Ioniseeriva kiirguse bioloogiline toime Inimene on pidevalt eksponeeritud kiirgusele Aine ja kiirguse vastasmõju faasid. Kiirguse molekulaarne toime ja kromosoomide aberratsioonid Kiirguse otsene toime Kiirgusdoos 1Gy = 1 J/kg = 6.25 x 10 18 ev/kg Üheks ionisatsiooniks on vaja 33 ev Neeldunud doos 4 Gy põhjustab 4x 6.25 x 10 18 / 33 = 7.35 x 10 17 ioniseeritud aatomit koe ühe kg kohta Üks ioniseeritud aatom mõjutab ca 9 aatomit 4Gy neeldumisel on mõjutatud ca 7.35 x 10 18 kg koes Pehmes koes ca 9.5 x 10 25 aatomit Otseselt mõjutatud ca 1 aatom miljonist Erinevad koed neelavad erineval hulgal energiat Inimkeha läbides neeldub kiirgusenergia osaliselt Radiobioloogia Aine ja kiirguse vastasmõju faasid on bioloogia haru, mis tegeleb ioninseeriva kiirguse toime uurimisega elusorganismidele uurib, mis juhtub peale kiirguse neeldumist ja milline on võimalik organismi kahjustus kuna ioniseeriva kiirguse võimalik kahjustav toime ilmneb eelkõige rakutasandil, siis peavad kõigil kiirgustöötajail olema baasteadmised rakkude ehitusest ja funktsioonist ning ioniseeriva kiirguse võimalikust toimest Füüsikaline Keemiline Bioloogiline 1
Füüsikaline faas Kiirgusenergia neeldub kudedes Tulemuseks on aatomite ja molekulide ergastumine ning ionisatsioon vabade radikaalide teke Keemiline faas Keemilised reaktsioonid, milles osalevad radiolüüsi produktid Tekivad molekulaarsed muutused mutatsioonid Rakkude surm Kaugmuutused somaatilised mutatsioonid geneetilised mutatsioonid Bioloogilised muutused Ioniseeriva kiirguse toime faasid 10-18 füüsikaline (vältus murdsekundites) kiirgusenergia vastastoime ainega, kiirguse neeldumine ja hajumine, ionisatsioon, vabade 10-12 radikaalide teke keemiline (vältus murdsekundites) 10-6 keemilised reaktsioonid, organismile mürgiste ainete teke 10 0 bioloogiline (kohene ja kaugtoime) 1min DNA kahjustus kromosoomide aberratsioonid rakkude surm või mutatsioonid 10 6 KUI KIIRGUSENERGIA ON NEELDUNUD, 1 a SIIS PROTSESSI ENAM PEATADA EI SAA sec Ioniseeriv kiirgus kahjustab elusorganismi ioniseerides selle organismi molekulidesse kuuluvaid aatomeid rö- ja γ-kiirgus footonid annavad energiat orbitaalsetele elektronidele laetud osakeste kiirgused ioniseerivad aatomeid mõjutades orbitaalseid elektrone elektromagnetiliselt bioloogilise kahjustuse aluseks on erinevatest kiirgustest põhjustatud ionisatsioonid ioonid ei taasühine tavaliselt sellisteks molekulideks, mis on organismi normaalseks talitluseks vajalikud Kiirgusenergia ülekannet määravad tegurid Ioniseerivat kiirgust iseloomustavad omadused - laeng, mass ja energia - on erinevate kiirgusliikide puhul erinevad need omadused määravad, kuidas erinevad kiirgused neeldudes energiat loovutavad mõistmaks kuidas ja mil määral erinevad kiirgused kahjustavad bioloogilist kudet, tuleb arvestada kolme aspekti 2
Kiirgusenergia ülekannet määravad tegurid lineaarne energia ülekanne (LET) suhteline bioloogiline efektiivsus (RBE) hapnikuga rikastatuse suhe (OER) Lineaarne energia ülekanne (LET) keskmine kiirgusenergia ümberpaigutus aines läbitud teepikkuse kohta e teepikkuse kohta kaotatud energia ühikuks kev/µm (10-6 m) kuna ionisatsioonide hulk aines vastab neeldunud energiale keemilised ja bioloogilised muutused on vastavuses ionisatsioonitasemega siis LET on tähtis tegur ioniseeriva kiirguse tekitatud potensiaalse kahjustuse hindamiseks Ioniseerivad kiirgused jaotuvad madal LET EM kiirgused, millel pole massi ega laengut hõredalt ioniseerivad suure läbimisvõimega vastasmõju ainega juhuslik ei loovuta energiat kergelt toime kaudne, üle R. otsene toime DNAle harva tekitab DNA ühe ahela katkestuse põhjustab enemasti DNA parandatava, nn subletaalse kahjustuse kõrge LET osakeste kiirgused, millel on mass ja laeng (va neutronid) tihedalt ioniseerivad väikese läbimisvõimega energia loovutamine kiire toime enamasti otsene DNA molekuli kahe ahela kahjustus või massiivne kahjustus, mis on halvasti parandatav raku surm tõenäoline Madala ja kõrge LETiga ioniseeriv kiirgus Läbitud teepikkuse kohta kaotatud energia Kiirgus LET kev/µm 1 MeV gammakiirgust 0.3 200 kev rö-kiirgust 2.5 1 MeV β-kiirgust 0.2 2 MeV prootonkiirgust 17 5 MeV α-kiirgust 90 2.5 MeV neutronkiirgust 15-80 3
Suhteline bioloogiline efektiivsus (RBE) kirjeldab erineva LETiga kiirguste võimet tekitada bioloogilist kahjustust RBE on referentskiirguse (250 kvp rökiirgus) doosi ja samasugust bioloogilist toimet avaldava muu kiirgusdoosi suhe kiirguskaitses on asendatud kiirgusfaktoriga mida suurem kiirgusfaktor, seda bioloogiliselt toimivam kiirgus Hapnikuga rikastatuse suhe (OER) OER on anaeroobses keskkonnas ja aeroobses keskkonnas ühesugust bioloogilist toimet avaldavate dooside suhe anaeroobsetes tingimustes läheb vaja suuremat doosi madala LET kiirguste suurte dooside puhul on OER ca 3, alla 2Gy ca 2 (toime üle R., O fikseerib kahjustuse moodustades orgaanilisi peroksiidühendeid) kõrge LET kiirguste puhul kiirgus lõhub otseselt molekule, O puudumine või juuresolek ei ole oluline => OER ca 1 Keemiliselt aktiivsed O-ühendid Vesinikperoksiid Hüpokloriidi ioon Radikaalid, eriti hüdroksiidradikaal Superoksiidi anioon Aktiivsete hapnikuühendite teke Ioniseeriva kiirguse neeldumisel Vältimatu kõrvalproduktina rakuhingamises Mõned elektronid kalduvad hingamisahelas kõrvale ja redutseerivad otseselt hapnikumolekule superoksiidi aniooniks Sünteesitakse fagotsüteerivates rakkudes (neutrofiilid, makrofaagid) NADPH oksüdaas (mõlemates) Muteerunud NADPH puhul krooniline granulomatoosne haigus Müeloperoksüdaas (ainult neutrofiilides) O-ühendite aktiivsus Muutuste tekitamine lipiidide (oluline komponent mitm. rakurmembraanides) koostisesse kuuluvate rasvhapete külgahelates O-molekuliga liitumisel peroksüülradikaal Lõpptulemuseks võib olla lipiidide moondumine ja lipofustsiini teke iseloomulik rakkude vananemisprotsessile 4
Märklauateooria Bioloogilise toime sõltuvus energia ülekandest DNA on võtmemolekul Tuuma kiiritamisel rakud surevad Tsütoplasma kiiritamisel ei juhtu suurt midagi OER ja LET omavaheline sõltuvus RBE, LET ja OER omavaheline sõltuvus 5
http://www.johnkyrk.com/ Cell biology animation Ioniseeriva kiirguse neeldumisel vallandub pöördumatu ahelreaktsioon KIIRGUS IONISATSIOON VABAD RADIKAALID DNA KAHJUSTUS KAHJUSTUSE PARANDAMINE? KROMOSOOMIDE STRUKTUURI MUUTUS ASÜMMEETRILINE SÜMMEETRILINE RAKKUDE SURM MUTATSIOONID RAKU TRANSFORMATSIOON KOE, ORGANI KAHJUSTUS KARTSINOGENEES ORGANISMI SURM PÄRILIKUD MUUTUSED Kiirguse otsene ja kaudne toime DNA muutused on bioloogilise toime aluseks Otsene toime - märklauaks on DNA Kaudne toime - vabade radikaalide teke Ioniseeriva kiirguse bioloogiline toime saab olla kolmel tasandil molekulaarne esmane kõik järgnevad saavad sellest alguse põhineb molekulide struktuuri muutusel rakuline muutunud molekulid halvendavad rakkude funktsiooni rikuvad keemilist tasakaalu keha- (somaatiliste) või sugurakkude kahjustused organitasand häired organite talitluses 6
Ioniseeriva kiirguse molekulaarne toime Ioniseeriva kiirguse otsene molekulaarne toime OTSENE - EM kiirguse neeldumisel vabanenud kiirete elektronide või osakestest koosneva kiirguse (alfaosakesed, neutronid) otsene toime DNA -le KAUDNE kiired elektronid reageerivad vee molekulidega, tekib vee radiolüüs, vabad radikaalid kahjustavad DNA-d otsese toime korral tekib molekulide kahjustus kiirgusenergia neeldumisel fotoelektrilises või Comptoni protsessis keemilised sidemed katkevad moodustuvad ebatavalised ühendid tekivad tavatud reaktsioonid näiteks käimasoleva valgu sünteesi ajal tekkiv fermendi struktuurimuutus tingib sünteesi häirumise, DNA muutus võib tingida sünteesi edasise lakkamise vallandub nn bioloogiline ahelreaktsioon Vabad radikaalid Vaba radikaal on vaba aatom või molekul, millel on väliskihil paaritu orbitaalne elektron Vee radiolüüsi produktideks on vabad radikaalid (OH, H ), ioonid ja veemolekulidest eraldunud elektronid Kiirguse vastastoime vee molekulidega kiirguse neeldumisel vallandub ahelreaktsioon footon E +H 2 O H 2 O + + e _ H 2 O + H + +OH. H 2 O +e _ H 2 O _ H 2 O _ OH _ + H. Reaktsioonid kiirgusenergia neeldumisel vees Baasreaktsioonid H 2 O H 2 O + + e - H 2 O + H + + OH H 2 O + e - H 2 O - OH - + H H 2 O OH + H Rekombinatsioonid H + H H 2 OH + OH H 2 O 2 Reaktsioonid kiirgusenergia neeldumisel vees Reaktsioonid O 2 -ga H + O 2 HO 2 HO 2 + HO 2 H 2 O 2 + O 2 Vabade radikaalide reaktsioonid orgaaniliste ainetega RH + OH R + H 2 O R + O 2 RO 2 7
Ioniseeriva kiirguse kaudne molekulaarne toime Ioniseeriva kiirguse kaudne toime bioloogilistele molekulidele kiirgus ei toimi otseselt makromolekulidesse, toime on üle vabade radikaalide 80-85% organismis on vesi 95% rö-kiirguse toimest on üle radiolüüsi rakule mürgised ained rekombinatsioonil vesinikperoksiid H-radikaal + hapnik vesinikperoksiidradikaal RH (orgaaniline molekul) orgaaniline radikaal + H-radikaal nende radikaalide ühinemisel hapnikuga orgaaniline molekul hävineb Ioniseeriva kiirguse toime DNA-le ÜHE AHELA KATKESTUS punktmutatsioon muutus ühes lämmastikaluses tekib madala LETiga kiirguste puhul on parandatav Ioniseeriva kiirguse toime DNA-le KAHE AHELA KATKESTUS tekib kõrge LET-kiirgusega mitme lämmastikalusepaariga eraldatud ühe paari kõrgusel ühe või mitme aluse kadu parandamine raskem DNA-molekul võib katkeda tütarrakud saavad erineva geneetilise info mutatsioonid Ioniseeriva kiirguse toime DNA-le Aluse muutus Ristsideme teke 8
Parandus nukleotiidi väljalõikamisega Nukleotiidide väljalõikamise häire puhul esinevad haigused Kahjustuse kindlakstegemine Dna lahtikerimine TFIIH Lahtilõikamine 2 otsast Kahjustatud koha eemaldamine Uue DNA sünteesimine komplementaarsusprintsiibil DNA polümeraasi abil Ligeerimine DNA ligaasi abil Xeroderma pigmentosum Uv-kiirguse tundlikkus Naha pigmentatsioon Suurenenud haigestumine nahavähki Cockayne sündroom transkriptsiooniga seotud NER trihhotiodüstroofia Ahelakatkestuste parandamine Burkitt Ühe ahelakatkestus nagu aluse kahjustuse puhul Kahe ahela kahjustus Katkenud otste ühinemise teel Häirete puhul tekivad translokatsioonid Burkitti lümfoom CML B-rakuline leukeemia Burkitti lümfoom protoonkogeen c-myc CML 9
BCL-2 protoonkogeen kromatiin DNA, RNA, histoonide ja mittehistoonsete proteiinide kompleks, millest koosneb kromosoom kromatiid postreplikatsiooni kromosoom koosenb kahest kromatiiniahelast kromosoomi niitjas pikipoole, peale replikatsiooni, ühendatud tsentromeeriga Rakutsükkel interfaas G1, S, G2 mitoos - raku jagunemine profaas metafaas anafaas telofaas tütarrakud 10
Ioniseeriva kiirguse toime kromosoomidele DNA-muutused ei ole silmaga nähtavad kromosoomide muutused võivad rakkude jagunemise ajal (metafaasis ja anafaasis) näha olla kromosoomide katkemisel tekivad fragmendid, mis võivad õigesti taasühineda valesti ühineda mitte ühineda Kromosoomide aberratsioonid aberratio kõrvalekaldumine, struktuuri muutus metafaasis jälgitavad kromosoomaberratsioonid tekivad, kui kiiritus on varases interfaasis, enne DNA sünteesi kahjustus on ühel kromatiinahelal kui ei parandata, replitseeritakse DNA sünteesil kromatiinahela katkestus tekitab kromosoomi katkemise mõlemad tütarrakud pärivad muutunud info kromatiidaberratsioonid tekivad kiiritamisel hilises interfaasis peale DNA sünteesi üks kromatiid paarist võib olla kahjustatud üks tütarrakk saab muutunud info Kiirgusest tingitud muutused Kromosoomaberratsioonide tagajärjed ühe ahela katkestus ühel kromosoomil kromatiidahela katkemine ühe ahela katkemine erinevatel kromosoomidel ahela katkemine erinevatel kromatiididel enam kui üks katkemine ühel kromosoomil enam kui üks katkemine ühel kromatiidil kromosoomide kleepumine või kobar taasühinemine 95% kromosoomi ühe ahela katkemise korral parandatakse Katkenud kromosoomide taasühinemise variandid Kromosoomide aberratsioonid aberratsioonid võivad olla sümmeetrilised (deletsioon, translokatsioon) asümmeetrilised (ring, distentriline, anafaasi sild etc) katkenud otsad ühinevad ilma kromosoomi märgatava väliskuju muutuseta translokatsioon aluseks mutatsioonide tekkel geenide järjestus kromosoomis on muutunud raku geneetiline info on muutunud 11
Kromosoomide aberratsioonid Kromosoomide aberratsioonid DELETSIOON osa kromosoomist või kromatiidist kaob tekib atsentriline fragment (ilma tsentromeerita kromosoomi osa) katkenud otste taasühinemine ringkromosoom ditsentriline anafaasi sild Kromosoomide aberratsioonid Kromosoomaberratsioonide uurimine kromosoomide värvimine võimaldab täpsemalt hinnata aberratsioonide iseloomu FISH 12