Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 1 din 14

ELEMENTE DE RADIOBIOLOGIE Noţiuni elementare de fizica nucleului şi radioactivitate

Descoperirea radioactivităţii, la sfârşitul secolului 19 şi începutul celui de-al 20- lea, a pus problema provenienţei radiaţiilor. Descoperiri ulterioare au arătat că nucleul atomic nu este o structură omogenă ci că este alcătuit din nucleoni. Există două tipuri de nucleoni: protonii şi neutronii. Cele două tipuri de particule au mase aproximativ egale cu

1 uam (uam - unitatea atomică de masă reprezintă 121 mC(12) fiind egală cu 1,66·10-27 kg).

Neutronul este neutru din punct de vedere electric, în timp ce protonul are o sarcină electrică pozitivă numeric egală cu cea a electronului.

Dat fiind faptul că atomul este neutru din punct de vedere electric, rezultă că numărul protonilor din nucleu este egal cu cel al electronilor din învelişul său electronic. Acest număr se notează cu Z şi se numeşte număr atomic (sau număr de ordine în tabelul lui Mendeleev). Numărul de nucleoni (neutroni + protoni) dintr-un nucleu se notează cu A şi se numeşte număr atomic de masă (deoarece el este aproximativ egal cu masa atomului exprimată în uam), aşadar numărul de neutroni dintr-un nucleu este A- Z. Proprietăţile chimice ale atomului sunt indicate de Z, deci de numărul de protoni.

Nucleele care au acelaşi Z dar A diferit se numesc izotopi. Izotopii ocupă acelaşi loc în tabelul lui Mendeleev având, practic, aceleaşi proprietăţi chimice.

Separarea izotopilor este un proces dificil, singura diferenţă dintre ei fiind masa atomică (din fericire aceasta împiedică obţinerea cu uşurinţă a uraniului îmbogăţit – uraniu ce conţine izotopul U235 în proporţie mare – necesar pentru fabricarea bombei atomice). Toate elementele din tabelul lui Mendeleev au izotopi, dar nu toţi izotopii sunt prezenţi în natură. De exemplu, nucleul de hidrogen (H1

1+) este un proton dar în proporţie mică (0,015%) se găseşte în natură şi izotopul său D2

1+ (deuteriu sau hidrogen greu). Forţele nucleare şi stabilitatea nucleelor

Între protoni se exercită puternice forţe de respingere electrostatică (sunt încărcaţi cu sarcini de acelaşi semn şi se află la distanţă foarte mică unul de altul). Coeziunea nucleului este asigurată de existenţa unor forţe foarte puternice (mult mai puternice decât cele electrostatice), dar care acţionează pe distanţe foarte mici (~ 10-15 m). Aceste forţe se numesc forţe de interacţiune tare şi ele duc la apariţia unei energii potenţiale (negative – nucleul are nevoie de energie pentru a se rupe). Dacă notăm cu W energia de legătură a

nucleului (energia potenţială luată cu semn schimbat), raportul AW se numeşte energie de

legătură pe nucleon. Cu cât această mărime este mai mare, cu atât nucleul este mai stabil. Stabilitatea nucleelor este legată şi de raportul dintre numărul protonilor şi cel al neutronilor. Nucleele mici sunt stabile dacă numărul de protoni este egal cu cel al neutronilor. Pentru nucleele mari stabilitatea presupune prezenţa unui număr de neutroni mai mare decât cel al protonilor pentru ca forţele de respingere electrostatică între protoni să nu devină prea mari. Radioactivitate naturală

S-a descoperit că unele nuclee, existente în natură, emit spontan particule (unde) numite radiaţii. Fenomenul se numeşte radioactivitate naturală. Rezultatul radioactivităţii constă în transformarea nucleului într-unul cu un număr diferit de nucleoni sau în apariţia a două nuclee mai uşoare (fisiune nucleară). Studiul emisiei radiaţiilor duce la concluzia că nucleele care emit radiaţii (numite nuclee radioactive) sunt instabile. Instabilitatea unui nucleu poate fi determinată de trei cauze:

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 2 din 14

1. nucleele au energie internă prea mare 2. nucleele sunt prea mari 3. nu există un raport optim între numărul de protoni şi neutroni Tipuri de radiaţii

Clasificarea radiaţiilor ionizante se face astfel: a) Radiaţii corpusculare: α, β, neutroni, protoni, deuteroni

- radiaţiile α reprezintă nuclee de heliu, alcătuite din 2 protoni şi 2 neutroni, au sarcina +2 şi masa 4 u.a.m. Sunt particule având atât masa cât şi sarcina mare.

- radiaţiile β sunt electroni (β-) sau pozitroni (β+) care provin din nucleu în urma dezintregrării acestuia. Radiaţiile β- sunt identice cu electronii având masă de repaus mică (neglijabilă dar nu zero) şi sarcina -1. Radiaţiile β+ , numite pozitroni, au aceeaşi masă cu a electronilor şi sarcina egală cu a acestuia dar pozitivă. Este ceea ce în fizică se numeşte o antiparticulă (în cazul nostru antiparticula electronului). La modul general, o antiparticulă este o particulă care are cel puţin o proprietate cu semn schimbat faţă de particulă, iar antimateria este formată din antiparticule. Antimateria nu există natural în universul cunoscut, dar antiparticule se produc în laboratoare de cercetări nucleare, iar particulele β+ apar şi în mod natural în procesele de dezintegrare radioactive. La întâlnirea unei particule cu antiparticula sa are loc reacţia de anihilare în urma căreia masa particulelor este transformată integral în energie.

- protonii, neutronii şi deuteronii sunt particule care apar prin dezintegrarea nucleului sau în urma unor reacţii nucleare. b) Radiaţii electromagnetice: x, γ

- radiaţiile X (Roentgen) se pot produce în tuburile Coolidge prin frânarea unor electroni acceleraţi (dar ele există şi în radiaţiile cosmice).

- radiaţiile γ apar în urma interacţiunilor dintre particulele subatomice cum ar fi anihilarea electron-pozitron, dezintegrare radioactivă, fuziune, fisiune sau împrăştiere Compton inversă. Radiaţiile γ sunt fotoni de mare energie deci nu au nici masă de repaus nici sarcină electrică.

Principala caracteristică a radiaţiilor nucleare este că ele au energie (cinetică) având ordinul de mărime ~1 MeV (desigur poate fi şi mai mică sau mai mare). Trebuie menţionat că radiaţiile (particule sau unde) nu sunt periculoase în sine, ci doar prin prisma energiei pe care o transportă. Când radiaţiile nucleare îşi pierd energia prin interacţiunea cu materia ele fie devin particule obişnuite, fie dispar (de exemplu radiaţiile γ).

Este evident că tipul de radiaţie emis de către un nucleu instabil depinde de tipul de instabilitate. Dacă nucleele au energie internă prea mare ele vor emite radiaţii γ micşorându-şi astfel energia internă, dar fără a-şi modifica natura. Dacă nucleele sunt prea mari ele vor emite radiaţii α (formate din doi protoni şi doi neutroni). În urma emiterii unei radiaţii α numărul atomic de masă Z scade cu două unităţi (se va transforma într-un element ce ocupă în tabelul lui Mendeleev un loc cu două căsuţe mai la stânga) iar numărul atomic de masă A scade cu patru unităţi. Dacă în nucleu numărul de protoni nu este echilibrat de numărul de neutroni nucleul va emite fie o radiaţie β+ fie una β-. În urma acestui proces un proton se transformă într-un neutron sau un neutron într-un proton conform reacţiilor:

−+ +→ β01

11 np

−++→ β11

01 pn

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 3 din 14

(pentru exactitate trebuie precizat că în ambele reacţii se mai emite o particulă neutrino sau antineutrino care însă nu ne interesează deoarece interacţionează foarte slab cu materia).

În urma unei dezintegrări β+ rezultă un element cu acelaşi A şi cu un Z mai mic cu o unitate faţă de nucleul iniţial, iar în urma unei dezintegrări β- un nucleu cu acelaşi A, dar cu Z mai mare cu o unitate faţă de nucleul ce a emis radiaţia. În cazul unei dezintegrări γ nucleul nu îşi modifică nici A, nici Z. Acestea pot fi sintetizate astfel (dacă X reprezintă nucleul iniţial, iar cu Y notăm nucleul rezultant):

24

24 α+→ −

−ZA

ZA YX

+− +→ β1ZA

ZA YX

−+ +→ β1ZA

ZA YX

γ+→ ZA

ZA XX *

Deoarece energia radiaţiilor nucleare depăşeşte 10 eV, ele sunt radiaţii ionizante. Procesul de emisie de radiaţii de către nucleele radioactive este statistic deoarece nu putem preciza în ce moment va avea loc, iar din mai multe nuclee nu putem preciza care nuclee vor emite radiaţii într-un anumit interval de timp. De aceea, legea dezintegrării radioactive are un caracter statistic, ea putând preciza doar câte nuclee se vor dezintegra într-un interval de timp (şi asta aproximativ):

teNN λ−= 0 unde N0 este numărul de nuclee iniţial nedezintegrate din probă, N numărul de nuclee rămase nedezintegrate după timpul t, iar λ este o constantă ce depinde doar de tipul nucleului radioactiv şi se numeşte constantă de dezintegrare.

O altă constantă, mai intuitivă dar legată de constanta de dezintegrare, este timpul de înjumătăţire (T½) definit ca timpul după care jumătate din nucleele radioactive prezente în probă se dezintegrează. Relaţia dintre cele două constante poate fi dedusă şi este

T½=λ

2ln

Timpul de înjumătăţire are valori foarte diverse plecând de la fracţiuni de secundă până la milioane de ani. Acum, în mod natural, pe suprafaţa pământului se mai găsesc doar izotopi cu timp de înjumătăţire mare (C14, U, Ra etc.) cei cu timpi de înjumătăţire mici dispărând prin dezintegrări. De remarcat că radiaţiile nucleare sunt prezente oriunde pe suprafaţa pământului ele provenind atât din spaţiul cosmic (majoritatea din reacţiile termonucleare ce au loc în soare) cât şi din dezintegrarea izotopilor radioactivi prezenţi natural pe pământ.

Plecând de la legea dezintegrării radioactive se poate determina activitatea unei surse (a unui corp ce conţine izotopi radioactivi) definită ca fiind numărul de radiaţii emise de sursă în unitatea de timp:

NedtdN t λλ =Λ=−=Λ −

0

Din această relaţie rezultă că activitatea unei surse este cu atât mai mare (deci sursa este cu atât mai periculoasă) cu cât sursa conţine mai multe nuclee nedezintegrate şi cu cât timpul de înjumătăţire al izotopului este mai mic. Interacţiunea primară a radiaţiilor ionizante cu substanţa La iradierea unui corp, o parte a energiei radiaţiei este cedată substanţei, restul este transmis sau difuzat. Cuantumul energiei absorbite şi efectele primare produse depind de natura radiaţiei şi de energia ei.

1. Interacţiunea radiaţiilor electromagnetice (X şi γ) cu substanţa

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 4 din 14

a) Efectul fotoelectric. La interacţiunea unui foton cu un atom, o parte din energia fotonului va fi cedată unui electron periferic care va părăsi atomul, rezultând un ion pozitiv. Restul energiei fotonului incident va fi preluată sub formă de energie cinetică de către electron.

b) Efectul Compton. Fotonul incident, la întâlnirea cu un electron liber sau slab legat, cedează o parte a energiei pentru extragerea electronului şi imprimării unei energii cinetice, restul constituind un foton cu energie mai mică, deviat faţă de direcţia fotonului incident cu un unghi oarecare.

Efectul Compton

c) Formarea de perechi electron – pozitron. În câmpul intens din vecinătatea

nucleului se poate materializa un foton, dând naştere unei perechi electron – pozitron, dacă energia fotonului este mai mare de 1,022 MeV (echivalentă masei create). Energia excedentară va fi transferată particulelor sub forma de enrgie cinetică. La ciocnirea pozitronului cu un electron, particulele se anihilează generând doi fotoni de energii egale.

d) Reacţii fotonucleare. Fotonii cu energie mai mare de 10 MeV pot produce reacţii nucleare.

În funcţie de energia fotonului şi de numărul atomic al ţintei poate să predomine unul dintre efectele mai sus enumerate.

2. Interacţiunea radiaţiilor corpusculare cu sarcină electrică (α, β, protoni) cu substanţa Aceste tipuri de radiaţii interacţionează în special cu învelişul electronic al atomului

producând numeroase ionizări şi excitări, fiind radiaţii direct ionizante. În urma interacţiunilor apar perechi de ioni negativi şi pozitivi. De asemenea, aceste radiaţii ionizante cu sarcină electrică pot interacţiona direct şi cu nucleele atomilor ţintă, producând radiaţii de frânare, ca în tuburile de raze X.

3. Interacţiunea radiaţiilor corpusculare neutre cu substanţa Neutronii nu interacţionează cu învelişul electronic al atomului, deoarece nu au

sarcină electrică, dar pot interacţiona direct cu nucleul, producând efecte diferite în funcţie de energia lor, astfel:

- Neutronii rapizi (energii mai mari de 1 keV) se pot ciocni elastic nu nucleele cedându-le o parte din energia lor, nucleul ţintă va avea recul, cu atât mai puternic cu cât numărul de masă este mai mic. Prin urmare, eficienţa unui astfel de transfer energetic va fi maximă tocmai pentru nucleul de hidrogen, pe care îl întâlnim în mod masiv în substanţa vie (apa legată din organism). Ciocnirea elastică duce, pe de o parte, la deplasarea nucleului ţintă care poate să producă ionizări (neutronii rapizi fiind indirect ionizanţi) şi la încetinirea neutronului incident. Alături de radiaţia α sunt recunoscuţi ca fiind cea mai periculoasă radiaţie ionizantă.

- Neutronii lenţi – neutroni termici (aceştia pot proveni şi din încetinirea neutronilor rapizi, deci procesele sunt simultane) pot fi captaţi de nucleul atomic,

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 5 din 14

determinând excitarea acestuia. La revenirea pe starea fundamentală, nucleul emite o cuantă gamma, conform următoarei reacţii nucleare, folosită pentru obţinerea de izotopi radioactivi artificiali:

γ+→+ +Z

AZA XnX 1

01

În sistemele biologice, neutronii sunt captaţi mai ales de către nucleele de hidrogen şi azot.

γ+→+ 12

01

11 HnH

11

614

01

714 pCnX +→+

Fotonul/protonul care rezultă în urma acestor capturi pot produce la rândul lor ionizări, aşadar şi neutronii lenţi sunt indirect ionizanţi.

Deoarece nucleul este foarte mic comparativ cu atomul, probabilitatea ca un neutron să întâlnească un nucleu pe traiectoria sa este destul de mică, neutronii fiind penentranţi.

Atenuarea radiaţiilor ionizante Radiaţii direct ionizante

Radiaţiile ionizante corpusculare încărcate electric interacţionează cu câmpurile coulombiene ale electronilor şi nucleelor atomilor constituenţi, cedând o parte din energia lor pentru a produce excitări şi ionizări. Se defineşte transferul linear de energie (TLE) ca fiind energia cedată de către o particulă incidentă pe unitatea de lungime a traiectoriei sale şi se măsoară în keV/µm. Expresia sa se poate scrie:

TLE = Wi⋅N Wi - energia transferată la o ionizare N – numărul de perechi de ioni formaţi pe unitatea de lungime

Numim densitatea liniară de ionizare (DLI) numărul de perechi de ioni creaţi pe unitatea de lungime a traiectoriei de către fiecare particulă incidentă. Se exprimă în perechi de ioni pe micrometru.

Parcursul reprezintă distanţa medie străbătută de particulă şi depinde de puterea ei de ionizare, încheindu-se când întreaga energie a fost cedată sau, în cazul pozitronului când acesta a fost anihilat. Adâncimea de penetraţie medie, dependentă de energia iniţială, este mai scurtă decât traiectoria, nedepăşind câşiva metri în aer şi 1-2 mm în apă şi în ţesuturile moi.

Particulele grele (α, protoni) au o putere de ionizare mai mare şi sunt repede încetinite prin disiparea energiei, TLE este de ordinul 15 keV/µm. Traiectoria este rectilinie şi practic egală cu adâncimea de pătrundere, având valori de câţiva cm în aer şi zeci de microni în apă şi în ţesuturile moi. Radiaţii indirect ionizante (x şi γ)

În cazul radiaţiilor electromagnetice, x şi γ, absorbţia energiei de către substanţă se face conform legii generale exponenţiale, ele nefiind niciodată complet absorbite:

I = I0 e-µx

I – intensitatea fasciculului emergent de radiaţii I0 – intensitatea fasciculului incident de radiaţii µ - coeficientul de atenuare liniară care depinde de natura materialului străbătut şi de tipul radiaţiei x – grosimea stratului de substanţă străbătut

Se defineşte grosimea de înjumătăţire d1/2 (grosimea stratului de substanţă după care jumătate din fotonii incidenţi sunt absorbiţi):

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 6 din 14

µ2ln

2/1 =d

De exemplu, pentru radiaţiile γ cu energia W = 1 MeV grosimea de înjumătăţire în plumb (Pb) este d1/2 = 0,88 cm.

TLE este scăzut, prin urmare, radiaţiile electromagnetice sunt puternic penetrante.

Detecţia radiaţiilor nucleare Detectoarele de radiaţii folosesc, pentru a măsura dozele de radiaţii, efectele

produse de acestea. Astfel detectorul Geiger-Mũller se foloseşte de ionizările produse de radiaţiile nucleare pentru a le detecta. Detectorul Geiger-Mũller este un condensator cilindric cu aer. Pătrunderea unei radiaţii în condensator duce la ionizarea aerului dintre armături, acesta devine conductor, iar prin circuitul exterior va trece un puls scurt de curent electric ce va fi înregistrat.

Detectorul Geiger-Müller

Detectorul individual cu film fotografic constă într-un film fotografic închis într-o

incintă în care nu poate pătrunde lumina şi foloseşte faptul că radiaţiile nucleare înnegresc filmul fotografic chiar dacă acesta se găseşte într-o incintă închisă. Măsurând înnegrirea filmului putem determina doza de radiaţii primită de persoana care a purtat detectorul respectiv. El are avantajul că sumează doza pe toată perioada cât a fost folosit detectorul, lucru foarte important având în vedere că efectele radiaţiilor sunt cumulative în timp.

Un alt tip de detector este cel cu scintilaţii. Acesta foloseşte proprietatea unor substanţe (scintilatori) de a emite scintilaţii (scânteieri, fotoni) sub acţiunea radiaţiilor nucleare. Fotonii produşi extrag electroni dintr-un catod metalic (prin efect fotoelectric). Electronii sunt multiplicaţi într-un fotomultiplicator obţinându-se un puls de curent electric ce este înregistrat.

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 7 din 14

Detectorul cu scintilaţii Dozimetria radiaţiilor ionizante

Evaluarea efectelor radiaţiilor ionizante impune introducerea unor mărimi fizice precum şi a unităţilor de măsură asociate. Există două sisteme de evaluare: unul care evaluează sursa şi efectele fizice ale radiaţiilor ionizante (dozimetrie fizică), iar altul care evaluează efectele acestora asupra sistemelor biologice (dozimetrie biologică). Dozimetria fizică

Sursa de radiaţii este evaluată de mărimea fizică numită activitatea sursei. Ea se defineşte ca fiind numărul de radiaţii (egal cu numărul de nuclee ce se dezintegrează) emise de sursă în unitatea de timp.

dtdN

−=Λ

(reamintim că simbolul d semnifică foarte mic – tinzând la zero – putând fi o variaţie un interval sau doar o mărime).

[ ] Bqsdez 11 ==Λ (Becquerel)

O unitate tolerată este Curie-ul (Ci). Relaţia dintre cele două unităţi este: 1 Ci = 3,7·1010 Bq

(istoric reprezintă activitatea unui gram de Ra226). Dacă substanţa care emite radiaţii este dispersată într-un volum putem vorbi de

densitatea de activitate (activitatea unităţii de volum) măsurată în 3mBq

Doza de radiaţii reprezintă energia radiaţiei care străbate unitatea de arie în unitatea de timp. Efectele fizice ale radiaţiilor sunt legate de energia absorbită de substanţă.

La trecerea radiaţiilor ionizante prin substanţe se produc ionizări apărând, în mod egal, sarcini electrice pozitive şi negative. Efectele fizice ale radiaţiilor sunt legate şi de numărul de perechi de ioni (deci de sarcina electrică de un anume semn) produs. Mărimea care măsoară producere de sarcini electrice (ioni) se numeşte doză incidentă şi reprezintă sarcina pozitivă sau negativă produsă în unitatea de masă:

mQD =

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 8 din 14

având unitatea de măsură în S.I.: [ ]kgCD 1=

O unitate tolerată este Röntgen -ul (r) relaţia dintre cele două unităţi fiind:

1r = 2,58·10-4 kgC .

Se defineşte doza de radiaţie absorbită ca energia absorbită de unitatea de masă a corpului iradiat

mWDabs =

În S.I. unitatea de măsură va fi: [ ] GykgJDabs 11 == (Gray)

O unitate tolerată este rad – ul. Relaţia dintre cele două unităţi este: 1 Gy= 100 rad

Doza (de energie sau de sarcină) în unitatea de timp se numeşte debitul dozei:

tDd =

şi se măsoară în skg

C⋅

si respectiv înskg

J⋅

.

Doza integrală reprezintă energia absorbită (sau sarcina electrică produsă) de întreg corpul fiind dată de relaţia:

Dint= m·Dabs sau Dint = m·D Dozimetria biologică

Dat fiind că efectele biologice ale radiaţiilor ionizante nu depind numai de energia acestora, ci şi de natura lor, se impune alegerea unei radiaţii standard la care să se raporteze efectele tuturor tipurilor de radiaţii ionizante. Radiaţia de referinţă aleasă este radiaţia X cu energia de 200 keV (1 eV = 1,6.10-19 J). Mărimea care ne permite să comparăm efectele unei radiaţii ionizante oarecare cu cea a radiaţiei de referinţă este efectivitatea biologică relativă EBR (η) a unei radiaţii. Ea arată de câte ori este mai mare efectul biologic al radiaţiei respective asupra ţesutului faţă de efectul radiaţiei de referinţă în condiţiile aceleiaşi doze incidente. Pentru radiaţiile X, γ şi β- EBR este η ≈ 1, pentru neutronii termici (lenţi) η ≈ 5, pentru protoni şi neutroni rapizi η ≈ 10, iar pentru radiaţiile α η ≈ 20. Doza biologică (B) măsoară efectul real al radiaţiilor asupra sistemelor biologice şi este dată de relaţia:

B=η·D În S.I. unitatea de măsură pentru doza biologică este Sievert–ul (Sv). Doza biologică de 1 Sv indică efectul produs de o radiaţie ionizantă oarecare

echivalent cu efectul produs de 1 Gy de radiaţie X cu energia fiecărui foton de 200keV. O unitate tolerată este rem –ul (prescurtare de la röntgen equivalent man) relaţia dintre cele două unităţi fiind:

1 Sv = 100 rem Similar cu doza biologică putem obţine debitul dozei biologice:

b= η·d şi debitul biologic integral:

Bint= η·Dint

Tipuri de iradiere

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 9 din 14

Dacă asupra unui sistem biologic acţionează simultan sau succesiv la intervale mici de timp mai multe tipuri de radiaţii ionizante, efectele acestora se însumează.

Iradierea organismului poate fi externă, caz în care sursa de radiaţii se află în exteriorul organismului sau internă când sursa de radiaţii se află în interiorul organismului, ajunsă acolo accidental datorită contaminării sau injectată în scop terapeutic sau pentru diagnosticare (cazul scintigrafiei sau tomografiei cu emisie de pozitroni).

Efectele iradierii sunt cumulative în timp. Aceasta înseamnă că iradieri succesive, dar la intervale nu foarte mari de timp, duc la acelaşi rezultat ca şi o iradiere la un moment dat cu o doză mai mare de radiaţii. Acesta este motivul pentru care radiografiile sau tomografiile computerizate (nu cele RMN) nu trebuie repetate la intervale mici de timp dacă nu este strict necesar. Aici trebuie reamintit că noi oricum trăim într-un mediu cu radiaţii ionizante organismul nostru fiind adaptat la acest mediu. Problema care se pune este nu de a scăpa total de aceste radiaţii (lucru de altfel imposibil), ci de a nu depăşi limitele la care organismul face faţă.

Iradiere cumulativă se întâlneşte, de obicei, în practica medicală (mai ales în scintigrafie). Eliminarea izotopului radioactiv se face prin înjumătăţire, proces caracterizat de timpul de înjumătăţire prin dezintegrare propriu izotopului, Tf = T1/2 = ln 2/λ precum şi de timpul de înjumătăţire prin eliminare din organism, Tb. Perioada de înjumătăţire efectivă Tef poate fi definită astfel:

bfef TTT111

+=

O altă caracteristică a acţiunii radiaţiilor ionizante este aceea că efectele lor sunt dependente atât de doza biologică cât şi de debitul ei. La doze relativ mari efectele cresc proporţional cu doza. La iradieri cu doze mici (nu foarte mult peste doza naturală de circa 1 mSv/an) datele sunt contradictorii. Unele date par a indica lipsa oricărui efect, altele par a indica o creştere a riscurilor o dată cu doza, dar sunt şi date care arată că la creşteri mici ale dozei apar chiar diminuări ale riscurilor, de exemplu de apariţii ale cancerelor (chiar cu până la 30%).

Studiul cantitativ al efectelor radiaţiilor ionizante. Curbele doză-efect

Efectele radiaţiilor ionizante se stabilesc determinând procentul de indivizi (entităţi din ce în ce mai diverse ca molecule, celule, organisme etc.) supravieţuitori (neafectaţi de radiaţie). Pentru a stabili relaţiile cantitative între doza de radiaţii şi randamentul procesului indus de acestea se trasează curbele doză-efect. Aceste curbe reprezintă fie proporţia de indivizi care au prezentat efectul studiat în funcţie de doza administrată (curbe crescătoare), fie proporţia de indivizi care au rezistat (supravieţuitori) în funcţie de doză (curbe descrescătoare). Aceste studii se fac pe populaţii cu număr mare de indivizi.

Dacă se notează cu N0 numărul iniţial de indivizi, cu N numărul de indivizi supravieţuitori şi cu D doza de iradiere, se pot obţine două tipuri de curbe doză-efect:

a) exponenţială b) sigmoidă

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 10 din 14

Curbe de tip doză-efect

a) Curba de tip doză – efect exponenţială caracterizează cea mai mare parte a

mutaţiilor, unele aberaţii cromozomiale, distrugerea culturilor bacteriene sau a suspensiilor de virusuri. Curba exponenţială este reprezentată prin relaţia:

N = N0e-kD

Numărul de supravieţuitori scade exponenţial cu doza. Această relaţie exponenţială s-a stabilit pe baza teoriei ţintei. Conform acestei teorii, în organism există structuri sensibile, „ţinte”, a căror distrugere, printr-o singură lovitură, ar duce la moartea celulei. Constanta k se stabileşte astfel încât doza D să fie aceea pentru care numărul de supravieţuitori să ajungă la 1/e din valoarea iniţială.

N = N0/e ⇒ N0/e = N0e-kD0 ⇒ k = 1/D0 ⇒ N = N0e-D/D

0N = N0/e = 0,37 N0

Doza D0= D37% defineşte radiosensibilitatea populaţiei studiate.

b) Curbele doză-efect de tip sigmoid caracterizează efectele radiaţiilor X asupra celulelor de mamifere. Prezintă o deosebită importanţă în radioterapie. Curba sigmoidă corespunde relaţiei:

N/N0 = 1 – (1 – e-D/D0)n

unde n reprezintă numărul de ţinte, adică numărul de locuri din celulă lovite. Pentru doze mari, ecuaţia devine prin trecere la limită:

N = N0n e-D/D0

Un individ ar trebui să fie atins în n locuri pentru a fi distrus; conform teoriei ţintei ar trebui atinse simultan n ţinte.

Factorii care determină tipul de curbă sunt: natura radiaţiei, debitul dozei, condiţiile în care se face iradierea (temperatura, gradul de hidratare, gradul de oxigenare, pH etc.)

În urma iradierii substanţei vii cu radiaţii ionizante au loc fenomene complexe. Alterarea unor funcţii de reproducere celulară va avea consecinţe rapide şi de regulă ireversibile, care pot surveni chiar la doze mici, în timp ce afectarea altor tipuri de funcţii are consecinţe imediate şi sunt evidente doar la doze mari.

Efectele moleculare ale radiaţiilor ionizante

Efectele radiaţiilor ionizante pot fi directe sau indirecte. Efectul direct al radiaţiilor ionizante apare în urma interacţiunii directe a particulei

cu molecule importante din organism, cum ar fi acizi nucleici, enzime sau hormoni, în urma căreia se modifică structura spaţială a macromoleculelor datorită ruperii unor legături de hidrogen sau a unor punţi bisulfidice. Efectul direct constă în ionizarea sau excitarea moleculei. Molecula excitată M* revine în starea fundamentală prin emiterea unei cuante (a), prin transferul energiei altei molecule (b) sau prin ruperea unei legături covalente (c):

(a) M* → M + hν (b) M1* + M2 → M1 + M2*

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 11 din 14

(c) M* → R1• + R2

• Molecula astfel scindată nu-şi mai poate îndeplini funcţia, cele două fracţiuni care

apar sunt defapt, radicali liberi foarte activi din punct de vedere chimic, capabili să producă alterări secundare.

Efectul indirect al radiaţiilor ionizante se produce în urma interacţiunii

macromoleculelor din organism nu cu particulele radiaţiei, ci cu alte molecule lovite de acestea, în organism vorbim, în esenţă, despre particulele de apă. Moleculele de apă iradiată din organism dau naştere radicalilor liberi în urma procesului de radioliză.

•• +→ OHHOH2

Deoarece interacţiunea radiaţiilor ionizante cu materia vie are loc prin ambele

mecanisme descrise, se aplică iradierea unei probe în stare lichidă şi se compară rezultatele iradierii cu cele obţinute prin iradierea probei în stare îngheţată. Dacă efectele iradierii în stare îngheţată sunt mai mici decât în stare lichidă, înseamnă că efectul indirect al radiaţiilor a predominat, în urma radiolizei apei, radicalii liberi produşi neputând difuza (datorită gheţii).

Acţiunea radiaţiilor ionizante asupra acizilor nucleici. Există două tipuri de

efecte ale radiaţiilor ionizante asupra acizilor nucleici: alterarea bazelor azotate (dimerizarea timinei) care duce la erori de transcriere a codului genetic şi rupturi simple sau multiple ale catenei de ADN.

Acţiunea radiaţiilor ionizante asupra proteinelor. Acestea sunt multiple: formare de peroxizi, modificarea aminoacizilor, polimerizarea tirozinei, rupturi ale punţilor de hidrogen şi reconstruirea lor în alt fel, formarea de legături bisulfidice, ruperea lanţului polipeptidic. Consecinţa tuturor acestor transformări constă în alterarea conformaţiei şi incapacitatea realizării funcţiei; enzimele sunt dezactivate. Proteinele pot rămâne destul de mult timp sub formă de radicali liberi, ce vor produce efecte întârziate. Efecte celulare ale radiaţiilor ionizante. Legea Bergonié- Tribondeau Doza maximă admisibilă (DMA)

Radiosensibilitatea reprezintă capacitatea unui ţesut de a răspunde la iradiere printr-o leziune observabilă, este funcţie de caracteristicile ţesutului. Pentru un organism, diversele organe ţesuturi şi celule au radiosensibilităţi diferite. Astfel mâinile şi picioarele sunt mai puţin radiosensibile în timp ce cristalinul, gonadele şi celulele implicate în sistemul imunitar sunt mult mai radiosensibile. În cazul unor iradieri masive, unul din primele sisteme care cedează este sistemul imunitar ceea ce poate duce la moartea organismului în cazul oricărei infecţii (ca şi în cazul SIDA). Un alt pericol îl constituie iradierea internă în cazul în care radioizotopul inhalat sau îngurgitat se fixează preponderent într-un anumit organ provocând acolo o iradiere mai mare şi de mai lungă durată. De exemplu în cazul accidentului de la Cernobîl a existat un risc sporit de apariţie a cancerelor tiroidiene deoarece printre izotopii emanaţi în urma accidentului se afla şi I131 fixat preponderent în tiroidă.

Doza totală anuală pe care o poate primi un om fără a suferi o leziune observabilă, excluzând efectele genetice, se numeşte Doză Maximă Admisibilă (DMA) şi stabilirea acesteia face parte dintre îndatoririle unui organism internaţional, Comisia internaţională pentru protecţia împotriva radiaţiilor ionizante (CIPR). Conform CIPR, DMA este de 5 mS/an, fiind egală cu valoarea DMA pentru cele mai sensibile organe umane (gonadele şi

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 12 din 14

măduva hematogenă). Cele mai puţin radiosensibile organe sunt oasele şi tiroida pentru care DMA anuală este de 30 mSv.

În permanenţă suntem supuşi unei iradieri cosmice ce constituie fondul natural de radiaţii care duce la absorbţia unei doze de 1 mSv/an, precum şi unei iradieriri artificiale care presupune o doză de 0,2 mSv/an. Această doză artificială poate conţine şi iradierile impuse de metodele imagistice medicale, astfel: o radiografie abdominală produce o doză de 6,2 mSv, în timp ce una pulmonară o doză de 0,27 mSv.

Dacă un individ a fost supus unei iradieri de 6 Sv, acesta poate muri în decursul unei luni din cauza iradierii.

Legea Bergonié- Tribondeau Bergonié şi Tribondeau au stabilit experimental legea care le poartă numele, referitoare la radiosensibilitatea unui ţesut: Un ţesut este cu atât mai radiosensibil cu cât este mai puţin diferenţiat şi cu cât în el au loc mai multe mitoze. De altfel această observaţie stă şi la baza radioterapiei în cazul cancerelor. De asemenea celulele şi ţesuturile tinere sunt mai radiosensibile, ceea ce face ca riscurile iradierii pentru copii să fie mai mari decât pentru adulţi.

În timpul diviziunii celulare, cea mai radiosensibilă fază este metafaza, urmată de profază, anafază şi, în cele din urmă, de telofază.

Radiosensibilitatea unui ţesut creşte cu pH-ul (cu cât pH-ul este mai bazic, cu atât ţesutul este mai radiosensibil), cu gradul de hidratare, oxigenare, precum şi cu temperatura ţesutului. În condiţii de pH acid, deshidratare, anoxie şi temperatură scăzută, ţesuturile devin din ce în ce mai puţin radiosensibile.

În special în metafază, ADN-ul şi ARN-ul sunt foarte sensibile la iradiere cu radiaţii ionizante. De asemenea, mecanismele de reparare a leziunilor ADN-ului sunt mai puţin active în mitoză. Cele mai radiorezistente ţesuturi sunt ţesutul nervos şi ţesutul muscular. În schimb, ţesuturile caracterizate de o frecvenţă crescută a mitozelor sunt cele mai radiosensibile: ţesutul epitelial, măduva hematogenă şi gonadele. Efectele somatice şi genetice ale radiaţiilor ionizante Efectele somatice apar în cazul în care doza de radiaţie depăşeşte un anumit prag, ele fiind funcţie de radiosensibilitatea ţesuturilor (capacitatea acestora de a răspunde la iradiere printr-o leziune observabilă). Efectele genetice nu au prag şi apar în urma leziunilor cromozomiale din nucleele celulelor reproducătoare. Aceste efecte se manifestă la urmaşi prin boli genetice, mutaţii şi chiar moarte. Doză absorbită Efect D > 2000 rad Moarte sigură după câteva ore sau zile. La mai mult de 5000 rad, SNC nu

mai poate controla funcţiile corpului, inclusiv respiraţia şi circulaţia sângelui. Îngrijirea medicală intensivă nu rezolvă nimic.

2000 rad > D > 1000 rad

Simptomele iniţiale apar imediat. Câteva zile după iradiere, sistemul gastrointestinal este distrus. Îngrijirea medicală intensivă nu rezolvă nimic.

1100 rad > D > 150 rad

Apar modificări severe ale compoziţiei sanguine şi apar imediat şi primele simptome. La aproximativ două săptămâni de la iradiere, pot sa apară primele decese ale populaţiei iradiate. La o doză de 300-500 rad, aproximativ 50% din populaţia expusă moare, dacă nu se aplică îngrijire medicală intensivă. Moartea se datorează infecţiilor care atacă organismul în absenţa celulelor albe distruse de iradiere. La o iradiere cu o doză situată la limita inferioară a organismului, izolarea pacientului, administrarea de antibiotice, precum şi transfuziile sanguine pot să facă posibilă recuperarea. La limita superioară a intervalului dozei de iradiere,

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 13 din 14

doar un transplant de măduvă este cerut pentru a produce noi celule sanguine.

150 rad > D > 50 rad

Se înregistrează schimbări uşoare în compoziţia sângelui, iar simptomele care apar sunt: oboseală, ameţeală, vomă. Ele persistă una sau două zile.

50 rad > D > 5 rad

Doar uşoare modificări ale compoziţiei sanguine pot fi depistate numai în urma unui control medical ţintit, deoarece nu apar simptome.

5 rad > D Nu se observă efecte imediate Protecţia împotriva radiaţiilor ionizante

Există două tipuri de metode de protecţie împotriva radiaţiilor ionizante: metode fizice şi metode chimice. Protecţia fizică se realizează prin situarea sursei radioactive (în cazuri controlate, desigur) la distanţe cât mai mari, prin petrecerea unui timp minim în apropierea sursei, şi prin folosirea unor ecrane protectoare.

Ecranele protectoare sunt confecţionate din diferite materiale, în funcţie de tipul radiaţiei. Astfel, radiaţiile α pot fi oprite cu ajutorul unei foi de hârtie, radiaţiile β cu ecrane de plastic şi Al, iar radiaţiile X şi γ pot fi încetinite şi parţial absorbite prin folosirea unor ecrane de Pb. Plumbul (în general, orice fel de metale grele care au un număr mare de electroni pe unitatea de volum şi care nu produc izotopi radioactivi prin iradiere, plumbul constituind varianta cea mai ieftină) poate fi folosit pentru toate tipurile de radiaţii ionizante (inclusiv alfa şi beta). Dacă fasciculul ionizant este constituit din neutroni, sunt necesare mai multe straturi protectoare: - apă (H2O), apă grea (D2O) sau grafit cu ajutorul căruia neutronii sunt încetiniţi; - bare de cadmiu (Cd) care absorb neutronii încetiniţi, conform ecuaţiei:

Cd117 + n → Cd114 + γ – radiaţia γ emisă în urma reacţiei va fi atenuată prin folosirea ecranelor de Pb. Protecţia chimică

Pornind de la constatarea că un ţesut este cu atât mai radiosensibil cu cât este mai bazic, mai cald, mai oxigenat şi mai hidratat, se face protecţia chimică ce urmăreşte să deshidrateze organele radiosensibile, să micşoreze temperatura organismului şi să diminueze metabolismul, să dezoxigeneze organismul, să inhibe sau să fixeze radicalii liberi proveniţi în urma radiolizei apei. Pentru aceasta, se administrează substanţe chimice radioprotectoare, înaintea iradierii, care măresc radiorezistenţa organismului. Există radioprotectori hidrosolubili (cisteamina HS-CH2-CH2-NH2 cu formula generală M-SH) şi liposolubili (derivaţi ai pirogalolului şi naftolului) care diminuează concentraţia oxigenului intra şi extracelular, împiedicând formarea peroxizilor lipidici.

Substanţele radioprotectoare "vânează" radicalii liberi: M-SH + R• → RH + MS•

MS• + MS• → MS-SM Printre substanţele radioprotectoare se numără şi vitaminele, acizii nucleici,

hormonii, histamina, serotonina.

Utilizarea radiaţiilor ionizante Radiaţiile ionizante sunt folosite în medicină pentru tratamentul cancerelor (distrugerea tumorilor maligne) şi în imagistică (cursurile de tehnici fizice folosite în medicină şi imagistică medicală).

Radiobiologie  MG‐2009‐2010 

Pagina 14 din 14

Radiaţiile ionizante sunt folosite pe scară largă şi în afara sferei medicale. Astfel, în detectorii de fum cu care sunt echipate încăperile, există o sursă de Americiu (izotopul radioactiv 241, cu timp de înjumătăţire de 460 de ani) care emite particule alfa ce ionizează aerul, astfel încât acesta devine uşor conductor. În momentul în care fumul intră în alarmă, aceasta absoarbe particulele, curentul se reduce, iar alarma porneşte. În fabricile de hârtie se folosesc surse de radiaţii beta pentru a măsura grosimea hârtiei, înregistrând cu ajutorul unui contor Geiger Mueller ce cantitate de radiaţie a penetrat foaia. O altă aplicaţie a radiaţiilor ionizante se întâlneşte la sterilizarea alimentelor ambalate, deoarece radiaţia gamma este capabilă să distrugă bacteriile. Tot radiaţii gamma se folosesc şi pentru sterilizarea instrumentarului din material plastic ce poate fi distrus prin încălzire. Se poate stabili vârsta unor materiale organice foarte vechi (datare radioactivă) pornind de la ideea că animalele şi plantele nu mai absorb carbon izotopul 14 (radioactiv cu un timp de înjumătăţire de 5700 de ani) în ţesuturi şi se măsoară cantitatea de 14C rămasă.