EFECTE BIOLOGICE ALE RADIAȚIILOR IONIZANTE INTRODUCERE Imediat după descoperirea radiaților roentgen și apoi a radioactivității, s-a sesizat și caracterul periculos al radiaților ionizante, în cazul folosirii neraționale. Pionerii rontgenografiei au cunoscut pe propria lor piele acțiunea radiaților ionizante, iar după descoperirea radioactivității, primele victime au apărut în 1920, în S.U.A., în rândul muncitorilor care au aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor. Acestora li s-au adăugat savanții Marie Curie și Irene Joliot-Curie, renumiți cercetători în domeniul radiaoctivității, care au decedat după grele suferințe, de leucemie radioindusă. Indiferent de urmările provocate de impactul radiațiilor ionizante cu organismul viu, acțiunea biologică prezintă unele particularități și anume: - organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simț care să sesizeze prezenta radiațiilor ionizante, iar efectul biologic nu este vizibil în momentul iradierii; - efectele biologice sunt cumulative și nu au un caracter particular care să ne permită deosebirea de efectele apărute altfel decât prin iradiere. - modificările și simptomele evoluează lent după iradiere. În realitate, efectele biologice produse de acțiunea radiaților ionizante asupra ființelor, în special a omului, sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanșează la trecerea radiaților prin organismele vii. 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
INTRODUCERE
Imediat după descoperirea radiaților roentgen și apoi a radioactivității, s-a sesizat și
caracterul periculos al radiaților ionizante, în cazul folosirii neraționale. Pionerii
rontgenografiei au cunoscut pe propria lor piele acțiunea radiaților ionizante, iar după
descoperirea radioactivității, primele victime au apărut în 1920, în S.U.A., în rândul
muncitorilor care au aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor. Acestora li s-au
adăugat savanții Marie Curie și Irene Joliot-Curie, renumiți cercetători în domeniul
radiaoctivității, care au decedat după grele suferințe, de leucemie radioindusă.
Indiferent de urmările provocate de impactul radiațiilor ionizante cu organismul viu,
acțiunea biologică prezintă unele particularități și anume:
- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simț care să sesizeze prezenta
radiațiilor ionizante, iar efectul biologic nu este vizibil în momentul iradierii;
- efectele biologice sunt cumulative și nu au un caracter particular care să ne permită
deosebirea de efectele apărute altfel decât prin iradiere.
- modificările și simptomele evoluează lent după iradiere.
În realitate, efectele biologice produse de acțiunea radiaților ionizante asupra
ființelor, în special a omului, sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanșează
la trecerea radiaților prin organismele vii. Evenimentele inițiale, sunt ionizări și excitări ale
atomilor și moleculelor din mediul de interacțiune de-a lungul traiectorilor particulelor
ionizante. Ulterior aceste perturbări fizice antrenează reacții fizico-chimice, urmate de reacții
chimice, generând în final efecte biologice. Prin urmare avem: efecte stohastice și
nestohastice care sunt explicate mai pe larg în continuarea acestui proiect.
Radiațiile Roentgen constituie una din descoperirile epocale ale stiinței contemporane
care s-a impus în toate domeniile de activitate prin importanța covârșitoare a aplicațiilor sale
multilaterale.
Descoperirea radiațiilor Roentgen a deschis în medicină noi căi de diagnostic și terapie;
în știință-metode noi de cercetare nedestructivă a materialelor, metode noi de automatizare a
proceselor tehnologice; în agricultură-metode noi de înfluențare și dirijare a eredității, etc.
1
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
CAPITOLUL 1
RADIAȚII IONIZANTE
Radiațiile ionizante sunt formate din radiațiile nucleare și radiațiile X (röntgen).
Radiațiile nucleare sunt radiațiile pe care le emite nucleul atomic atât spontan – în urma
dezintegrărilor caracteristice radioactivității naturale sau artificiale – cât și în urma reacțiilor
nucleare. Radiațiile X sunt emise de electroni, fie la trecerea lor pe nivele profunde ale
atomului (spectru caracteristic), fie prin frânarea electronilor liberi de mare energie (spectru
continuu). Aceste radiații au energie mare și în urma interacției lor cu materia pot ioniza
atomii, datorită acestui fapt purtând numele de radiații ionizante.
În secolul nostru practica a pus omenirea față în față cu aceste radiații. S-a văzut că
aceste radiații pot avea o serie de efecte nefaste asupra materiei vii, dar și o serie de efecte
care se pot utiliza pentru dezvoltarea bunăstării materiale și spirituale a societății umane.
Astfel, aceste radiații administrate în doze mari materiei vii duc la moartea acesteia,
administrate în doze medii duc la îmbolnăviri, întârzieri în dezvoltere etc., iar administrate în
cantități mici pot avea chiar efecte similatoare. Totalitatea efectelor radiațiilor ionizante
asupra materiei vii constituie efectul radiobiologic cu studiul căruia se ocupă radiobiologia.
Mecanismul apariției efectului radiobiologic este extrem de complex. Pentru
instaurarea lui este necesar mai întâi ca materia vie să interacționeze cu radiațiile ionizante, în
limbaj fizic această afirmație traducându-se prin existența unui transfer de energie de la
radiația ionizantă la materia vie. Aceasta este prima etapă din mecanismul efectului
radiobiologic: etapa fizică. Aceasta durează extrem de puțin, un timp mai mic de 10 -10 s, dar
este extrem de importantă, de ea depinzând toată dezvoltarea ulterioară a efectului
radiobilogic. În această etapă atomii și moleculele care au primit energie se ionizează sau se
excită. În a doua etapă din mecanismul apariției efectului, etapa chimică, atomii și moleculele
ionizante se recombină, cele excitate se dezexcită, producând, în general, radicali liberi –
specii chimice cu o reactivitate remarcabilă. Având în vedere că în materia vie predomină apa,
cei mai frecvenți radicali liberi care apar în această etapă sunt radicalii liberi obținuți în urma
radiolizei apei. Și această a doua etapă durează foarte puțin, radicalii liberi având un timp de
viață extrem de scurt. Primele două etape nu sunt specifice materiei vii; ele decurg identic,
atât la materia vie, cât și la cea moartă, cu o construcție chimică identică cu cea vie.
2
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
Specificitatea de acțiune asupra materiei vii începe cu etapa a treia a mecanismului de apariție
a efectului. În acastă etapă radicalii liberi apăruți în etapa chimică interacționează cu
macromoleculele de interes biologic, adiționează ireversibil la acestea, inactivându-le.
Cinetica reacțiilor biochimice este profund modificată. Această etapă, spre deosebire de
primele două, poate dura foarte mult, inactivarea macromeoleculelor biologice fiind de durată.
Totalitatea acestor efecte biochimice la organismul viu conduce la apariția unor modificări
vizibile macroscopic pe organismul viu în cea de-a patra treaptă de realizare a efectului
radiobiologic – etapa biologică. Această etapă care este și ea specifică lumii vii durează foarte
mult și poate afecta mai multe generații succesive.
1.1 Tipuri de radiații
Având în vedere importanța interacției radiațiilor ionizante cu materia vie, de care
depinde toată dezvoltarea ulterioară a efectului radiobiologic, nu este de mirare faptul că
radiobiologia acordă o mare importanță capitolului interacției acestor radiații cu materia. Dar
inainte de a trece la analiza interacției radiațiilor ionizante cu materia este bine să precizăm
care sunt acestea și să le clasificăm.
O primă categorie de radiații ionizante frecvent utilizate sunt radiațiile
electromagnetice de mare energie (frecvență mare, lungie de undă mică): radiațiile γ și
radiațiile X.
Radiațiile γ. Sunt radiații electromagnetice de mare energie (mai mare decât ordinul de
mărire al KeV) emise de către nucleul atomic atunci când nucleonii (neutronii și protonii)
costituenți se restructurează trecând de pe nivelele excitate pe nivelele fundamentale.
Această restructurare are loc după reacții nucleare în urma cărora nucleonii au rămas
pe nivele energetice excitate. Spectrul energetic al acestor radiații este discret.
Radiațiile X (sau RÖNTGEN). Sunt radiații electromagnetice de mare energie,
identice ca proprietăți cu radiațiile γ, dar a căror origine este diferită; apar în urma tranziției
electronilor între diferite nivele energetice. Ele pot fi produse de către instalațiile clasice de
producere a radiațiilor X sau de betatroane (în acest caz radiațiile sunt de mare energie). Un
caz particular de emisie de radiații X caracteristice îl întâlnim în radioactivitatea artificială –
în captura K. În cadrul acestui fenomen, un proton din structura nucleului atomic captează un
electron de pe nivelul cel mai profund al atomului – pătura K. Atomul rămânând cu un gol pe
nivelul electronic cel mai adânc, electronii periferici vor sări pe acest nivel rămas liber
3
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
emițând cuante X caracteristice. Radionuclizii care au în schema de dezintegrare captura K și
care sunt frecvent utilizați în practica radiobiologică sunt: 40K, 51Cr, 54Mn, 64Cu, 85Sr, 125I, 196Hg, etc..
O a doua categorie de radiații ionizante sunt radiațiile corpusculare încărcate electric.
Sunt formate din particule sau grupuri de particule cu masă de repaos diferită de zero,
încărcate electric. Ele sunt:
Radiațiile α. Sunt nuclee de heliu, formate din doi protoni și doi neutroni. Cel mai
frecvent utilizăm radiațiile α produse de radionuclizi de la sfârșitul tabloului lui Mendeleev
(elemente transuranice și elemente radioactive naturale). În radioactivitatea artificială
radiațiile α sunt extrem de rare și de lipsite de importanță din puntul de vedere al
radiobilogiei. Particula α emisă preia energia eliberată de către radionuclidul care se
dezintegrează și datorită acestui fapt spectrul energetic alfa al unei specii nucleare date este
dicret.
Radiațiile β -. Sunt formate din electroni emiși de către nuclee. Acești electroni apar în
urma transformării spontane a unui neutron din nucleu într-un proton, un electron și un
antineutrin (acesta din urmă fiind o particulă neutră, fără masă de repaus):
(1.1)
Electronul și antineutrinul părăsesc nucleul împărțindu-și energia eliberată în
dezintegrare. Având în vedere faptul că modul de împărțire a energiei între cele două particule
produse este întâmplător, spectrul energetic al electronilor beta emiși de un radionuclid dat
este continuu, cuprins între zero și energia maximă (Wmax) eliberată de respectivul nucleu în
dezintegrare. Radioactivitatea β – o întâlnim la fel de frecvent și în radioactivitatea naturală cât
și în cea artificială.
Radiațiile β +. Sunt formate din electroni pozitivi (pozitroni sau antielectroni) emișii
de către nuclee. Acest tip de radioactivitate este caracteristic doar radioactivitătii artificiale.
Pozitronul apare în interiorul nucleului în urma transformării spontane a unui proton într-un
neutron, un electron pozitiv și un neutron:
4
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
și similar cu dezintegrarea β – spectrul electromagnetic al pozitronilor emiși de o specie
nucleară dată este continuu, cuprins între zero și energia eliberată în urma dezintegrării.
Pozitronul nu este însă o particulă sensibilă: ea își pierde energia cinetică prin ciocniri elastice
și apoi ciocnind un electron obișnuit se anihilează – dispar împreună dând doi fotoni de 511
keV fiecare conform relației lui Einstein de echivalență a masei cu energia. Deci o substanță
radioactivă emițătoare β + emite și radiații γ de anihilare de 511 keV. Emițători β + curent
utilizați în radiobiologie sunt: 22Na, 64Cu, 63Zn, 77Ba, 124I, etc..
Fluxuri de electroni. Sunt fluxuri de electroni accelerați obținuți cu ajutorul
acceleratoarelor de particule (acceleratori lineari și betatroane). Ele sunt fluxuri de particule
practic monoenergetice. Un caz particular de emisie spontană de electroni monoenergetici îl
întâlnim în radioactivitatea naturală și artificială: electronii de conversie internă (ECI).
Electronii de conversie internă se obțin pe la unii radionuclizi emițători gama prin efect
fotoelectric intern – păturile electronice ale nucleului emițător de radiație γ absorb prin efect
fotoelectric radiația emisă dând fotoelectroni. Aceștia, spre deosebire de electronii
fasciculelor β – au spectrul energetic discret, datorită faptului că spectrul energetic al radiației
γ care le dă naștere este discret. În practica radiobiologică întâlnim mai frecvent următorii
radionuclizi în a căror schemă de dezintegrare se găsesc electronii de conversie internă: 51Cr, 67Co, 57Ni, 64Cu, etc..
Fluxuri de nuclee accelerate. Sunt nuclee de mare energie obținute de la acceleratori
de particule (ciclotroane, sincofazotroane etc.). Utilizarea lor în radiobiologia experimentală
este extrem de limitată datorită costului exorbitant al experimentului.
O a treia categorie de radiații ionizante o constituie radiațiile cu masă de repaos nulă și
cu sarcina electrică nulă. Din această categorie de radiații ionizante singurii importanți pentru
radiobiologia experimentală sunt neutronii.
Neutronii. Sunt particule fără sarcină electrică, cu masa de repaus apropiată de cea a
protonilor. Sunt constituenți ai nucleului atomic. Se pot obține prin fisiunea elementelor grele
sau prin reacții nucleare. Dispozitivul experimental cel mai utilizat pentru iradierea
experimentală cu neutroni este reactorul nuclear, care prezintă și un dezavantaj esențial –
neutronii se obtin împreună cu radiații γ de intensitate destul de ridicată, aceste radiații
neputând fi disociate. Neutroni fără radiații γ asociate, dar în fluxuri mai mici, se pot obține
prin bombardarea beriliului cu particule α, pe care le putem obține de la o sursă radioactivă
(de exemplu de poloniu). Astfel, o sursă de poloniu de 1 Ci amestecată cu beriliu emite pe
5
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
secundă 107 neutroni fără fără a-i asocia cu radiație γ. Neutronii sunt frecvent utilizați în
radiobiologia experimentală.
1.2 Interacțiunea radiațiilor Roentgen cu substanța vie
Cu studiul reacțiilor organismului față de energia radiantă și cu mecanismul acțiunii
radiațiilor ionizante se ocupă o ramură nouă a științei, radiobiologia, totalitatea reacțiilor de
răspuns ale organismului față de acțiunea energiei radiante fiind denumită efect radiobiologic.
În radiobiologie, lămurirea proceselor, reacțiilor și mecanismelor de acțiune a
radiațiilor absorbite de organismul viu întâmpină multe greutăți. Aceasta, datorită în primul
rând cunoașterii încă insuficientă a naturii vii și în al doilea rând, datorită necunoașterii în
suficientă măsură a mecanismului intim de acțiune al radiațiilor ionizante absorbite. De aceea,
știința nu posedă încă o teorie radiobilogică generală, capabilă să explice complet toate
laturile și variațiile efectului radiobiologic, aplicabilă tuturor viețuitoarelor, tuturor condițiilor
organismelor mediului și felul iradierii. Totuși materialul faptic acumulat și interpretarea lui s-
au dovedit de acum suficiente pentru folosirea efectelor acțiunii biologice a radiațiilor
ionizante în activitatea practică medicală, agrozootehnică etc.
Efectul biologic confundânduse cu suma reacțiilor organismului iradiat, se constată în
general două posibilități de desfăsurare a interacțiunii radiațiilor cu substanța vie.
Prima posibilitate apare când intensitatea solicitării substanței vii se menține în
condiții fiziologice și capacitatea reacțională a organismului este favorabilă, iar energia
radiantă are un efect predominant funcțional de reglare metabolică, prin activizarea,
stimularea trecătoare a metabolismului. Acesta se explică printr-o sporire, în anumite condiții,
a reacțiilor energetice care întrețin procesele de sinteză (crește activitatea unor sisteme
fermentative) și o dirijare a echilibrului metabolic în favoarea proceselor de sinteză.
A doua posibilitate apare în condițiile în care energia radiantă solicită substanța vie
până peste limita capacităților ei fiziologice, dereglând metabolismul către catabolism și
producând desfacerea și distrugerea moleculelor organice. Acest efect radiobiologic este
predominat morfologic și poate merge desigur până la moartea celulelor și chiar a întregului
organism. Descompunerea moleculelor și modificarea legăturilor macromoleculare duc la
depolimerizarea și degradarea substanțelor biologice complexe, iar acestea provoacă mai
6
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
departe modificarea permeabilității și a proprietății de absorbție a macromoleculelor, pe
seama cărora are loc sinteza și transformarea diferitelor substanțe biolgice. Modificarea
structurii formațiunilor intercelulare duce la perturbarea coordonării proceselor fermentative,
a sintezei proteinelor, nucleoproteinelor, glicoproteinelor, anticorpilor și hormonilor, cu toate
consecințele fiziologice și biologice respective.
Din lanțul modificărilor biologice de mai sus leziunile nucleoproteinelor joacă un rol
dintre cele mai importante, apreciat de unii cercetători chiar ca substratul de bază al acțiunii
radiațiilor ionizante, deoarece metabolismul acizilor nucleici reprezintă una din cele mai
importante etape ale metabolismului general. S-a stabilit că sub acțiunea radiaților ionizante
procesul de sinteză ADN este tulburat. El scade mult după o iradiere a organismului din a
cărui măduvă osoasă sau splină a fost extras. De asemenea, sub acțiunea radiațiilor ionizante
scade vâscozitatea soluțiilor de ADN; fragmentarea este accelerată de prezența ureei, care
distruge legăturilor hidrogenice dintre două lanțuri de ADN.
Diferitele părți ale celulei manifestă sensibilități diferite față de radiații și drept
urmare, funcțiile legate de aceste structuri sunt tulburate în mod inegal.
Radiosensibilitatea diferențiată a diferitelor structuri și componenți celulari este un
fenomen real care se explică și prin proprietatea morfo-funcțională specifică și determinată a
fiecărei structuri celulare, ce se manifestă variabil în cadrul integrității celulei și a unității ei
cu mediul.
Mecanismul biochimic de realizare a radiosensibiltății diferențiate, la nivelul celei mai
„simple” reflectări biologice, a reflectării celulare, este cel al acțiunii directe și mai ales al
celei indirecte, caracterul și intensitatea reacțiilor depinzând de compoziția chimică, de
ordinea și de ritmul determinat al proceselor biochimice proprii, fiecărei structuri, și mai ales
proprii noilor raporturi născute între reacțiile și procesele întregii celule.
La organismele pluricelulare și organismelor superioare există o radiosensibilitate
diferită chiar la celulele care alcătuiesc același țesut. Explicația este în principiu aceeași:
variabilitatea activității biologice și a stării funcționale a fiecărei celule în parte, tradusă prin
viteza și ritmul proceselor vitale.
Acțiunea radiaților produce modificări generale comune, dar și specifice, diferite la
nivelul fiecărei țesut, organ, sistem etc.,datorită structurii și rolului fiziologic diferit al
fiecăruia, în cadrul unității și integrității organismului.
Numeroși autori au studiat și stabilit radiosensibilitatea diferitelor țesuturi întocmind
tabele corespunzătoare, care în genere indică următoarea ordine descrescândă: ganglionii
7
EFECTE BIOLOGICE ALE RADIA IILOR IONIZANTEȚ
limfatici și maduva osoasă hematogenă, glandele digestive, glande sexuale, pielea cu rădăcina
părului și glandele sudoripare, cristalinul, seroasele, plămânii, rinichii, glandele suprarenale,