Kémia atomok, molekulák közti kölcsönhatások Kölcsönhatások szubatomi részecskék között atommag proton neutron nukleon A kémiai elemet a protonszám határozza meg. magfizika Összeállnak, nem esnek szét! Proton pozitív elektromos töltés Neutron semleges, nincs elektromos töltése Diagnosztikai és terápiás módszerek biofizikai alapjai Vig Andrea 010_0_15 Az összes nukleon egy 100.000 szer kisebb térfogatba van bepakolva, mint az atom térfogat. Kémiai elemek atommagjait sok különböző formában megtalálhatjuk. elektromos erők: Elektromosan töltött részecskék között: taszító és vonzó Kis távolságfüggés. Hidrogén: 1 p + + különböző számú neutron erős kölcsönhatás, magerő: VONZÓ! Minden nukleon között. Nagyon kis hatósugarú. Hidrogén - 1: 1 H (1 p + ) Hidrogén - : H (1 p + + 1 n 0 ) Hidrogén - 3: 3 H (1 p + + n 0 ) hidrogén deutérium tricium Pl: két nukleon egy atomnyi távolságra egymástól nem fejt erőt ki egymásra ki. nehéz víz: D O 1
Z: rendszám Protonok száma Z A E A: tömegszám Stabil Nukleonok száma Egy atommag stabilitását az összes nukleon közti erős vonzó-, és a protonok közötti elektromos taszító hatás határozza meg. A könnyű (alacsony rendszámú) stabil izotópokban általában a proton-, és neutronszám kevéssé tér el egymástól. 1 C (6 p + + 6 n 0 ) 13 C (6 p + + 7 n 0 ) 11 C (6 p + + 5 n 0 ) 14 C (6 p + + 8 n 0 ) Instabil Instabil atommagok: - Újrarendezik nukleonjaikat, hogy egy stabil állapotba kerüljenek, követve az energiaminimumra való törekvést. - Magas energiájú fotont emittálnak. - Részecskét emittál, sugároznak. radioaktiv bomlás Radioaktivitás Plutónium 39Pu, 41Pu Urán 35U, 38U Kűrium 4Cm, 44Cm Amerícium 41Am Tórium 3Th Rádium 6Ra, 8Ra Cézium 134Cs, 135Cs, 137Cs Jód 19I, 131I, 133I Antimon 15Sb Ruténium 106Ru Stroncium 90Sr Kripton 85Kr, 89mn Szelén 75Se Kobalt 60Co Klór 36Cl Szén 14C Trícium 3H Radon Rn Kb. ~ 40 természetes radioaktív izotóp létezik. A 80 fölött elvileg lehetséges az bomlás. Sugárzások fajtái Radioaktivitás - Magsugárzások Alfa bomlás Gamma sugárzás Fizikai tulajdonság: Elektromágneses sugárzás: rádió, mikrohullám, fény, UV, rtg, gamma Mechanikai sugárzás: hang, UH Részecskesugárzás: alfa, béta, neutron Magsugárzás (radioaktiv bomlás): alfa, béta, gamma A A-4 ZX Y + Beta - bomlás antineutrino 4 He + 4 Z- α + Beta + bomlás neutrino Lukas Czarnecki: Nuclear Physic Biológiai hatás: Nem-ionizáló: fény, hang Ionizáló: alfa, béta, gamma, rtg n 0 β - = elektron p + + e - + ν p + β + n 0 + e + = pozitron + ν
Ionizáció γ ε=hf A sugárzás az anyaggal kölcsönhatva töltött részecskét (nagy energiájú elektront) szakit ki az atomi kötelékből γ ε =hf E ion 34 ev ε = E ion + E kin + ε Lineáris ionsűrűség: n ionpár létrehozása l úton + e - E kin = 1 / mv (alfa > beta > gamma) Lineáris Energia Transzfer (LET): úthossz alatt leadott energia LET = ΔE/Δx = n*e ion /l n.b.:ionizáció Disszociáció Bomlási termékek energiáját általában ev-ban adjuk meg: Nagyságrend 1 ev = 1,60 10-19 J Radioaktív bomlás : kémiai kötések, látható fényfotonok: MeV ev Egy darab radioaktív bomlásterméknek annyi energiája van, hogy milliónyi kémiai kötést fel tud szakítani. Magsugárzások összehasonlitása Rtg és gamma sugárzás összehasonlítása Szerkezet Tömeg Energia LET Pálya Áthatolóképesség levegőben Áthatolóképesség szövetben Detektálás Alfa p + n 0 ~7500x e - 4-10 MeV több 10000 ion/cm egyenes 1- cm 0,1 mm Ködkamra Béta e - (e +) 1 e - 0,6-1, MeV 10-100 ion/cm zegzugos, szóródik 1- m 1- cm Geiger-Müller 0,1-10 MeV áthatol, Gamma foton m 0 =0 ~ 1 ion/cm szóródik több 100 m áthatol 1- cm ólom Szcintillációs számláló Előfordulás Eredet Keletkezése Hullámhossz Abszorpció Mesterséges/kozmikus/ másodlagos Elektronhéj 10-8 10-10 m Rtg Elektromos töltés lefékeződése (fékezési) Elektronátmenetet követő energiafelszabadulás (karakterisztikus) Természetes Atommag 10-9 10-1 m Fotoeffektus, Compton szórás, Párkeltés Gamma Magátalakulás során keletkezett energiafelesleg kibocsájtása 3
Sugárzás kölcsönhatása biológiai rendszerekkel Abszorpció Intenzitás csökkenés közegben: Visszaverődik I 0 Áthalad Abszorpció I Béta, Gamma I I 0 X 1/ = felező rétegvastagság 8 X 1/ = hatótávolság Alfa I 0 I Szóródik Abszorbeálódik Anyag I 0 / I/I 0 = e -μx I 0 / X 1/ Rétegvastagság (X) Rétegvastagság (X) Áthatolóképesség Alfa: 1- cm levegő, 1- mm plasztik Beta: 1- m levegő, 1- cm plasztik Gamma, rtg: 1- cm ólom Sugárzás intenzitáscsökkenése (A) függ: közeg rendszám (Z) rétegvastagság (d) sűrűség (D) sugárzás hullámhossza (λ) A ~ λ 3 Z 4 dd www.smsec.com Gamma és rtg sugárzás abszorpciója Abszorpció molekuláris hatása Abszorpcióhoz vezető kölcsönhatások (rtg, gamma): fluoreszkálás Fotoeffektus (10-00 kev) Compton szórás (~ 00-1000 kev) Párkeltés (> 1 MeV) Magfotoeffektus (>> 1 MeV) ε = E ion + E kin ε = E ion + E kin + ε ε = m c + E kin szcintilláció ionizáció közvetlen (alfa, béta) közvetett (rtg, gamma) γ ε=hf + γ Compton szórás ε =hf e - E kin = 1 / mv ε=hf ε=mc γ E kin = 1 / mv Párkeltés E kin = 1 / mv e + e - hőtermelés kémiai reakciók biokémiai-biológiai elváltozások másodlagos szórt sugárzás keltése (Béta, Gamma, Rtg) 4
Bomlási törvény Felezési idő (fizikai) Radioaktív bomlási törvény: Felezési idővel: N 0 T 1/ N0 e N N e 0 t T ln 0, 693 Egy radioaktív forrást az aktivitással tudjuk jellemezni, ami megmutatja, hogy egy szekundum alatt hány bomlás ment végbe. Minden radioaktív mag visszafordíthatatlanul bomlik, és ha elég időt adunk neki, stabil atommaggá válik. Azt azonban nem mondhatjuk, hogy egy radioaktív mag átlagos élettartammal rendelkezik. Minden atommag sajátvalószínűséggel bomlik. Minden időperiódusban a bomlás valószínűsége állandó. A 1Bq 1bomlás / sec A A e 0 t Ezért az ún. T 1/ felezési időt használjuk. Ha a mintában N start számú mag van, akkor a felezési után a megmaradt magok száma egyenlő ½ N start. Két felezési idő után ½* ½ =1/4 N start marad és így tovább. Felezési idő (biológiai) A felezési idő megmutatja, hogy : - Hány darab radioaktív mag maradt egy bizonyos idő eltelte után a mintában. - Mennyit sugároz a minta bármely időpillanatban. Egy pillanathoz tartozó bomlások száma arányos az összes radioaktív magok számával. A felezési idő megmutatja, mennyi ideig sugároznak a radioaktív magok és így azt is mennyi ideig veszélyesek. A medicinában radiofarmakonokat használunk: a radiofarmakont molekulához, vagy gyógyszerhez kötik. Az az idő, amíg a test megtartja a radiofarmakont, különbözik az izotóp felezési idejétől. Meghatározhatunk egy fizikai mennyiséget, amely megmutatja, hogy a test mennyi idő alatt tudja a radiofarmakon mennyiségének felét kiüríteni, anyagcserével. Ez a biológiai felezési idő, T B, A pontos értéke függ a test kémiájától és fiziológiájától, de egy kémiai elem összes izotópjára ugyanaz az értéke. 5
Felezési idő (effektív) T1/ a felezési időt néha fizikai felezési időnek is hívják, hogy megmutassák, hogy az csupán a magfizika fogalma. A biológai kiürülés és a radioaktív bomlás együttesen határozza meg az ú.n. EFFEKTIV felezési időt, TE, ami egy radiofarmakon teljes kiürülést jellemzi a testből. Ha egyszer létrejött egy radioaktív mag, akkor ezt a radioaktivitást a bomlás törvény szerint tudja csak leadni. Nincs ismert mód ezen bomlás siettetésére. Orvosilag két feltételnek kell megfelelnie egy izotópnak: 1; A detektálás alatt végig sugároznia kell (percek, napok, órák) ; Kevés transzporttal, vagyis jól tárolhatónak és alacsony intenzitásúnak kell lennie. T E T T B B T T 1/ 1/ Hosszú felezési idejű magok. - A jód-131-es izotópot lehet használni terápiás kezeléseknél, azonban diagnosztikában kevésbé hasznos, mivel nemcsak gamma fotonokat, hanem béta részecskéket is sugároz. - A jód-13-s már csak gamma fotonokat sugároz, a pajzsmirigyet például ezzel vizsgálják. - A leggyakrabban használt izotóp a technécium-99 a nukleáris medicinában, csontrendszer, hólyagrendszer, tüdő, szív, máj pajzsmirigy vizsgálatokra. (Szcintimammográfiában is ezt használják a mellben található tumorok detektálására. ) - A xenon-133 gáz, amit a tüdők, és a légzőrendszer vizsgálatára használnak, gallium-67 a tumorok felfedezésére használható. Ga-67, és az indium-111-t antitestekhez kötve is lehet használni, így testidegen anyag, illetve az immunrendszer védekezőképességét lehet vele felmérni. - A szív funkcionális vizsgálatát a káliumhoz kötődő tallium-01, rubidium-81, és a rubidium-8 t használják. - A filtrációs, szűrési rátája a radiofarmakonoknak információt szolgáltat a vesék működéséről. (transzplantáció után, eldugulásokkor) Minden éveben, az egész világon,5 millió embert kezelnek ionizáló sugárzással a rákterápia részeként, és számos életmentő diagnosztikai vizsgálatot végeznek kis dózisú radioaktív mintával. Széleskörben elterjedt észrevétel azonban, hogy a sugárzás komoly veszélyt jelent: A sugárzást lehet diagnosztikára és rákterápiára, ill. más betegségekre is használni, de ennek ellenére magában is karcinogén és sugárzás betegséget okozhat. 6
Sugárzások forrásai Átlagos éves sugárterhelés:,4 msv/év, A sugárkezelés lényegét: nagy energiájú ionizáló sugárzás gyógyító célú alkalmazása képezi. A sugárzás az örökítő anyag (DNS) károsítása révén gátolja a sejtosztódást. - nem szelektív, és mind az ép, mind a daganatos sejteken egyaránt érvényesül. Tekintettel azonban, hogy a daganatokban általában nagyobb az osztódásra készülő, vagy osztódásban lévő sejtek száma, a daganatoknak a normál szöveteknél rendszerint nagyobb a sugárérzékenységük. Magyarországon: 3 msv/év - Szervezetünk minden kétmilliomodik atomja radioaktív - Másodpercenként mintegy 7-8000 bomlás következik be testünkben - Másodpercenként mintegy 75000 részecske éri testünket 1/1,000,000 Halálozási kockázat: 1 msv sugárzás (daganatos megbetegedés) 14 szál cigaretta (tüdőrák) 640 km vezetés (baleset) Mindennapi sugárzásunk (,4 ms/év) Átlagos természetes radioaktív háttérsugárzás kb. 1,8 msv / év a levegőben jelenlévő radon (kb. 0,5 msv/év) az épületek sugárzása (kb. 0,4 msv/év) kozmikus sugárzás (0,3 msv/év) a bennünk lévő 40 K izotóp sugárzása (kb. 0, msv/év) Emberi tevékenység (pl. orvosi röntgenvizsgálat) kb. 0,6 msv / év Radiológia (elektromágneses sugárzások) Nukleáris medicina (izotópok) Sugárzások orvosi alkalmazása Diagnosztika Rtg, CT, Angiográfia PET, SPECT, Szcintigráfia Terápia Sugárterápia (onkológia) Képerősitős műtétek Sugársebészet Brachycurie terápia Jódterápia 74,40% 0,01% 14,17% 0,35% 11,06% Nukleáris ipar Orvosi célú Atomrobbantás Kozmikus Földkérgi 7
Dózisfogalmak Dózisfogalmak Aktivitás: időegység alatt bekövetkező magátalakulások (bomlások) száma Besugárzási dózis: egységnyi tömegű levegőben létrehozott töltések mennyisége Elnyelt dózis: egységnyi tömegű test által elnyelt energia. Függ: K: dózisállandó A: aktivitás l: sugárforrás távolsága t: besugárzási idő Egyenértékdózis: tömegegységre jutó energia korrigálva a sugárzás tipusára vonatkozó súlytényezővel (w Ray ) A = bomlás / idő [Becquerel, Bq] X = Q/m [C/kg] D = E/m [J/kg, Gray, Gy] D = 34 J/C * X D = K* A* tl H T = Σw R * D R,T [J/kg, Sievert, Sv] Effektiv dózis: egyenértékdózis korrigálva a szövet biológiai válaszára (w Tissue ) vonatkozó súlytényezővel Sugárzási súlytényezők Sugárzás W R Foton 1 Elektron 1 Neutron, (Energia függő) 5-0 Proton 5 Alfa részecske 0 Nehéz magok 0 E = Σw T * H R,T [Sv] E = Σw R * Σw T * D R,T Szöveti súlytényezők Szerv W T Gonádok 0,0 Csontvelő 0,1 Vastagbél 0,1 Tüdő 0,1 Emlő 0,05 Máj 0,05 Bőr 0,01 Csontfelszin 0,01 Egész test 1 Származtatott dózisfogalmak Sugárzások biológiai hatása Közölt dózis (kerma = kinetic energy released in material): adott térfogatelemben felszabaditott összes töltött részecske kezdeti kinetikai energiája, tömegegységre vonatkoztatva (közvetett ionizáció) Dózisteljesitmény: időegységre vonatkoztatott dózis Besugárzási dózisteljesitmény Elnyelt dózisteljesitmény D k = ΣΔE kin /Δm [Gy] X/t [C/kg*s] D/t [Sv/óra] direkt indirekt sugárhatás reverzibilis irreverzibilis károsodás akut krónikus sugárbetegség Sztochasztikus hatás: károsodás valószinűsége a sugárterheléssel nő, de a károsodás minősége nem (daganatok, genetikai károsodás) Kollektiv dózis: populáció (N egyed) összesitett sugárdózisa Kollektiv egyenértékdózis S T = ΣN*H T Kollektiv effektiv dózis S = ΣN*E Determinisztikus hatás: küszöbdózis eléréséig nem jelentkezik hatás, ezt követően a hatás a dózis növelésével egyre kifejezettebb (akut sugárbetegség, cataracta, dermatitis) 8
Túlélési hányad Túlélési hányad Túlélési hányad Találatelmélet Sugárhatást befolyásoló tényezők Direkt sugárhatás elmélet, (Dessauer, 19) Dózis-hatás görbe n=1 Egy objektum egy találat n>1 Egy objektum több találat n>1 Több inaktiválandó céltárgy 1. Sugárzás minősége csak az elnyelődő (kölcsönható) részecskék váltanak ki hatást LET: ionizációs képesség (α > β > γ). Időfaktor szövetek regenerációs képessége eltérő frakcionált dózis: kisebb biológiai hatás 1 0,1 0,01 D q Dózis hatás görbe LET > LET > LET Relativ dózis D 50 : Félhalálos dózis D 37 : ~ 37% Túlélő (populáció e-ad részére csökken) (e=,71) 1 0,1 0,01 0,001 Frakcionált dózis Dózis (Gy) 0,001 D 1/ D 1/ D 1/ Dózis (Gy) D 1/ : félhalálos dózis D q : látszólagos küszöbdózis Sugárhatást befolyásoló tényezők Sugárhatást befolyásoló tényezők 3. Anyagcsere, biológiai tényezők élénkebb anyagcserefolymatok érzékenyebbek gyorsan osztódó szövetek sugárérzékenyebbek (bőr, vérképző szervek, bélhám) kevésbbé differenciállt sejtek érzékenyebbek sejtciklus során mitózis ill. G fázis a legérzékenyebb alacsony hőmérséklet lassitja az anyagcserét radiofarmakon elimináció (izotópok kiürülése a szervezetből) 4. Oxigéneffektus oxigenizált szövetek károsodása kifejezettebb hipoxia/anoxia csökkenti a sugárérzékenységet rtg, gamma sugárzás esetén kifejezettebb O jelenléte elősegiti a szabad gyökök képződését Vizaktiválási elmélet: vizes közegben (pl.: sejt) a sugárzás nagyobb valószinűséggel ionizál vizmolekulát. Biológiai (eliminációs) felezési idő: szervezetbe jutott radioaktiv izotóp (toxikus, vagy orvosi célból) mennyisége a felére csökken 1 1 1 = + T eff T fiz T biol Ionizáció Gerjesztés + - H O + H + + OH H O H O + e e - + H O H + OH - H O H O* H + OH - H, OH + R-H R, R-HOH, R-H (vizgyökök) (szerves gyökök) 9
Sugárzás biológiai hatása Akut sugárbetegség Molekuláris szintű DNS-károsodás: pontmutáció, kromoszómatörés Fehérje károsodás: indirekt, szabad gyökök hatása, enzimkárosodás Szervezet szintű Akut sugárbetegség Krónikus sugárártalom (leukémia, malignus daganatok) Populáció szintű Magzati károsodás: letalitás, fejlődési rendellenesség Genetikai állomány károsodása: meddőség 1. Prodromális tünetek (hányás, levertség). Lappangás 3. Klinikai tünetek -10 Gy: Vérképzőszervi tünetek, csontvelő károsodás: fertőzés, vérzékenység 10-50 Gy: Gastrointestinális tünetek, bélhámsejt károsodás, hasmenés, felszivódási zavarok 50-100 Gy: Idegrendszeri sugárhalál 4. Gyógyulás vagy halál Akut sugárbetegség Sugárterhelés hatása a szervezetre Bélbolyhok sugárkárosodása 10000 1000 100 10 Elnyelt dózis (mgy/alkalom) Rendkivül súlyos sugárbetegség (halál < hét) Halálos dózis (orvosi ellátás nélkül halál < hónap) Félhalálos dózis Klinikai tünetekkel járó enyhe sugárbetegség Kimutatható, de tünetmentes sugársérülés Dózisegyenérték (msv/év) Foglalkozási dóziskorlát Tevékenység msv Mellkas Rtg 0,04 Hasi Rtg 1, Mózsa Szabolcs: Az ionizáló sugárzások biológiai hatása (www.socrad.hu) 1 Természetes sugárterhelés Lakossági dóziskorlát Koponya CT 1,8 Mellkas CT 7,8 10
Sugárvédelem - Megelőzés 1. Tevékenység indokolt: risk-benefit arány. Optimális védelem: cost-benefit arány ALARA: As Low As Reasonably Achivable Időfaktor (betanulás) Távolság Általánosan egy gyógyszer mérgező hatását a letális dózis LD50/30 fogalmával lehet megadni: ez azt a gyógyszermennyiséget jelenti, ami a populáció 50 % -t megöli 30 napon belül. Árnyékolás (plexi, ólom) 3. Egyéni dóziskorlát: az a dózismennyiség, ahol elhanyagolhatóan kicsi a kockázat Ne legyen determinisztikus hatás Sztochasztikus károsodás kockázata ne legyen nagyobb, mint az ipari baleseteké (10-4 haláleset/év) Sugárvédelmi dóziskorlát Lakossági effektiv dózis Foglalkozási effektiv dózis Fogl. végtag egyenértékdózis msv/ év 1 0 500 Sajnos ez nem jó mennyiség a sugárzások meghatározására. Nagyon magas dózisok gyorsan halálhoz vezethetnek, de sok olyan kockázati tényező is van, amely éveken át nem fejti ki hatását. A keresett mennyiségnek ki kell fejeznie mennyi sugárzás érte a testet, mennyi abszorbeálódott abból és mik a sugárzás, ill. az abszorbció fiziológiai hatásai. 11