MIKRODOZIMETRIAI MÓDSZEREK KIDOLGOZÁSA SUGÁRVÉDEMI CÉLÚ RADIO-BIOFIZIKAI KUTATÁSOKHOZ

Átírás

1 MIKRODOZIMETRIAI MÓDSZEREK KIDOLGOZÁSA SUGÁRVÉDEMI CÉLÚ RADIO-BIOFIZIKAI KUTATÁSOKHOZ DOKTORI ÉRTEKEZÉS TÉZISEI SZABÓ JULIANNA ELTE TTK, FIZIKA DOKTORI ISKOLA ISKOLAVEZETŐ: DR. HORVÁTH ZALÁN BIOLÓGIAI FIZIKA, STATISZTIKUS FIZIKA ÉS KVANTUMRENDSZEREK FIZIKÁJA PROGRAM PROGRAMVEZETŐ: DR. VICSEK TAMÁS TÉMAVEZETŐK DR. BALÁSHÁZY IMRE PÁLFALVI JÓZSEF DR. FEHÉR ISTVÁN MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA KFKI ATOMENERGIA KUTATÓINTÉZET 2006

2 Bevezetés és a munka célkitűzései A jelen munka részét képezi azon kutatási témának, melynek a távlati célja az, hogy megértsük a kis sugárdózisok (200 msv alatt) okozta sejtszintű biológiai elváltozásokat és így megbecsülhessük az ionizáló sugárzások okozta késői hatást, a rákkeletkezés valószínűségét. A feladatnak sokirányú megközelítése létezik és szinte minden sugárvédelemmel foglalkozó intézetnek egyik fő kutatási témája. A Magyar Tudományos Akadémia KFKI Atomenergia Kutatóintézet, az Országos Sugárbiológiai és Sugáregészségügyi Kutatóintézet, valamint a Salzburgi Egyetem kutatóinak közösen, a rendelkezésre álló kísérleti és elméleti módszerekkel egy sor eredményt sikerült elérniük. A kis dózisú ionizáló sugárzások egészségkárosító hatása tanulmányozásának egyik elterjedt módszere élő sejtkultúrák besugárzása és a besugárzás következtében létrejövő változások vizsgálata. A doktori munkám fő célja, hogy hozzájáruljon a nagy lineáris energiaátadású (LET) ionizáló sugárzások dózisa és az általuk kiváltott biológiai hatások közötti összefüggések feltárásához, hogy tanulmányozza a kapcsolatot, amely a makroszkópikus dózis, valamint a tényleges sejttalálatok és a biológiai válasz között létezik. A kísérleti munkám két téma köré csoportosul: (i) alfa-, valamint (ii) neutron-sugárzással keltett sejt elváltozások vizsgálata. Mindkét esetben az eredmények analíziséből következtetések várhatók a kis dózisok biológiai hatásaira vonatkozóan, ugyanis a mai ismereteink szerint a rosszindulatú transzformációk létrejöttében kulcsszerepe van az ionizáló részecskék által létrehozott két- és többszörös sejttalálatoknak, melyek matematikailag modellezhetők és kísérletileg vizsgálhatók. A fontosabb célkitűzéseim a következők: 1) Radon bomlásából származó alfa-sugárzás tüdő hámsejteket károsító hatásának kísérleti szimulálásához: Olyan alfa-sugárforrás tervezése, amelyből a kilépő alfa-részecskék energia spektruma közelíti a radon és leányelemei alfa-sugárzásának spektrumát. Az elkészített sugárforrás jellemzése. In vitro sejtkísérletekhez alfa-besugárzó építése. 2) Neutronokkal végzett sejkísérletekben a közvetett (a sejteket tároló edény falából kilépő részecskék által okozott), valamint a neutronok által közvetlenül kiváltott kölcsönhatások elkülönített vizsgálata: A sejtkísérletekben alkalmazott edények falából neutron-sugárzás hatására kilépő protonok kísérleti vizsgálata szilárdtest nyomdetektoros módszerekkel. 1

3 Modell kidolgozása a kísérleti eredmények kiegészítéséhez: a neutronok által keltett protonok energia- és szögeloszlásának tanulmányozása. 3) Kis dózisú alfa- és neutron sugárzás biológiai hatásainak vizsgálata: Sejttenyészetekben alfa-, valamint neutron-besugárzás hatására kialakuló adaptív válasz és bystander effektus tanulmányozása (az OSSKI vezetésével). Alkalmazott módszerek Az alfa-források készítéséhez felhasznált 210 Po izotópot természetes bizmutból állítottuk elő a Budapesti Kutatóreaktorban (MTA KFKI AEKI) történő besugárzás után a 209 Bi (n,γ) 210 Bi 210 Po reakció alapján. A polóniumot áram nélküli leválasztással vittük fel a források hordozóanyagaként szolgáló ezüst felületre. Kis- és nagyméretű forrásokat készítettünk, ez utóbbiak forgató szerkezettel ellátott besugárzó berendezésben helyezhetők el. A besugárzó berendezés sejt monorétegek besugárzását teszi lehetővé. A sejteket ért alfadózisteljesítmény PIPS (Passivated Implanted Planar Silicon) alfa-spektrométeres mérések, nyomdetektoros mérések és SRIM 2003 (töltött részecske transzport kód) számítások segítségével került meghatározásra. A neutron-besugárzásos mikrodozimetriai kísérleteket a Budapesti Kutatóreaktor 5-ös számú Biológiai Besugárzó csatornájánál végeztük. A sejteket tároló edények falára helyeztük fel a szilárdtest nyomdetektorokat különböző radiátor (Ti, LiF, Li 2 B 4 O 7 ) és abszorber (Cd) anyagokkal kombinálva, így a teljes neutron-spektrumot tanulmányozni lehetett. A nyomdetektorok kiértékelése megfelelő kémiai maratás után optikai mikroszkóphoz kapcsolt számítógépes képanalizátor segítségével történt. A sejtbesugárzási kísérleteknél alkalmazott vizsgálati módszer a mutációs indukció volt. A klonogén túlélés és a mutációs frekvencia került meghatározásra a direkt besugárzást kapott és a bystander sejtek sugárérzékenységének becsléséhez. A bystander effektus vizsgálata a médium csere vagy másnéven ICCM (irradiated cell conditioned medium) technikával történt. Tézisek A munkám főbb eredményei a következők: 1. Terveztem és készítettem alfa-sugárforrásokat az alfa-sugárzás sejtszintű biológiai hatásainak vizsgálatához. Forrásként a 210 Po izotópot választottam, mivel monoenergiás, 2

4 gyakorlatilag tiszta alfa-sugárzó, energiája közel áll a radon leánytermékek alfa-energiájához, valamint Intézetünkben mód nyílt az előállítására. Különböző eljárást dolgoztam ki a kis- és a nagyaktivitású alfa-források gyártására. 2. Építettem egy kis-, és egy nagyméretű alfa-besugárzó berendezést. A kisméretű berendezés 1,76 cm 2 felületű, kollimált 210 Po alfa-forrást tartalmaz. A nagyméretű berendezés forrásának felülete 55,41 cm 2. A besugárzó berendezésekben cserélhetőek az alfa-források, ennek köszönhetően széles aktivitás-tartományt fognak át (átlagos alfa-fluxus ~ cm -2 s -1 ), a nagyobb berendezés forgató szerkezetet is tartalmaz, ami sokkal homogénebb besugárzást biztosít. A nagyméretű, nagy besugárzási felületet biztosító források használatával csökken a biológiai kísérletek bizonytalansága, ezenkívül a sejttranszformációs kísérletekhez feltétlenül szükség van ezen méretre. A SRIM 2003 számítások azt mutatják, hogy a sejteket elérő alfa-részecskék átlagos energiája 3 MeV, az átlagos energialeadás a sejtrétegben 1,6 MeV, ami megfelelő a tervezett in vitro sejtkísérletek elvégzéséhez. 3. Vizsgáltam a sugárzási teret neutron-sugárzással végzett sejtkísérletek dozimetrálásához a Budapesti Kutatóreaktornál. Szilárdtest nyomdetektoros méréseken alapuló eljárást dolgoztam ki, melynek segítségével meghatároztam a gyors, intermedier és termikus neutronok arányát, valamint a neutronok által a sejteket tároló edények falában és a sejtanyagban keltett protonok számát és dózisjárulékát. Az irodalomban elsőként mutattam rá, hogy a sejteket tároló edény falából a dózisnak jelentős része (16 %-a) származik. Egy mgy neutron dózisnál minden nyolcadik sejt kap proton-találatot. 4. Továbbfejlesztettem a PROTON nevű számítógépes programot, amellyel az irodalomban elsőként határoztam meg a sejteket tároló edények falában keletkező protonok differenciális energia- és szögeloszlás spektrumát. 5. Az OSSKI Sejtbiológiai Osztályának munkatársaival közösen vizsgáltuk az előzetes kis dózisú alfa- és neutron besugárzás hatására kialakuló adaptív választ, mégpedig a mutációs frekvencia meghatározásával. Mindkét sugárzásfajta esetén kimutatható volt az adaptáció. A bystander effektust ill. annak szerepét a mutagén adaptív válasz kialakulásában az ún. médium csere technikával elemeztük. Az eredmények azt mutatják, hogy a bystander, azaz a direkt sugárzást nem kapott sejtek is képesek az adaptációra. Következtetések Az Intézetünkben készített alfa-besugárzó berendezésben cserélhetők az alfa-források, ezáltal kb. 3 nagyságrendnyi aktivitás-tartomány fogható át, és a nagy méretnek 3

5 köszönhetően egyszerre nagyszámú (~ 10 8 ) sejt besugárzása valósítható meg. Ilyen értelemben a berendezés egyedülállónak számít. A kidolgozott eljárással viszonylag egyszerűen, hazai körülmények között a továbbiakban is a kívánalmaknak megfelelő alfaforrások készíthetők. Az OSSKI munkatársai által elvégzett in vitro sejtbesugárzási kísérletek igazolják, hogy a berendezés alkalmas a kívánt célokra. A neutron-sugárzással végzett kísérletekhez kapcsolódó mikrodozimetriai mérések és számítások alapján elsőként mutattunk rá arra, hogy sejtszintű vizsgálatoknál milyen fontos szerepe van a sejteket tároló edénynek: esetünkben a dózis 16 %-a az edény falában keletkező protonoktól származik. Az általunk készített alfa-besugárzóval és a Budapesti Kutatóreaktor Biológiai Besugárzó csatornájánál az OSSKI munkatársai számos egyéb jelenséget is tanulmányoznak, amelyek reményeink szerint közelebb visznek minket ahhoz, hogy megértsük a kis dózisok biológiai hatásait. 4

6 A tézisek alapjául szolgáló referált folyóiratban megjelent közlemények 1. Szabó J., Fehér I., Pálfalvi J.K., Balásházy I., Dám A.M., Polonyi I., Bogdándi N., In vitro cell irradiation systems based on 210 Po alpha source: construction and characterization. Rad. Meas. 35, Pálfalvi J., Dám A.M., Bogdándi N., Polonyi I., Szabó J., Balásházy I., Farkas Á., Etched track detectors and the low dose problem. Rad. Prot. Dos. 103, 3, Szabó J., Pálfalvi J.K, Study of the Neutron Field with Etched Track Detectors in Radiobiological Experiments. Rad. Meas. 40, A tézisekhez kapcsolódó konferencia kiadványok 1. Bogdándi N.E., Polonyi I., Sárdy M., Drahos Á., Szabó J., Pálfalvi J., Fehér I., Balásházy I., Dám A.M., Radioadaptation, repair mechanisms and bystander effect induced by low dose ionizing radiation in vitro. 32 nd Annual Meeting of European Society for Radiation Biology, Liege, Belgium, 4-7 Sept Book of Abstracts Polonyi I., Bogdándi N.E., Sárdy M., Szabó J., Pálfalvi J., Fehér I., Dám A.M., Combined Effects of Low Dose High-LET Irradiations and Heavy Metals on Protein Synthesis and Cytotoxicity. 32 nd Annual Meeting of European Society for Radiation Biology, Liege, Belgium, 4-7 Sept Book of Abstracts Szabó J., Fehér I., Pálfalvi J.K., Balásházy I., Dám A.M., Bogdándi N., Polonyi I., Development of 210 Po Alpha-Emitting Exposure Devices for Radiobiological Experiments. 27 th Annual Meeting on Radiation Protection, Mátrafüred, Hungary, 8-10 May Book of Abstracts 32 and Bogdándi E.N, Polonyi I., Pálfalvi J.K., Sárdy M., Szabó J., Dám AM., Alacsony dózisú ionizáló sugárzás által kiváltott adaptációs és repair folyamatok valamint,,bystander effektus vizsgálata sejtszinten. III. Magyar Sejtanalitikai Konferencia, Budapest, május 16-18, Abstract Book Bogdándi E.N., Polonyi I., Sárdy M,. Tátrai E., Kerényi T., Fehér I., Szabó J., Dám A.M., A radon és az azbeszt egészségkárosító hatásának vizsgálata sejtszinten. VI. Magyar Aerosol Konferencia, Debrecen, 2002 október 10-11, Book of Abstracts Szabó J., Fehér I., Balásházy I., Pálfalvi J., Bogdándi N., Polonyi I., Dám A.M., Csőke A., Alpha-irradiating system for in vitro experiments with cell cultures. 28 th Annual Meeting on Radiation Protection, Mátrafüred, Hungary, 6-8 May Book of Abstracts 20 and 23. 5

7 7. Bogdándi N.E., Polonyi I., Sárdy M., Drahos Á., Szabó J., Pálfalvi J., Fehér I., Balásházy I. and Dám A.M., Radioadaptation, repair mechanisms and bystander effect induced by low dose ionising radiation in vitro. 28 th Annual Meeting on Radiation Protection, Mátrafüred, Hungary, 6-8 May Book of Abstracts 21 and Bogdándi N E., Polonyi I., Sárdy M., Drahos Á., Szabó J., Pálfalvi J.K., Fehér I., Balásházy I., Dám A.M., Radioadaptation, Repair Mechanisms and Bystander Effect Induced by Low Dose Ionising Radiation in vitro. Sejt- és Fejlődésbiológiai Napok, Siófok, Hungary, Apr Szabó J., Fehér I., Balásházy I., Pálfalvi J.K., Dám A.M., Bogdándi N., Polonyi I., Construction and application of 210 Po alpha-emitting exposure devices for radiobiological experiments. IRPA 2003 Regional Congress on Radiation Protection in Central Europe, Bratislava, Slovakia, Sept Book of Abstracts 109. ISBN Szabó J., Fehér I., Dám A.M., Bogdándi N., Polonyi I., Balásházy I., Pálfalvi J.K., Application of alpha-emitting exposure devices for studying adaptive response. EU-US Workshop on "Molecular signature of DNA damage induced stress responses", Cortona, Italy, Sept. 2003, Book of Abstracts Szabó J., Fehér I., Preparation of 210 Po sources for alpha irradiating system. Annual Radiochemical Conference 2003, Balatonföldvár, Hungary, 8-10 October, 2003, Book of Abstracts 23 and 47. ISBN Bogdándi N.E., Dám A.M., Polonyi I., Sárdy M., Tátrai E., Kerényi T., Szabó J., Fehér I., Combined effects of radon, asbestos, mineral dusts and heavy metals at cellular level. 33 rd Annual Meeting of the European Society for Radiation Biology, Budapest, Aug p69. Central European Journal of Occupational and Environmental Medicine 10 (S): Bogdándi N.E., Dám A.M., Polonyi I., Sárdy M., Tátrai E., Kerényi T., Szabó J., Fehér I., Combined effects of radon and asbestos at cellular level. European Aerosol Conference, Budapest, 6-10 Sept J. Aerosol Sci. 35 (S): További folyóirat cikkek 1. Pálfalvi J.K., Akatov Yu., Szabó J., Sajó-Bohus L., Eördögh I., Evaluation of solid state nuclear track detector stacks exposed on the International Space Station. Rad. Prot. Dos. 110, 1-4,

8 2. Pálfalvi J.K., Szabó J., Eördögh I., Miképpen a földön, azonképpen az űrben is - avagy elsődleges és másodlagos kozmikussugárzás-dozimetria a Nemzetközi Űrállomáson és a földi kiegészítő vizsgálatok. Fiz. Szemle 2005/4, Sajó-Bohus L., Pálfalvi J.K., Akatov Yu., Arevalo O., Greaves E.D., Németh P., Palacios D., Szabó J., Eördögh I., Neutron Induced Complex Reaction Analysis with 3D Nuclear Track Simulation. Rad. Meas. 40, Pálfalvi J.K., Szabó J., Akatov Yu., Sajó-Bohus L., Eördögh I., Cosmic Ray Studies on the ISS Using SSNTD, BRADOS Projects, Rad. Meas. 40, Pálfalvi J.K., Akatov Yu., Szabó J., Sajó-Bohus L., Eördögh I., Detection of Primary and Secondary Cosmic Ray Particles Aboard the ISS Using SSNTD Stacks. Rad. Prot. Dos. 120, 1-4, További konferencia kiadványok 1. Szőke R., Sziklainé L.I., Szabó J., Balásházy I., Kerényi T., Experimental analysis of fiber-glass aerosols. Annual Hungarian Radiochemical Conference, Gyula, Hungary, October 2002, Book of Abstract 36 (In Hungarian). 2. Szőke R., Sziklainé L.I., Alföldy B., Szabó J., Balásházy I., Kerényi T., Szőke I., Physical parameters, chemical composition and airway deposition of fiber-glass aerosols. Sixth Hungarian Aerosol Conference, Debrecen, October 2002, J. Aerosol Sci. 34, (2003). 3. Pálfalvi J.K., Akatov Yu., Sajó-Bohus L., Szabó J., Eördögh I., Cosmic particle induced reaction detection with SSNTD stacks exposed on-board of the International Space Station. Proc. of the 10 th Int. Conf. on Nuclear reaction Mechanisms, edited by E. Gadioli. Varenna, Italy, June, Ricerca Scientifica Educ. Permanente 2004, 122, Szőke I., Balásházy I., Szabó J., Karlinger K., Patonay L., Petneházy Ö., Kerényi T., Human airway models constructed by medical imaging techniques. J. Aerosol Sci. 2, S1135-S

9 5. Balásházy I., Szőke I., Szabó J., Karlinger K., Kerényi T., Alföldy B., Szigethy D., Nagy J.Z., Numerical generation of the tracheobronchial airway geometry applying medical image techniques for aerosol deposition computations in the lung. European Aerosol Conference, Ghent, Belgium, 28 August - 2 September Book of Abstracts Pálfalvi J.K., Szabó J., Dudás B., Neutron detection on the Foton-M2 satellite by a track etch detector stack. Tenth Symposium on Neutron Dosimetry, Uppsala, Sweden, June Abstract Book