa z druge molekule, ali pa nanjo delujejo prosti radikali.
Delovanje ionizirajočega sevanja na biološki sistem lahko opišemo s štirimi fazami:
1. fizikalna faza
Ionizirajoči delec ali foton naredi vzdolž poti več ioniziranih ali vzbujenih molekul (aktiviranih molekul), ki jih lahko imenujemo »primarni produkti«.
2. fizikalno-kemična faza
Izjemno nestabilni primarni produkti gredo skozi sekundarne reakcije, ki vodijo predvsem v nastanek zelo reaktivnih prostih radikalov.
3. kemična faza
Prosti radikali reagirajo drug z drugim ali z okolnimi molekulami in tako sprožijo nastanek novih tipov molekul, ki v sistemu pred iradiacijo niso obstajale. Nekatere teh novo nastalih molekul so precej stabilne, ostale pa ne in naprej reagirajo druga z drugo. Po nekaj časa se v sistemu vzpostavi kemično ravnovesje.
4. biološka faza
Citoplazma se odzove na novo nastale kemične produkte z nekaj spremembami, ki so lahko mikroskopsko vidne.
Celična poškodba se lahko razširi na tkiva, organe, organske sisteme ali celo na cel organizem. Prve tri faze trajajo zelo majhen delček sekunde, medtem ko je biološki odziv počasen proces, ki lahko traja dneve ali celo leta. Biološki učinek lahko postane viden po dolgem »latentnem obdobju« (4. fazi).
4 DOZE IN ENOTE
Absorbirana doza (D) je količina energije na enoto mase, ki jo sevanje odloži pri prehodu skozi snov. Enota je energija odložena na enoto mase obsevane snovi [1J/kg] in se imenuje gray [Gy]. Stara enota je rad in je stokrat manjša: 1Gy = 100 rad.
Absorbirana doza nevtronov ali delcev α je bolj škodljiva za živo snov, kot enaka doza elektronov in fotonov.
Škodljivost sevanja je določena s količnikom relativne biološke učinkovitosti RBE (relative biological effectivness). Določimo ga tako, da biološki učinek nekega sevanja primerjamo z učinkom izbranega standardnega sevanja (RBE =D/D). Za primerjavo je danes v rabi sevanje gama izotopa Co-60. Po opredelitvi ima relativno biološko učinkovitost 1. Pri določanju RBE moramo navesti tudi okoliščine (parcialni tlak kisika, enkratna ali frakcionirana doza, hitrost doze), ker se lahko za različne poskusne razmere razlikuje.
Za določanje učinkovitost sevanja se uporablja tudi utežni faktor sevanja wR (radiation weight factor). Ta faktor je izbran po vrsti in energiji sevanja. Doza kjer se uporablja utežni faktor sevanja se imenuje ekvivalentna doza HT. Enota za ekvivalentno dozo [1J/kg] se imenuje sievert [Sv]. Stara enota rem je stokrat manjša: 1Sv = 100 rem. V Sv je vključen faktor wR in zato je ekvivalentna doza le ocenjena, ne pa izmerjena. V ekvivalentni dozi so uravnoteženi biološki učinki različnih vrst sevanja. Vendar pa lahko enaka ekvivalentna doza v različnih organih in tkivih povzroči različno verjetnost bioloških posledic.
Efektivna doza E, je ekvivalentna doza HT, pretehtana z wT (tissue weighting factor), to pa je faktor za ocenjevanje specifičnosti posameznih organov in tkiv. Tudi to dozo podajamo v sievertih. V efektivni dozi E je wR neodvisen od tkiva, wT pa neodvisen od sevanja. Njuna vrednost se s časom spreminja.
Aktivnost vzorca povemo s številom razpadlih jeder oziroma delcev na enoto časa. Enota za aktivnost je becqurel [Bq] = 1 razpad/s. Prejšnja enota je bila curie [Ci], znaša 3,7x1010 Bq.
V fiziki delcev uporabljajo še razpadni čas. To je povprečni čas, ki ga delec, ali jedro preživi od začetka opazovanja do razpada. Dobimo ga tako, da razpolovni čas pomnožimo z 1,44. V tem času razpade 63,2 začetnega števila jeder oziroma delcev.
Biološki razpolovni čas je čas v katerem se izloči polovica določene snovi iz organizma oziroma iz določenega organa ali tkiva. Biološki razpolovni čas je odvisen od številnih dejavnikov (biološka vrsta in starost organizma, od hitrosti presnove, načina prehrane…). Pri biološkem razpolovnem času gre le za približno vrednost, ki velja samo za določene razmere.
Učinek fizikalnega in biološkega razpolovnega časa nam da efektivni razpolovni čas (enačba 1).
…[1]
LET-linear energy transfer,linearni energijski prenos je mera prenosa energije na dolžinsko enoto ob prehodu določenega sevanja skozi snov. Definirana je s povprečno energijo, ki jo nabit delec lokalno prenese na daljinsko enoto poti. Enota za LET je J/m oz. keV/μm. Povezan je s specifično ionizacijo: čimbolj na gosto žarki ionizirajo , tem krajša je razdalja, ko oddajo energijo snovi in tem krajši je domen žarkov.Fotonom LET ne moremo določiti, ker ne interagirajo s snovjo in zato ne puščajo za seboj sledi. Lahko pa izbijejo elektron iz atoma in temu elektronu nato določimo LET.
5 DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA
5.1 DELOVANJE IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA VODO IN DNA:
5.1.1 Radioliza vode
Citoplazma je v osnovi vodni sistem. Molekule biološkega pomena se zaradi sevanja spremenijo prek interakcije s produkti, ki izvirajo iz direktnega delovanja sevanja na molekule topila. Radioliza vode je kompleks kemičnih sprememb, ki nastanejo v obsevani vodi.
Obsevana voda (»aktivirana voda«) je zelo reaktivna, ker lahko sproži kemične spremembe v nekaterih sestavinah, ki so raztopljene v njej. Celotne kemične reaktivnosti se ne da pripisati le vodikovemu peroksidu. Ionizirajoče sevanje v vodi sproži nastanek visoko reaktivnih kemičnih zvrsti – ionov in/ali prostih radikalov, kot primarnih ali sekundarnih produktov; oboji so vključeni v vzajemne interakcije ali v reakcije z drugimi molekulami vode ali topljenca.
5.1.2 Prosti radikali
Prosti radikal je prost atom, molekula ali atomska skupina, ki nosi neparen elektron. Prosti radikali imajo zelo kratko življenjsko dobo (red 10-11 s), ker kemično hitro reagirajo z drugimi molekulami, ki jih ionizirajoči delec ali foton ni direktno zadel.
Primer: hidroksilni ion (OH-), ki je prisoten v vsaki vodni raztopini, lahko predstavimo z elektronsko konfiguracijo:
Če izgubi enega od svojih elektronov, je njegova elektronska konfiguracija naslednja: O H
To je hidroksilni radikal, ki ima neparen elektron. Vodikov radikal je prost, električno nevtralen atom vodika.

Mehanizem
Pri obsevanju čiste vode nastanejo prosti vodik, kisik in vodikov peroksid kot stabilni molekularni produkti. Končni produkti nastanejo kot rezultat več možnih tipov reakcij, pri katerih najpomembnejšo vlogo igrata visoko reaktivna vodikov in hidroksilni radikal.
Po splošno sprejeti teoriji ta dva prosta radikala ne izvirata direktno iz obsevane molekule vode, ampak iz ionskega para (H2O+ in H2O-).
Po drugi teoriji pa lahko radikala nastaneta tudi z drugačnim mehanizmom. Izbiti elektron iz zgornje reakcije izgubi svojo energijo tako hitro, da ne more uiti iz polja elektrostatske privlačnosti pozitivnega iona. Po prepotovanih 20 Ǻ ga pozitivni ion privleče nazaj. Nastane vzbujena molekula vode. Ekscitacijska energija se porabi za disociacijo molekule v vodikov in hidroksilni radikal:

Do tega alternativnega procesa naj bi prišlo relativno redko.

Ko gre za ionizirajoče delce z visokimi LET (npr. delci alfa), so razdalje med raznovrstnima radikaloma večje kot razlike med istovrstnima radikaloma, in sicer zaradi visoke specifične ionizacije. Kombinacije istovrstnih radikalov so zato bolj verjetne; nastaneta molekularni vodik in vodikov peroksid:


Nasprotno pa je pri delcih z nizkim LET (žarki X) bolj verjetna reakcija
.

5.1.3 VPLIV IONIZIRAJOČEGA SEVANJA NA NUKLEINSKE KISLINE:
Obsevanje povzroči znižanje viskoznosti nukleinskih kislin, ki je linearno proporcionalno z dozo. Do tega pojava pride, ker sevanje povzroči zmanjšanje rigidnosti molekule in posledično zvitje nukleinske molekule v bolj kompaktno strukturo (zavzamejo manjši volumen), ali pa zaradi prekinitve obeh verig dvojne vijačnice (nastanejo manjši fragmenti dvojne vijačnice, ki imajo manjšo viskoznost).
Kadar je obsevan nukleoprotein, so ti efekti manjši, tako da imajo proteini zaščitno funkcijo.
Možen pojav pri poškodbi nukleinskih kislin je prekinitev ene verige, ki se nadalje prečno poveže z drugo tovrstno poškodovano DNA. Do takšne povezave pride v primeru odsotnosti kisika. V prisotnosti kisika pa le-ta povzroča peroksidacijo prostih koncev razklenjene verige in prepreči povezovanje.
Sevanje povzroča tudi deaminacijo ali uničenje baz (X- ali Y- sevanje v prisotnosti kisika); pri tem so bolj občutljivi pirimidini (najbolj timin).
Vodikova vez v DNA, za razliko od proteinske, ni občutljiva na sevanje.
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 žarke X in Y se ta giblje med 2,5 in 3, ker večino škode povzročijo indirektno s prostimi radikali. Alfa delci uničijo celice predvsem z direktno ionizacijo, zato je OER 1,0.
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.
5.2 DELOVANJE NA CELICE
Učinke ionizirajočega sevanja lahko proučujemo na aktivno delečih se celicah. Opazimo različne posledice, ki so odvisne od prejete doze, hitrosti absorbiranja doze, tipa celice in faze celičnega cikla v kateri se celica nahaja med obsevanjem:
• Nediferencirana celica umre določen čas po obsevanju
• Nediferencirana celica preživi, vendar je mitoza permanentno inhibirana (celice velikanke)
• Nediferencirana celica preživi in se lahko deli, vendar pride do mitotične zakasnitve
• Diferencirana celica preživi, vendar atrofira
• Diferencirana celica preživi, poškodbe se ne da ugotoviti
Celice so najbolj občutljive v mitozi (M) oziroma blizu nje, najmanj pa v fazi S celice, ki so v tej fazi imajo tako največjo možnost preživetja (encimski popravljalni mehanizmi popravijo poškodovano DNA preden vstopi celica v novo celično delitev). Občutljivost na sevanje narašča : S< G1< G2< M.
Poškodba, ki jo povzroči sevanje je lahko:
• letalna (ireverzibilna, nepopravljiva, povroči smrt celice)
• subletalna (se v večini primerov lahko popravi)
Celice obsevamo s sevalno dozo, ki smo jo razbili na intervale. Popravljalni vzorec, ki ga opazimo, je kombinacija 3 procesov, ki potekajo istočasno (t.i.3 R-i radiobiologije):
Repair – takojšnje popravljanje subletalne poškodbe
Reassortment – progresivno napredovanje celic skozi celični ciklus
Repopulation – delež preživetih celic se poveča zaradi delitve celic
5.2.1 Bergonie-Tribondeaujev zakon
Radiosenzitivnost celic je proporcionalno povezana z reproduktivno aktivnostjo in obratno sorazmerno povezana z njihovo stopnjo diferenciacije.
J. Bergonie in L. Tribondeau sta odkrila, da žarki X različno delujejo na zdravo in kancerogeno tkivo in tudi na različna zdrava tkiva istega organa ali organizma. Pri obsevanju testisov podgan z žarki X sta ugotovila, da se uničijo germinativne celice, celice intersticija pa so ostale nepoškodovane. Iz rezultatov sta predvidevala, da so germinativne celice bolj radiosenzitivne zaradi večje reproduktivne aktivnosti.
Tudi kancerogeno tkivo je bolj reproduktivno aktivno in manj diferencirano kot okoljno zdravo tkivo. Zato je bolj dovzetno za poškodbe z X žarki. Za ionizirajoče sevanje so najbolj občutljivi spermatogoniji in eritroblasti. Sledijo ostale manj diferencirane celice kostnega mozga, celice zarodne plasti epidermisa, lasnih foliklov, zarodne celice črevesnega epitelija, … Med manj občutljivimi celicami so diferencirane celice (postmitotične, npr. nevroni, mišična vlakna, …).
Izjema B.-T. zakona so oociti in limfociti, ki so na sevanje zelo občutljive celice. Pri teh celicah je visoka radiosenzibilnost slabo pojasnjena, ker so v mirujočem obdobju delitve.
5.2.2 Obsevanje celic
Učinke sevanja lahko razdelimo z več vidikov, npr. na zgodnje in pozne, na somatične in dedne. Po priporočilu ICRP (International Commission on Radiological Protection) se je uveljavila delitev na vzročno nujne posledice (deterministične) in na naključno razporejene, verjetnostne (stohastične) pojave.
Deterministični učinki: Zanje je značilno, da imajo prag, torej do njih pride šele po izpostavitvi neki mejni dozi. Stopnja poškodbe je odvisna od doze in so nujna posledica sevanja.
Akutna doza je s prizadetostjo sistemov povezana na ta način:
- doze od 0,25 – 2 Sv so subletalne (pride do sprememb v krvni sliki ali pa do lažje oblike bolezni);
- doze med 2 – 5 Sv so letalne (določen odstotek populacije umre v 60 dneh);
- pri dozah nad 5 Sv navadno umrejo vsi ljudje; nad 6 -7 Sv pa vsi.
Deterministični učinki se pojavijo, ko je prizadet zadosten odstotek celic v kakem tkivu ali organu. Prag se razlikuje za otroke, odrasle, zdrave, bolne. Odrasel zdrav človek preživi dozo 2 Gy, dojenček skoraj zagotovo umre, verjetno pa tudi otrok.
Zgodnji deterministični učinki po enkratni dozi sevanja nastanejo takoj do nekaj tednov po izpostavljenju: opekline, poškodbe centralnega živčnega sistema, okvare hemopoetičnega in imunobiološkega sistema, prebavil, gonad in večina okvar zarodka ali plodu zaradi obsevanja in utero.
Pozni deterministični učinki so pogosto trajne posledice zgodnjih (brazgotine, sterilnost, katarakta, hipoplazija kostnega mozga in imunskega sistema, fibroza pljuč, nefroskleroza, nekroze, atrofije, umska manjrazvitost in zastoj v rasti po obsevanju otrok).

Stohastični učunki: Nimajo praga in se lahko pojavijo po neomejeno nizki dozi. Ker nimajo praga, se jim niti teoretično ne moremo izogniti.
Stohastične učinke delimo na somatične in dedne. Somatični učinki se prenašajo na hčerinske celice v istem organizmu, dedni pa na potomce.
Somatični učinki
Najpomembnejši med njimi je nastanek raka. Bistveno je sproženje mutacije, pri katerem pa celica ohrani sposobnost za razmnoževanje; karcinogeni v genih aktivirajo protoonkogene.
Dedni učinki
O le-teh je manj znanega; med njimi je nagnjenost k raku med potomci. Nagnjenost pomeni recesivno mutacijo antionkogena ali dominantno mutacijo onkogena.

5.2.3 Teorija tarč
Krivulja preživetja (Slika 9): populacijo celic obsevamo z vedno večjimi dozami in opazujemo, kakšno je preživetje celic. Opazimo, da z večanjem doze eksponentno pada odstotek preživelih celic.
Eksponentno naravo razmerja med dozo-preživetjem so razložili s teorijo tarč. Osnovna ideja teorije je, da v bioloških sistemih obstajajo določena kritična področja, ki so izredno občutljiva na sevanje, t.i. tarče. To so lahko posamezne molekule, celični organeli ali kar celice same. Če ionizirajoče sevanje zadane tarčo, pride do inaktivacije tega predela in posledično lahko tudi do celične smrti. Kakšna je verjetnost, da bodo tarče zadete oz. kolikokrat bodo zadete, lahko predvidimo s pomočjo Poissonove formule (enačba 12).

Slika 7: Krivulje preživetja na linearni (c) in logaritmični (b) skali
… [12]
Pn - verjetnost, da bo tarča zadeta n-krat
a - povprečno število zadetkov
Če povečamo dozo za nek faktor, se bo delež preživetih celic zmanjšal za manjši faktor (nekatere tarče namreč ostajajo brez zadetkov, medtem ko so druge zadete večkrat – že inaktivirane tarče tako na nek način ščitijo še nezadete).
Pri majhnih dozah je krivulja praktično linearna (število zadetkov je precej manjše od števila tarč). D0 je doza,ki je dovolj velika, da je vsaka tarča v opazovanem sistemu zadeta vsaj enkrat. Je različna za vsak biološki sistem in jo pogosto uporabljamo kot merilo radiosenzitivnosti. D0 narašča s številom tarč.
6 VARSTVO PRED IONIZIRAJOČIM SEVANJEM
Osnovna načela radiološke zaščite so:
1. Upravičenost pomeni, da ionizirajočega sevanja ne uporabljamo oziroma se mu izogibamo, če od njega ne pričakujemo določene koristi.
2. Optimizacija (strokovnjaki uporabljajo kratico ALARA) pomeni, naj bodo vse prejete doze čim nižje - ne glede na zakonske omejitve.
3. Omejitve doz - najvišje doze, ki jih sme prejeti posameznik, so zakonsko določene in jih je treba spoštovati ne glede na stroške.

7 NARAVNO OZADJE SEVANJA
Naravno ozadje sestavljata vesoljsko in zemeljsko sevanje. Zemeljski del izvira iz prvotnih radionuklidov (K-40, členi radioaktivnih nizov). Radionuklidi prihajajo v telo z vdihavanjem in zauživanjem. V poročilu iz leta 1988 je UNSCEAR dozo naravnega ozadja z 1 mSv povečal na 2,4 mSv; skoraj vsa dodatno ugotovljena doza gre na račun radona. Približna povprečna efektivna doza zaradi naravnega sevanja za prebivalca v Sloveniji je 2 mSv.
Po priporočilu ICRP je sprejemljiva mejna doza umetnega sevanja na prebivalca 1 mSv na leto; približna povprečna efektivna doza zaradi medicinskega sevanja za prebivalce v Sloveniji je vsaj 1,5 mSv na leto.
ICRP je znižala mejo doze za posameznika, izpostavljenega sevanju zaradi poklica, s 50 mSv na 20 mSv na leto.

8 MEDICINSKA RABA IONIZIRAJOČEGA SEVANJA
Več kot 90 doze od medicinskega sevanja gre na račun rentgenske diagnostike. Po načelih ICRP je uporaba sevanja upravičena le, če je korist za vsakega bolnika večja od škode; nujno je, da s čim manjšo dozo dosežemo čim večjo kakovost posnetka. Vse bolj uporabljamo varnejša sredstva: ultrazvok namesto rentgenskih žarkov, MRI namesto CT.
Doze pri preiskavah:
• slikanje zob: 0,01-0,02 mSv;
• slikanje pljuč: 0, 01-0, 05 mSv;
• slikanje lobanje: 0, 1-0, 2 mSv;
• slikanje medenice: 0, 7- 1,4 mSv.

Radioterapija: pri zdravljenju s sevanjem prejema bolnik nekaj tisočkrat večje doze kot pri diagnostiki. S frakcioniranjem doze skušamo pridobiti čas za intracelularno reparacijo in za repopulacijo. Pri radioterapiji rakov je bistvo v optimiziranju programa; čim bolj uničiti rakave celice ob čim manjši škodi za normalno tkivo. Pomembna je razporeditev doze v času in prostoru, morebitna kombinacija s hipertermijo, kemoterapijo ipd. Ko zdravnik določi pravo dozo sevanja, dozo razdeli v frakcije, obsevanje poteka 5 dni v tednu (1-5 minut), 6-7 tednov, kar je odvisno od tipa in lokacije raka in drugih zdravljenj.
9 VIRI
Župančič, A.O. (1993). Iz varstva pred ionizirajočim sevanjem V Sloveniji. SAZU Ljubljana
Arena, V. (1971). Ionizing radiation and life. Mosby, St. Luis
Niemann, E.-G. (1983). Radiation Biophysics. In: Biophysics. W. Hoppe, W. Lohmann, H. Markl and H. Ziegler, editors. Springler-Verlag. Berlin. p.289-300.
Parsad K.N. (1984). Handbook of Radiobiology. CRC Press, Boca Ration.
Hall El, Kereiakes JG (2001) Effects of Ionizing Radiation on Cells. In: Cell Physiology 3rd ed. Sperelakis N, editor. Academic Press. p. 1185-1205.
Izobraževalni center za jedrsko tehnologijo, 2001, Inštitut Jožef Stefan, zadnja sprememba 26.08.2003, www.icjt.org, datum obiska 27.02.2004.