01. Биологические эффекты

International Atomic Energy Agency
РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА В
ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ
Часть 1: Биологические эффекты
ионизирующего излучения
ЦЕЛЬ
Ознакомление с механизмами развития
различных биологических эффектов
вызываемых ионизирующим излучением и с
результатами эпидемиологических исследований
населения, подвергшегося воздействию
ионизирующего излучения. Получение
представлений о моделях, используемых для
вычисления коэффициентов риска и для оценки
ущерба
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
2
СОДЕРЖАНИЕ
•
•
•
•
•
Nuclear Medicine
Основные понятия, клеточные эффекты
Детерминированные эффекты
Стохастические эффекты
Влияние на эмбрион и плод
Оценка риска
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
3
International Atomic Energy Agency
Часть 1. Биологические
эффекты
1.1. Основные понятия
Ранние наблюдения воздействия
ионизирующего излучения
•
1895
Рентгеновские лучи открыты Рентгеном
•
1896
Зарегистрированы первые ожоги кожи
•
1896
Первое использование рентгеновских лучей в лечении рака
•
1896
Беккерель: открытие радиоактивности
•
1897
Зарегистрированы первые случаи повреждения кожи
•
1902 Первое сообщение о раке, индуцированном рентгеновским
излучением
•
1911 Первое сообщение о лейкозе и раке легких, вызванных
профессиональным облучением
•
1911 Зарегистрированы 94 случая раковых опухолей в Германии
(из которых 50 - у врачей радиологов)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
5
Последствия радиационного
облучения
Используются данные полученные из:


исследований человека (эпидемиология)
исследований на животных и растений
(экспериментальная радиобиология)

фундаментальных исследований клеток и их
компонентов (клеточная и молекулярная
биологии)
Ключ к пониманию последствий облучения для
здоровья – это взаимодействие между этими
источниками информации.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
6
Радиационное излучение воздействует
на основу жизни - клетку
Хромосомы
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
7
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
8
Критическая мишень: ДНК
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
9
Взаимодействие ионизирующего
излучения с ДНК
ФОТОН
ПРЯМОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Nuclear Medicine
ФОТОН
КОСВЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
10
Повреждение ДНК
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
11
Облучение клетки
Без изменений
излучение
попадает в
ядро
клетки!
Nuclear Medicine
Мутация ДНК
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
12
Результаты облучения клетки
Мутация
устранена
Жизнеспособная клетка
Нежизнеспособная клетка
Гибель клетки
Рак?
Мутация ДНК
Клетка выживает,
но мутирует
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
13
Как РЕПАРИРУЕТСЯ
(восстанавливается)
ДНК ?
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
14
Измененное основание
Энзим гликозилаза обнаруживает
нарушение и выщепляет
поврежденные основания
Эндонуклеаза надрезает нити
ДНК и выщепляет оставшийся
сахар
ДНК-полимераза заполняет
образовавшуюся брешь, но
разрыв остается
ДНК-лигаза сшивает разрыв.
Репарация завершено.
ДНК репарирована без
потери генетической информации
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
15
Репарация
Организм человека содержит около 1014 клеток.
Поглощенная доза в 1 мГр в год (из естественных
источников) будет производить около 1016
ионизаций, то есть 100 ионизаций на клетку. Если
предположить, что масса ДНК составляет 1% от
массы клетки, то результатом будет одна
ионизация в ДНК-молекуле в каждой клетке тела
каждый год.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
16
… Порядки величин
• 999 из 1000 повреждений восстановлены
• 999 из 1000 поврежденных клеток погибает
•
(не главная проблема, так как миллионы
клеток умирают каждый день в каждом
человеке)
многие клетки могут жить с повреждением
(могут быть мутированными)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
17
Гибель клетки
Радиочувствительность
•
•
Радиочувствительность (РЧ) =
Вероятность повреждения клетки,
ткани или органа в результате
облучения на единицу дозы.
Бергонье и Трибондо (1906):
"законы радиочувствительности":
РЧ будет больше, если клетка:
• Имеет продолжительную фазу
митоза.
• Менее дифференцирована.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
18
РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Высокая РЧ
Костный мозг
Селезенка
Тимус
Лимфатические
узлы
Гонады
Хрусталики глаз
Лимфоциты
(исключение из
законов РЧ )
Nuclear Medicine
Средняя РЧ
Низкая РЧ
Кожа
Мышцы
Мезодермальные Кости
органы (печень,
Нервная система
сердце, легкие ...)
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
19
Биологические эффекты на
клеточном уровне
% Выживаемости клеток (полу
логарифмическая шкала)
Клеточные эффекты
ионизирующего излучения
изучаются используя кривые
выживаемости клеток
n = мишени
100%
Dq
(Предел)
D0
(Радиочувствительность)
Возможные механизмы
клеточной смерти:
• Физическая смерть
• Функциональная
смерть
• Смерть во время
интерфазы
• Митотические
задержки
• Репродуктивная
смерть
Доза
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
20
•
•
•
Физические
• ЛПЭ (линейная передача энергии):  РЧ
• Мощность дозы:  РЧ
• Температура  РЧ
Химические
• Увеличение РЧ: КИСЛОРОД,
цитотоксические препараты.
• Снижение РЧ: СЕРА (цистеамин ...)
Биологические
• Фаза клеточного цикла:
•  РЧ: G2, M
•  РЧ: S
• Репарация повреждений (суб-летальные
повреждения могут быть
восстановлены, например при
фракционированной дозе)
% выживших клеток
Факторы, влияющие на
радиочувствительность
 ЛПЭ
 ЛПЭ
G0
M
G2
G1
S
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
21
Выживаемость клеток
Качествo излучения
Выжившая доля
Низкая
Låg LETЛПЭ
.. .....
....
...
.........
Низкая ЛПЭ
Высокая ЛПЭ
Hög LET
Высокая
ЛПЭ
Поглощенная доза
ЛПЭ (линейная передача энергии) - количество энергии (МэВ), которую
частицы теряют во время прохождения определенного расстояния (м) в
материале.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
22
СХЕМА ИОНИЗАЦИИ
Adapted from Marco Zaider (2000)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
23
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Прямые
эффекты
Косвенные
эффекты
Репарация
Первичное
повреждение
Гибель
клетки
Повреждение
органа
Соматические
клетки
Эмбриональная
клетка
Смерть
организма
Рак
Лейкоз
Наследственные
эффекты
Детерминированные
эффекты
Nuclear Medicine
Изменение
клетки
Стохастические
эффекты
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
24
Продолжительность событий, ведущих к
радиационным
эффектам
Energy deposition
CAL RESPONSE
-15
Energy deposition
10-15 10 Аккумуляция
энергии
Excitation/ionization
Excitation/ionization
Возбуждение/ионизация
-12
Initial particle
Initial particle
tracks tracks
10-12 10 Начальные
треки частиц
formation
RadicalRadical
formation
Формирование
радикалов
10-9
Diffusion,
chemical
reactions
Diffusion,
chemical
reactions
Диффузия,
химические
реакции
Initialdamage
DNA damage
Initial повреждение
DNA
Начальное
ДНК
10-6
10-9
TIME (sec)
(сек)
ВРЕМЯ
10-3
100
103
Nuclear Medicine
TIME (sec)
10-6
EFFECTS
ФИЗИЧЕСКИЕ
PHYSICAL
INTERACTIONS
PHYSICAL
INTERACTIONS
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
PHYSICO-CHEMICAL
INTERACTIONS
PHYSICO-CHEMICAL
INTERACTIONS
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
DNA breaks
/ base damage
DNAРазрыв
breaks
/ base
101-3
ms 1 ms
1мс
ДНК/damage
повреждение основания
10101секунда
second1 second
Repair
processes
Repair
processes
Процесс репарации
Damage
Damage
fixationfixation
Фиксация
повреждений
3
10
Cell killing
Cell Смерть
killing
11hour
час1 hour
клеток
БИОЛОГИЧЕСКАЯ
BIOLOGICAL
RESPONSE
BIOLOGICAL
RESPONSE
106
Mutations/transformations/aberrations
1 day
Mutations/transformations/aberrations
день
Мутации/преобразования/аберрации
11day
6
10
Пролиферация
поврежденных
клеток
Proliferation
of "damaged"
Proliferation
of "damaged"
cells cells
1
year
Promotion/completion
год Promotion/completion
Стимуляция/завершение
11year
10 9
10 9
РЕАКЦИЯ
МЕДИЦИНСКИЕ
Teratogenesis
Teratogenesis
MEDICAL
EFFECTS
MEDICAL
EFFECTS
Тератогенез
ПОСЛЕДСТВИЯ
Cancer
Cancer
Рак
100 years Наследственные
100
years
100
лет
Hereditary
defects
Hereditary
defects
эффекты
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
25
International Atomic Energy Agency
Часть 1. Биологические
эффекты
1.2. Детерминированные эффекты
ПОСЛЕДСТВИЯ ГИБЕЛИ КЛЕТОК
Вероятность смерти
100%
Доза
(мЗв)
D
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
27
Детерминированные эффекты
ВЕЛИЧИНА ЭФФЕКТА
Более
радиочувствительный
Более
радиорезистентный
Диагностический
порог
Пороговая
доза
Nuclear Medicine
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
ЧАСТОТА
ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
28
Пороговые дозы для
детерминированных эффектов
• Катаракта хрусталика глаза 2-10 Гр
• Необратимое бесплодие Величина эффекта
• мужчины
• женщины
3.5-6 Гр
2.5-6 Гр
• мужчины
• женщины
0.15 Гр
0.6 Гр
• Временное бесплодие
Nuclear Medicine
доза
предел
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
29
К вопросу о пороговых дозах
• Пороговые дозы зависят от режима
облучения:
• одна высокая доза - наиболее эффективна
• фракционирование значительно увеличивает
•
•
порог дозы в большинстве случаев
уменьшение мощности дозы увеличивает
порог в большинстве случаев
Пороговые дозы могут отличаться для
разных лиц
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
30
Соматические эффекты
•
•
•
•
•
Эффекты могут быть морфологическими и / или
функциональными
Факторы:
• Какой Орган
• Какая Доза
Эффекты
• Немедленные (как правило, обратимый): < 6 месяцев,
например: воспаление, кровотечение.
• Отсроченные (как правило, необратимый): > 6 месяцев,
например: атрофия, склероз, фиброз.
Критерии дозы
• < 1 Гр: НИЗКАЯ ДОЗА
• 1-10 Гр: СРЕДНЯЯ ДОЗА
• > 10 Гр: ВЫСОКАЯ ДОЗА
Регенерация - это замещение оригинальной тканью, в то время
как Репарация - это замещение соединительной тканью.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
31
Воздействие на кожу
•
Гистологический вид кожи
•
Эпидермис
Дерма
From “Atlas de Histologia...”. J. Boya
Базальный слой клеток,
высоко митотический,
некоторые из клеток
содержат меланин,
отвечающий за
пигментацию.
Nuclear Medicine
Согласно РЧ законам (Бергонье и
Трибондо), наиболее РЧ клетками
являются клетки из базального
слоя эпидермиса.
Эффекты:
• Эритема: 1-24 часа после
облучения около 3-5 Гр
• Аллопеция: 5 Гр обратимая; 20 Гр
необратимая.
• Пигментация: Реверсивная,
появится через 8 дней после
облучения
• Сухая или влажная десквамация:
переходит в эпидермальную
гипоплазию (доза около 20 Гр).
• Отсроченные эффекты:
телеангиэктазия, фиброз.
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
32
Воздействие на кожу
Injury
Повреждение
Threshold
Пороговая
Недели
Weeks to
доза
Doseдля
to до начала
Onset
кожи (Зв)
Skin (Sv)
Early transient
erythema
Ранняя
эритема
Временная
эпиляция
Temporary
epilation
Основная
эритема
Main erythema
Постоянная
Permanentэпиляция
epilation
Сухая
Dryдесквамация
desquamation
Invasive fibrosis
Инвазивный
фиброз
Dermal
atrophy
Атрофия
кожи
Telangiectasis
Телеангиэктазия
Moist desquamation
Влажная
десквамация
Поздняя
Lateэритема
erythema
Некроз
кожиnecrosis
Dermal
Вторичное
образование
Secondary
ulceration язв
Nuclear Medicine
2
3
6
7
10
10
11
12
15
15
18
20
<<1
3
1.5
3
4
Повреждение кожи
от длительного
рентгеновского
облучения
>14
>52
4
6-10
>10
>6
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
33
Воздействие на кожу
При работе с неэкранированными шприцами и пробирками,
содержащими радиоактивный материал, пороговая доза
облучения кожи для эритемы будет достигнута за короткое
время.
Пример: мощность дозы на поверхности флакона
содержащего 30 ГБк Tc99m имеет порядок 2 Гр / ч
Это означает, что пороговая доза будет достигнута после
2 ч облучения. Это соответствует 36 с каждый рабочий
день в году
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
34
Воздействие на кожу
Пример
После экстравазальноео введения 500 МБк Tc99m
радиофармпрепарата, локальная поглощенная доза в
месте инъекции может достигнуть 5-20 Гр!
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
35
Воздействие на глаза
Гистологическое строение глаза:
•
•
•
Хрусталик глаза очень
радиочувствителен (РЧ).
Коагуляция белков
происходит при дозах
превышающих 2 Гр.
2 основных эффекта:
Эффект
Обнаруживаемые
помутнения
From “Atlas de Histologia...”. J.
Boya
Хрусталик глаза очень РЧ, более
того, они окружены кубовидными
клетками с высокой РЧ
Nuclear Medicine
Нарушение
зрения
(катаракта)
Зв одно короткое
воздействие
Зв / год в течение
многих лет
0.5-2.0
> 0.1
5.0
> 0.15
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
36
Повреждение глаз
1 = помутнение в задней субкапсулярной катаракте
2 = перинуклеарная точка непрозрачности
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
37
Реакция всего тела: взрослые
Синдром острого облучения
(Острая лучевая болезнь)
1-10 Гр
Шаги:
10-50 Гр
1. Начальный
> 50 Гр 2. Латентность
3. Проявление
BMS
GIS
(костномозговая) (желудочнокишечная)
Смертельная доза
50 / 30
CNS
(центральная
нервная система)
Синдром
хронического
облучения
•Клиническое
облучение всего тела
или части
•Механизм:
нейровегетативные
расстройства
•Ощущение слабости
•Довольно часто при
фракционированной
лучевой терапии
Доза
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
38
Летальная доза 50 / 30
Это выражение эффекта облучения
как процент смертельных исходов в
зависимости от времени.
Оно означает: «Доза, которая бы
привела к смерти 50% населения в
течение 30 дней".
Её величина для людей составляет
около 2-3 Гр облучения всего тела.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
39
Облучение всего тела
Nuclear Medicine
Поглощенная
доза (Гр)
Синдром
Симптомы
1-10
Костномозгов
ой
Лейкопения,
тромбопения,
кровотечение,
инфекции
10-50
Желудочнокишечный
Диарея, лихорадка,
электролитический
дисбаланс
>50
Неврологический
Судороги, дрожь,
атаксия,
сонливость,
нарушение зрения,
кома
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
40
Облучение всего тела
Поглощенная Терапия
доза (Гр)
Прогноз
Летальность
Симптоматическа
я Переливание
лейкоцитов и
тромбоцитов.
Трансплантация
костного мозга
Факторы,
стимулирующие
рост
От отлично до 0-90%
неопределенности
10-50
Паллиативная
Очень плохо
>50
Симптоматическая
Безнадёжно
1-10
Nuclear Medicine
90-100%
100%
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
41
International Atomic Energy Agency
Часть 1. Биологические
эффекты
1.3. Стохастические эффекты
СТОХАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Лейкоз в Японии на 100,000
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
43
СТОХАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Медицинские последствия
Чернобыльской аварии
• 1800 детей с диагнозом
рака щитовидной железы
(1998)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
44
СТОХАСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рак щитовидной железы диагностирован до
1998 года среди детей 0-17 лет на момент
аварии на Чернобыльской АЭС
300
Количество
250
200
Belarus
Беларусь
Российская
Федерация
Russian
Federation
150
Украина
Ukraine
Всего
Total
100
50
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Год
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
45
Генетические Эффекты
Частота (%)
10
5
0
10
30
40
Поглощенная доза (Гр)
Nuclear Medicine
20
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
46
Генетические Эффекты
•
Ионизирующее излучение, как известно,
является причиной наследственных мутаций во
многих растениях и животных
НО
•
интенсивные исследования 70000 потомков,
переживших атомные бомбы, не показали
увеличение врожденных аномалий, рака,
хромосомных аберраций в циркулирующих
лимфоцитах или мутационные изменения
белков крови.
Neel et al. Am. J. Hum. Genet. 1990, 46:1053-1072
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
47
International Atomic Energy Agency
Часть 1. Биологические
эффекты
1.4. Влияние радиации на эмбрион и
плод
Чувствительность раннего
зародыша
• До начала 1980-х, ранний зародыш считался
•
очень чувствительным к радиации - хотя
никто не знал, насколько чувствительным.
На самом деле:
• органогенез начинается через 3-5 недель после
•
зачатия
В период до органогенеза высокое радиационное
воздействие может привести к повреждению
имплантата. Низкие дозы могут не приводить к
каким-либо наблюдаемым эффектам.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
49
Частота
пренатальной и
неонатальной
смертности и
нарушений
Hall, Radiobiology for
the Radiologist pg 365
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
50
ПРЕДИМПЛАНТАЦИЯ
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
51
Предимплантационный этап (до 10 дней)
 Только летальный эффект: «все или ничего»
 Эмбрион содержит лишь несколько клеток,
которые не являются специФИЧНЫМИ
 Если слишком много клеток повреждены эмбрион рассасывается
 Если только несколько убитых, остальные
плюрипотентные клетки заменяют потери
клеток в течение нескольких клеточных
делений
 У жертв атомных бомбардировок - высокая
частота как нормальных родов, так и
самопроизвольных абортов
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
52
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
53
Опасность облучения плода
•
•
Существует опасность облучения во время
беременности, которая зависит от стадии
беременности и поглощенной дозы
Опасность облучения является наиболее
серьезной во время органогенеза и впериод
раннего развития плода; она несколько меньше
во 2-ом триместре и еще меньше в третьем
триместре
Наибольшая
опастность
Nuclear Medicine
Меньшая
Наименьшая
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
54
Радиационные пороки развития
• Пороки развития имеют пороговую
•
•
дозу 100-200 мГр или выше и, как
правило, связаны с центральной
нервной системой
Дозы на плод в 100 мГр не достигаются
даже при проведении 3-х тазовых КТ
или 20 обычных диагностических
рентгеновских исследований
Эти уровни могут быть достигнуты при
рентгеноскопических интервенционных
процедурах таза и при лучевой терапии
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
55
Воздействие на центральную
нервную систему
• На 8-25 неделях после зачатия, ЦНС
•
•
особенно чувствительна к радиации
Доза на плод выше 100 мГр может
привести к некоторому снижению IQ
(коэффициент интеллекта)
Дозы на плод в диапазоне от 1000 мГр
может привести к тяжелой умственной
отсталости особенно на 8-15 неделях и
в меньшей степени на 16-25 неделях
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
56
Гетеротопическое серое вещество (стрелки) вблизи
желудочков у умственно отсталых людей,
возникающие в результате высокой дозы
внутриутробного радиационного облучения
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
57
Влияние на эмбрион и плод
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
58
Влияние на эмбрион и плод
Возраст
Nuclear Medicine
Порог для
летального
эффекта (мГр)
Порог для
пороков
развития
(мГр)
1 день
100
Не влияет
14 дней
250
-
18 дней
500
250
20 дней
>500
250
50 дней
>1000
500
50 дней до
рождения
>1000
>500
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
59
Лейкоз и Рак
• Было показано, что радиация
•
приводит к увеличению риска
лейкемии и многих видов рака у
взрослых и детей
Считается, что на протяжении большей
части беременности, эмбрион / плод
имеет примерно тот же риск
канцерогенных эффектов, что и дети
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
60
Лейкоз и Рак
• Фетальная дозой 10мГр может приводить к
•
увеличению относительного риска до 1.4
(т.е. будет на 40% больше, чем нормальная
частота)
Индивидуальный риск, однако, достаточно
мал. Риск рака в возрасте 0-15 лет приводит
примерно к 1 избыточной смерти на 1700
детей, "внутриутробно" подвергшихся
облучению дозой 10 мГр
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
61
International Atomic Energy Agency
Часть 1. Биологические
эффекты
1.5. Оценка риска
Оценка риска
• Риск = вероятность эффекта
• Могут рассматриваться различные
•
эффекты - нужно внимательно
смотреть на то, что определяется как
«эффект». Например, смертность
связанная с раком щитовидной железы
не совпадает с заболеваемостью раком
щитовидной железы!!!!
Риск зачастую оценивают для высоких
доз, а затем экстраполируют до низких
доз
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
63
ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ИЗ:
Хиросима и Нагасаки
Заболевания:
анкилозирующий
спондилоартрит
рак шейки матки
туберкулез
мастит
стригущий лишай
расширение тимуса
тиреотоксикоз
гемангиомы
и другие еще могут проявиться
Nuclear Medicine
Чернобыль
Река Теча
Семипалатинск
Невада
……..
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
64
Группы населения использованые в докладах
НКДАР
Characteristic
Характеристика
Atomic
Bomb
Пережившие
Survivors
атомную
бомбу
Spondylitis
Спондилит
Series
Cervical
Cancer
Рак шейки
Series
матки
Number
Количество
86,500
14,000
83,000
Age
at irradiation
Возраст
при
облучении
Average
Средняя
продолжительность
follow-up
0 -> 90
> 15
< 30 -> 70
28.8
28,8 y
г
23.0
23,0 y
г
7.6
7,6 y
г
Mean dose
Средняя
доза
0.24
0,24 Gy
Гр
1.9
1,9Gy
Гр
Inhomogeneous
Неоднородный
Range
of doses
Диапазон
доз
0.01
0,01 –– 6.0
6,0 Gy
Гр
00–– 8.06
8,06 Gy
Гр
of
ТипType
облучения
Instantaneous
Мгновенный / /
всего тела
whole-body
наблюдения
irradiation
Nuclear Medicine
Фракционированный
Fractionated
/
/ частичный
partial-body
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
Chronic / /
Хронический
частичный
partial-body
65
Как использовать
эпидемиологические данные
для оценки радиационных
рисков при малых дозах?
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
66
Кривая зависимости
эффекта от дозы
Частота лейкоза (случаи/1 миллион)
Хиросима
Нагасаки
Эквивалентная доза (мЗв)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
67
Смертность переживших атомные
бомбардировки
Кривая зависимости от дозы для Солидного
Рака
• Зависимость дозы линейна примерно до 3 Зв с
наклоном 0,37 ERR/Зв
• Повышенный риск в течении жизни на Зв для
тех, кто подвергся облучению в возрасте 30 лет
оценивается в 0,10 и 0,14 для мужчин и женщин
соответственно
• Было показано, что «самая низкая доза, при
которой происходит статистически значимое
превышение риска» равна 50 мЗв
Pierce DA et al, Rad Res 1996; 146:1-27
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
68
Последние данные из когорты Хиросимы и Нагасаки
Дополнительные годы 1986-1990
В настоящее время в живых осталось 10 500 выживших с DS86дозиметрией из общего числа населения 86 572, которые были облучены
44% умерли к концу 1990 года. Данные неполные потому, что смерти в
первые пять лет не были включены. 7 827 умерли от рака, что
соответствует 420 избыточным смертям от рака.
Избыточные
1945-1950
1950-90
(1986-90)
Лейкемия
?
87
(3)
Солидный рак
?
335
(88)
------------------------------------------------------------------420
Риск для детей / риск для взрослых = 1,4 – 1,7
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
69
РАДИАЦИОННЫЕ РИСКИ
Deterministic
effects
Детерминированные
эффекты
Observations
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Наблюдения
0
рака
смертельного
Вероятность
PROBABILITY
OF FATAL CANCER
Линейно-квадратичная модель
ABSORBED DOSEдоза
Поглощенная
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
70
Что происходит на низко-дозовом конце кривой?
a)
b)
c)
d)
Nuclear Medicine
Линейная
экстраполяция
Пороговая доза
Более низкий риск на
единицу дозы для
малых доз
Более высокий риск на
единицу дозы для
малых доз
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
71
P = A*D + B*D2
P - вероятность индукции рака
Фактор А/B называется КЭДМД (коэффициент
эффективности дозы и мощности дозы, DDREF).
МКРЗ приняла КЭДМД = 2.0 для излучения с низкой
ЛПЭ, низких доз и низких мощностей дозы.
Низкие дозы: <0.2 Гр(Зв)
Низкие мощности дозы: < 0.1 Гр(Зв)/час (МКРЗ)
0.1 Гр(Зв)/день (НКРЗ Англии)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
72
Эпидемиологические данные
people
/year/1Mлюдей
Cancer
от рака/год/1M
Смертьdeaths
10000
Линейная Беспороговая
Гипотеза (ЛНГ): эффект
уменьшается при низких
дозах и мощностях
в 2 раза - в общем
согласуется с данными
1000
100
Природные
смертности
natural
cancer
mortality
от рака
10
Дополнительные
additional
cancerсмерти
deaths
от
рака
из-за
облучения
due to radiation
1
0.1
1
10
100
1000
10000
Dose
Доза(mGy)
(мГр)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
73
РАК
начало
предварительная
стадия рака
промоция
рост
обнаружение
метастаз
Nuclear Medicine
Ликвидация и репарация
Скрытый (латентный)
период
период
болезни
смерть
уменьшение лет жизни
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
74
Канцерогенные эффекты
Наблюдения за пережившими атомные бомбардировки
показала:
•
•
•
•
риск лейкемии достиг пика через 10 лет после
облучения
рак щитовидной железы был первым выявленным
солидным раком
заболеваемость раком молочной железы была выше
у молодых женщин, чем у пожилых женщин
другие виды рака, с латентным периодом до 30 лет,
включали рак легких, желудка, толстой кишки,
мочевого пузыря и пищевода
Shimizu et al JAMA 1990, 264:601-604
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
75
Динамика заболеваний раком со времени атомной
бомбардировки
другие
виды рака
лейкемия
время после
облучения (лет)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
76
Изменение видов
возникающих
заболеваний раком
со времен атомной
бомбы
Латентный период
Период ожидаемого роста
Период наблюдаемого роста
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
77
Модели прогноза
Предсказание заболеваемости на период оставшейся жизни,
сравнение абсолютных и относительных моделей риска
Частота заболевания
Частота заболевания
Абсолютный риск
Относительный риск
Частота
заболевания
после облучения
Спонтанная
заболеваемость
0
xo
xo+l
90
0
xo
xo+l
90
ICRP 60
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
78
РАДИАЦИОННЫЕ РИСКИ
Эффект
Население
Период
облучения
Вероятность
Наследственные Все
заболевания
население
в течение
жизни
1 %/Зв
(все поколения)
Смертельный
рак
Работающее в течение
население
жизни
5 %/Зв
Смертельный
рак
Работающее Возраст
население
18-65
4 %/Зв
Ущерб
здоровью
Все
население
7,3 %/Зв
Ущерб
здоровью
Работающее Возраст
население
18-65
Nuclear Medicine
в течение
жизни
5,6 %/Зв
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
79
Риск (%/Зв) заболевания раком в зависимости от пола и возраста
на момент облучения
20
Мужской
15
Женский
10
5
0
Nuclear Medicine
0
10 20 30 40 50 60 70
(возраст на момент облучения)
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
80
80
В течение жизни риск смерти от
радиационно-индуцированного рака =
5% на зиверт
НКДАР ООН недавно (2000) уточнил риск развития
рака в результате облучения.
Для населения всех возрастов и обоих полов, в
течение жизни риск смерти от радиационноиндуцированного рака после острой дозы 1000 мЗв
составляет около 9% для мужчин и 13% для женщин
или 11% в среднем. Применяя КЭДМД (DDREF)
равный 2, эти данные подтверждают оценки МКРЗ
сделанные 10 лет назад.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
81
ЭФФЕКТЫ ПРИ НИЗКИХ ДОЗАХ
В последнем пожизненном исследовании жителей
Хиросимы и Нагасаки (1986-1990), LSS доклад 12,
(Pierce и др.., 1996) обнаружили, что номинальные
оценки рисков (5% на Зв) применимы для малых доз
вплоть до примерно 50 мЗв.
Для рака у детей, вызванного облучением плода,
было обнаружены, очень похожие оценки риска (6%
на Зв), которые применимы к дозам 10 мЗв (Doll и
Wakeford, 1997).
Ожидается, что оценки риска и неопределенности,
связанные с ними, правомерны при низких дозах.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
82
Неопределенности оценки риска смертельного
заболевания раком (5% в Зв)
0.027
Вероятность
Диаграмма частоты
Показаны 100 000 испытаний
0.020
0.013
0.007
0.000
0.00
1.20
2.75
5.50
Коэффициент риска в
течение жизни (%/Зв)
8.25
11.0
8.84
Распределение вероятностей коэффициента риска в течение
жизни. 90%-ый доверительный интервал показан стрелками
(5% следует понимать как диапазон 1% - 9%).
NCRP, 1997
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
83
Неопределенности оценки риска
развития смертельной рака
Диаграмма чувствительности неопределенности оценки риска к
влиянию различных факторов (ля население всех возрастов)
From NCRP, 1997
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
84
Радиационные риски - эмбрион и плода
Пороговая доза
детерминированных эффектов
50-100 мЗв
Умственная отсталость
40% / Зв
Рак и лейкоз
в возрасте до 10 лет
в течение жизни
2% / Зв
15% / Зв
Наследственные заболевания
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
1% / Зв
85
ТИПЫ ЭФФЕКТОВ ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ В УТРОБЕ
МАТЕРИ
Время после
зачатия
Первые три недели
С 3-й по 8-й
недели
С 8-й по 25-й
недели
С 4-й недели и
в течении всей
беременности
a
b
C
Эффект
Нормальная заболеваемость
в живых новорожденных
Нет детерминированных
или стохастических эффектов
в живых новорожденных детях
Вероятность пороков развития
органова
Вероятность тяжелой умственной
отсталостьюb
Рак в детстве или во взрослом
жизниc
0.06
(1 из 17)
5 x 10-3
(1 в 200)
1 x 10-3
(1 из 1000)
Детерминированный эффект. Порог ~ 0,1 Гр
30 единиц IQ сдвиг: 8-15 недели; <30 единиц IQ сдвиг: 16 - 25 недели
Риск внутриутробный ~ риск < 10 лет
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
86
Радиационные риски
для эмбриона и плода
Dose
(мГр)
Cмертельные пороки
развития
Нет ->
Нет ->
Нет ->
Нет ->
1
10
50
100
∙
Другие причины 3 10-3
1∙10-4
1∙10-3
5∙10-3
1∙10-2
∙
4 10-2
Умственная отсталость
Ракилейкемия до 10 лет
4∙10-4
4∙10-3
2∙10-2
4∙10-2
5∙10-5
5∙10-4
2.5∙10-3
5∙10-3
∙
7 10-3
∙
1 10-3
Рак и лейкемия
в течении всей
жизни
1.5∙10-4
1.5∙10-3
7.5∙10-3
1.5∙10-2
0.2
Данные из Швеции 1992
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
87
Риски для беременных женщин не
подвергавшихся медицинскому облучению
• Самопроизвольный аборт
• Частота генетических аномалий
• Задержка внутриутробного развития
• Частота серьезных пороков
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
> 15%
4-10%
4%
2-4%
88
Вероятность рождения здоровых детей в
зависимости от дозы облучения
Доза на зародыш (мГр)
сверх природного
фона
Вероятность
отсутствия
пороков
Вероятность
отсутствия рака
(0-19 лет)
0
97
99.7
1
97
99.7
5
97
99.7
10
97
99.6
50
97
99.4
100
97
99.1
>100
возможно, см. текст
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
выше
89
Примерная доза на все тело плода (мГр) в результате общих
процедур ядерной медицины, проведенных в начале или в
конце беременности
Процедура
Активность
(МБк)
В начале
9 месяцев
Tc-99m
Остеосцинтиграфия
750
240
300
400
750
930
4.7
0.9
0.6
4.4
9.0
6.0
1.8
0.9
1.1
3.7
3.5
2.5
I-123 накопление в
щитовидной железе
30
0.6
0.3
I-131 накопление в
0.55
0.04
0.15
СЦГ легких
Печень, коллоид
СЦГ щитовидной жел.
Почки, ДТПА
Эритроциты
щитовидной железе
Nuclear Medicine
90
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
Дозы и риски от лучевой диагностики в утробе
матери
Облучение
Средняя доза
плода (мГр)
Рентген
Живот
2.6
Бариевая клизма
16
Пища с барием
2.8
Внутривенная урография
3.2
Поясничный отдел
позвоночника
3.2
Таз
1.7
Компьютерная томография
Живот
8.0
Поясничный отдел
позвоночника
2.4
Таз
25
Ядерная медицина
Tc остеосцинтиграфия
3.3
Tc сцинтиграфия мозга
4.3
Nuclear Medicine
Наследственная
болезнь
Смертельный
рак к 14 годам
6.2 10-5
3.9 10-4
6.7 10-5
7.7 10-5
7.7 10-5
4.8 10-4
8.4 10-5
9.6 10-5
7.6 10-5
4.0 10-5
9.5 10-5
5.1 10-5
1.9 10-4
2.4 10-4
5.7 10-5
6.1 10-4
7.1 10-5
7.7 10-4
7.9 10-4
1.0 10-5
1.0 10-4
1.3 10-4
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
91
Комментарии по поводу плода/
эмбриона
•
•
•
Плод / эмбрион является более чувствительным к
ионизирующей радиации, чем взрослый человек
Увеличение частоты спонтанных абортов в первые
дни после зачатия
Увеличение заболеваемости:
•
•
•
•
Умственная отсталость
Микроцефалия (малый размер головы), особенно при
облучении в 8-15 недель после зачатия
Пороки развития: скелетные, замедленный рост,
генитальный
Более высокий риск рака (особенно лейкемии)
•
Nuclear Medicine
И в детстве, и позднее в жизни
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
92
Шкала облучения
/year/1M people
deaths
Cancerот
людей
рака/год/1Mлн.
Смерть
10000
1000
Остеосцинтиграфия
Компьютерная томография
100
Годовой
Фон
10
Типичная
процедура
радиотерапии
natural
cancer
mortality
Спонтанная
смертность
от рака
Дополнительные
additional
cancerсмерти
deaths
от
рака
из-за
излучения
due to radiation
1
0.1
1
10
100
1000
10000
Доза (мГр)
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
93
Пример расчета риска
•
•
•
Предположим
• Риск 0,05 на Зв
• 1000 человек подвергаются до 5 мЗв / год в течение
20 лет
• Ожидаемые дополнительные смерти от рака:
0.05 [рак / Зв] x0.005 [Зв / год] x20 [лет] x1000 [людей]
= 5 дополнительных смертей от рака из-за излучения
(5 / 1000)
Население в целом: 23% (230/1000) всех смертей - от рака
(на этом фоне трудно определить 5 дополнительных
вызванных радиацией)
Расчеты становятся более сложными при учёте
индивидуального облучения органов и тканей по
сравнению с общим облучением тела
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
94
РАДИАЦИОННЫЙ РИСК
В РЕНТГЕНОВСКИХ
ОБСЛЕДОВАНИЯХ
Обследование Доза в коже Эффективная доза Риск
(мГр)
(мГр)
(%)
Урография
30
Поясничный отдел
позвоночника
40
Живот
10
Грудь
2
Конечности
3
Nuclear Medicine
8
0.04
5
2.5
0.25
0.025
0.025
0.013
0.0013
0.00013
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
95
РАДИАЦИОННЫЙ РИСК В
ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ
Обследование Радиофармпрепарат Эффективная доза Риск
(мЗв)
(%)
Сердце
Кость
Щитовидная
железа
Легкие
Почечный
клиренс
Nuclear Medicine
Tl-201 хлорид
Tc-99m MDP
23
3.6
0.12
0.018
Tc-99m пертехнетат
Tc-99m MAA
1.1
0.9
0.006
0.005
Cr-51 EDTA
0.01
0.00005
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
96
Средний годовой риск смерти в Великобритании
от промышленных аварий и от рака вызванного
работой с радиацией
из 7,000
1 in
Coal mining
Oil and gas extraction
из 8,000
1 in
Construction
1 из
in 16,000
Radiation work (1.5 mSv/y)
из 17,000
1 in
Metal manufacture
из 34,000
1 in
All manufacture
из 90,000
1 in
Chemical production
1 из
in 100,000
All services
1 in
из 220,000
Эти цифры можно сравнить с оценкой 1 из 17000 соответствующей 1,5 мЗв / год
полученных работниками имеющими дело с радиацией
From L Collins 2000
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
97
Сравнение рисков для человека,
работающего с излучением, с рисками в
других сферах деятельности
Средняя смертность в 1989
(10-6/год)
Торговля
40
Производство
60
Обслуживание
40
Правительство
90
Транспорт / utilities
240
Строительство
320
Сельское хозяйство
400
Шахты / карьеры
430
Nuclear Medicine
Безопасные отрасли
промышленности.
Эквивалентно 2 мЗв / год
(100 мЗв в течение всей
жизни)
Эквивалентно максимально
допустимому
профессиональному
облучению
(20 мЗв / год или 1000 мЗв
в течение всей жизни)
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
98
РИСК
Следующая деятельность, сопоставима
с риском смерти 1 / 1000000
•10 дней работы в отделении ядерной медицины
• выкуривание 1,4 сигареты
• 2 дня жизни в загрязненном городе
• 6 мин путешествия в каноэ
• 1,5 мин альпинизма
• 480 км поездки в автомобиле
• 1600 км полета на самолете
• 2 месяца жизни вместе с курильщиком
• распитие 30 банок содовых напитков
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
99
РИСК
Ожидаемое сокращение продолжительности жизни
Мужчина не состоящий в браке
Курящий человек
Женщина не состоящая в браке
30% избыточного веса
Рак
Строительные работы
Автомобильная авария
Несчастный случай дома
Административная работа
Радиологическое обследование
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
3500 дней
2250 дней
1600 дней
1300 дней
980 дней
300 дней
207 дней
95 дней
30 дней
6 дней
100
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
101
ОБСУЖДЕНИЕ
Женщина была направлена на
остеосцинтиграфию. После прохождения
обследования выяснилось, что она
беременна на самом раннем этапе. Она
очень обеспокоена и хочет сделать аборт.
Обсудите, что делать.
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
102
ОБСУЖДЕНИЕ
Фракционирование дозы приводит к:
• повышенной радиационной чувствительности по
отношению к фотонам?
• сниженной радиочувствительности по отношению к
фотонам?
• сниженной радиочувствительности по отношению к
тяжелым заряженным частицам?
• повышенной радиационной чувствительности по
отношению к тяжелым заряженным частицам?
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
103
ОБСУЖДЕНИЕ
Пациент (радиобиолог) хочет знать какой
радиационный риск он получит при
обследовании мозгового кровотока (1000
МБк 99mTc).
Что ответить?
Nuclear Medicine
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
104
Где получить более подробную
информацию
• Другие лекции
• Часть 2 Радиационная физика
• Дополнительные материалы
•
•
•
•
•
Nuclear Medicine
WHO/IAEA. Manual on Radiation Protection in
Hospital and General Practice. Volume 1. Basic
requirements (draft manuscript)
ICRP publications (41, 60, 84)
UNSCEAR reports
ALPEN E.L Radiation Biophysics. Academic Press,
1998
RUSSEL, J.G.B., Diagnostic radiation, pregnancy
and termination, Br. J. Radiol. 62 733 (1989) 92-3.
Часть 1. Биологические эффекты ионизирующего излучения
105