3. A sugárhatás biofizikai sajátosságai

A radiobiológiai hatások jobb megértését szolgálja, ha néhány biofizikai sajátosságot - a teljesség igénye nélkül - megismerünk.

Ionizáló sugárzásoknak nevezzük mindazokat az energiafajtákat, amelyek képesek arra, hogy héjelektron reakció révén az elnyelő anyag atomjait gerjesszék, vagy ionpárokká változtassák. Az ionizáció közvetlen (direkt) és közvetett (indirekt) úton mehet végbe. Direkt ionizációt okoznak a töltött részecskék (elektronok, protonok, nehézionok, stb.). Indirekt módon ionizálnak az elektromágneses hullámok (röntgen- és gamma-, illetve fotonsugárzások), valamint a töltetlen részecskék (termikus- és gyors neutronok: befogás és ütközés révén másodlagos töltött részecskék válnak szabaddá, ezek ionizálnak). Emlékeztetek itt arra, hogy a quantum-sugárzások elnyelődésekor megfigyelhető három elsődleges fizikai jelenség (fotoelektromos abszorpció, Compton-sugárzás és párképzés), mindhárom energiafüggő, szintén töltött részecske (elektron) képzésével jár. Tehát: a kép világos, a biológiai sugárhatásban az alapvető fizikai jelenség a gerjesztés és ionizáció, amely a biológiai anyagban valamennyi sugárfajtánál az anyag molekulái és a töltött részecskék közti kölcsönhatás folyamán jön létre. A töltött részecskék létrejöttének pedig a fenti három lehetősége áll fenn. Az indirekt sugárhatásnál az elnyelt foton és a töltetlen részecskék kinetikai energiájuk átadásakor másodlagos, direkte ionizáló töltött részecskéket képeznek, atommag-átalakulásokat okoznak. Befolyásolhatja még e folyamatokat a sugárminőség és az elnyelő anyag tulajdonsága.

3-1 Penetráció

Fontos biofizikai paraméter a sugárzások áthatoló-képessége, a penetráció. Biológiailag fontos azért is, mert a penetráció mértéke a sugárenergia függvénye, másfelől csak az elnyelt ionizáló sugárzásnak van (lehet) biológiai hatása. Általában igaz, hogy a hullámtermészetű sugaraknál a penetráció annál nagyobb, minél kisebb a hullámhossza és nagyobb a rezgésszáma. A részecskesugárzások anyagba való behatolása annál nagyobb, minél nagyobb az azonos töltésű részecskék kinetikai energiája. A töltés nélküli neutron penetrációja nagyobb, mint a töltött részecskéké. Az elektron mélyebbre hatol, mint az a -részecske. Az ionizáló hatás a töltés négyzetével és a töltött részecske sebességcsökkenésével lesz arányos.

 

3-2 Koncentráció, halmazállapot, más anyagok egyidejű jelenléte

A biológiai hatásban érdekes különbségek regisztrálhatóak aszerint, hogy a hatás száraz, vagy nedves közegben lévő anyagokban alakul ki. A direkt és indirekt sugárhatás tárgyalásakor ennek sajátosságait már megismerhettük. Most néhány olyan kiegészítést kell tennem, amely a két hatás változásait foglalja össze a koncentráció-változás, a halmazállapot-változás és más anyagok jelenléte esetében (Donhoffer, 1961). Eszerint:

1. koncentrációváltozás:

• direkt sugárhatás: a megváltozott molekulaszám a koncentrációval nő, az eltalált/intakt molekulák aránya viszont független ettől,
• indirekt hatás: bizonyos koncentráció-határokon belül a megváltozott molekulaszám nem változik, az eltalált (intakt molekulák aránya annál nagyobb, minél alacsonyabb a koncentráció, (Bacq és Alexander, 1965, Dale, 1949);

1. halmazállapot-változás:

• direkt hatás: alig befolyásolja az effektust,
• indirekt hatás: a sugárhatás kisebb a fagyott állapotban, mert csökken a gyökök mozgási lehetősége;

1. más anyagok egyidejű jelenléte:

• direkt hatás: csak egészen kivételes esetben csökken az effektus,
• indirekt hatás: az összes gyökökkel reakcióba lépő anyag az effektust csökkenti.

Az elemi sugárhatás biofizikai hátterének újabb megvilágítását jelentette annak idején a Korogodin-hypothesis. Különböző módosított formában napjainkig létező modellként színesíti a sugár-biológiai gondolkodásunkat. Az 1966-ban közölt elmélet szerint a primer sugárhatás lépései a következők:

1. a találat,
2. a reagáló-egység (target) elsődleges károsodása,
3. a potenciális, nem manifeszt sérülés kialakulása,
4. a potenciális károsodás realizációja,
5. regisztrálható reakcióegység.

A sugárhatást módosító néhány fontos biofizikai tényezőről is szólnunk kell.

 

3-3 LET-fogalom (Lineáris energia-átvitel = linear energy transfer)

Mivel a várt biológiai hatás mértéke az ionizációk száma, éppen ezért ezt valahogyan mérni kellett. Az ionizációsűrűség méréstechnikai okokból nem volt járható út. E helyett a primer ionizáló részecske úthosszára (D S) eső energiaveszteséggel (D E) mérünk. Ez a lineáris energiaátvitel, vagy LET-érték, dimenziója: keV/µm. A sugárzásokat ennek alapján két csoportba, a magas- és alacsony LET-értékű sugárzások kategóriájába oszthatjuk. Példa:

LET-érték:	Sugárfajta:	Energia (MeV):	LET(keV/µm):
magas	a -részecske gyors neutron protonok	5.0 6.2 2.0	90 21 17
alacsony	röntgensugár 60-Co gammas. beta-sugár fotonok elektronok	0.2 1.25 2.0 9.0 10.0	2.5 0.3 0.3

(Th. Herrmann, 1990.)

 

A LET számítása az alábbi képlet alapján történik:



 

A biológiai hatás jellemzésében ez a leglényegesebb, leggyakorlatibb faktor. Minél nagyobb a LET-érték, annál nagyobb a biológiai hatás.

 

3-4 A relatív biológiai hatékonyság (RBE, RBW)

A sugárbiológiai hatás nemcsak a LET-től, hanem sok más tényezőtől is függ (a sejt és szövet élettani állapota, a dózis idő- és térbeli eloszlása, stb.). A sugárbiológiai kutatások igénye alapján ezért megalkották a relatív biológiai hatékonyság fogalmát (relative biological effectivity, RBE, relative biologische Wirksamkeit, RBW). Számítása az



képlet alapján történik. Viszonyítási sugárzásként a ⁶⁰Co - forrás helyett 250 kV-os röntgensugárforrást is alkalmazhatunk. Hasznos tudnunk, hogy a különböző sugárfajtákból azonos mértékű biológiai hatáshoz mekkora dózisok kellenek. Erre ad választ a sugárvédelemben is jelentős minőségi faktor (QF). Gondoljuk csak meg: 1 Gy röntgensugárzás 0.1 Gy neutronsugárzással egyenlő értékű, de 1 Sv röntgensugárzás 1 Sv neutronsugárzással lesz azonos biológiai hatású! Néhány sugárfajta minőségi faktora (QF-értéke) a következő:



a -sugárzás -	20	60Co-gammasugárzás -	1
gyors neutron -	10	béta-sugárzás -	1.
röntgensugárzás -	1

 

Ha az energiadózist (Gy) a minőségi faktorral megszorozzuk, úgy megkapjuk az egyenértékdózist (Sv).
 

3-5 Az oxygen-effektus (OER)

Régóta ismert tény, hogy a besugárzott biológiai anyagok sugárreakciói azok oxigéntelítettségétől is nagymértékben függ. A tapasztalat azt mutatta, hogy az oxigén jelenléte növeli a sugárhatást (Schwarz, 1909., Mottram, 1924., Lea, 1946., Gray, 1954., Fritz-Niggli, 1968., Kiefer, 1975., Herrmann, 1990.). Az O₂-effektus, az oxygen-sensibilisatios hatás részleteiben máig nem ismert. Talán éppen ezért, mert az elemi hatás folyamatai mikrokörnyezeti funkciók. Howard-Flanders (1957) nézete szerint a reparabilis DNS-károsodások peroxidálódnak, ami irreparabilissé teszi ezeket (egyes lánctörés, bázisok károsodása, stb.). Ez természetesen - indirekten - károsítja a regenerációs folyamatokat is. Az oxigén sensibilisatios hatását egy faktorral jellemzik, ez az oxigén sensibilisatios hányados (OER = Oxygen Enhancement Ratio). Számításának módja:



Az átlagos OER-érték gammasugárzás esetében 2-3 közé esik. A sugárterápia szempontjából fontos az a megállapítás, hogy az alacsony LET-sugárzások esetében hypoxiában a sugárrezisztencia megnő (Révész).

 

3-6 A dózismódosító faktor (DMF)

A sugárvédő anyagok biológiai hatásának kutatásakor alkalmazták e fogalmat. Számítása az alábbi módon történik:



 

A dózismódosító faktor értéke változik:

1. in vivo,
2. in vitro és a
3. sejtciklus függvényében.

A ciklusfázis függvényében a DMF a következő csökkentő sorrendet mutatja: M, G_{2, G1 és S-fázis.}

 

3-7 Az idő-intenzitás faktor szerepe

Már a radiológia korai korszakában is tudták, hogy a dózishatásban mennyire fontos a leadás időtartama és a sugárzás intenzitása. Röntgensugárzásnál Krönig és Friedrich (1916), rádiumsugárzásnál pedig Regaud (1922) végezte az első korszerű megfigyeléseket. Ezt követően forradalmi átalakulás ment végbe a terápiában és a sugárbiológiában: a dózisteljesítmény (dózisráta) és az időintenzitás-faktor polgárjogot nyert. Az eltelt évek folyamán egyre több bizonyíték támasztotta alá e fogalmak létjogosultságát.

A dózishatás kapcsolat befolyásolásában fontos biofizikai faktorok még:

1. dózis-,
2. intenzitás-,
3. idő-,
4. protrahálási- és
5. frakcionálási-faktor.

A Bunsen-Roscoe szabály szerint a sugárhatás a dózisteljesítmény és az idő szorzatával egyenlő. A két szorzó szabadon változtatható, a hatás (E) nem változik (I = intenzitás, t = idő):



Egyszerűsítve a képletet: E = dózis, azaz a biológiai effektus csak a dózistól függ. Számos adat azonban arra utalt, hogy ez a fotokémiából ismert törvény a biológiai rendszerekben nem érvényesül maradéktalanul (Regaud, Holthusen, Chaoul, Schwarz, Sievert, Teschendorf, Zuppinger, Timoféeff-Ressowsky). Kiderült, hogy ugyan a Bunsen-Roscoe szabály fennáll, de a dózisteljesítmény a sugárhatást módosíthatja (Hernády és Kenéz, 1966). A Bunsen-Roscoe szabály általános alakja, a Schwarzschild-törvény a fenti képletet egy kitevővel bővítette (p), eszerint:

,

ahol a p az un. protrahálási faktor. Értéke úgy számítható ki, ha a nagyobb dózisteljesítménynél nyert hatást a kisebb teljesítménynél nyerttel elosztjuk. A Bunsen-Roscoe szabály a Schwarzschild-törvény speciális esete, ahol a p-faktor 1. Később kiderült, hogy háromféle p-faktor létezik:



Holthusen (1933) ismerte fel, hogy a kisebb sugárintenzitás kevésbé hatékony, mivel az említett p-faktora nagyobb egynél, nagyobb dózisra van szükség. Chaoul, Wachsmann és de Mesnil de Rochemont vizsgálatai tisztázták, hogy a dózisteljesítmény csökkentésével az egyes szövetek p-faktorai szétválnak. Így pl. a bőr és here esetében. De mit jelentett ez a sugárbiológiai effektus a korai terápiában? Azt, hogy meg tudták magyarázni: a perkután végzett heredaganat-besugárzásakor miért lett a sugárhatás elektiv, ha csökkentették a dózisteljesítményt. U.i. a bőr sugárérzékenysége csökkent, a hereszöveté pedig megnőtt. A két szövet p-faktora közti távolságot nevezik elektivitási faktornak. A sugárbiológia iránt érdeklődők tehát most az ionizáló sugárzásnak egy újabb, harmadik tulajdonságát is megismerhették: a bionegativ, a kumulatív hatás mellé az elektivitást is.

A klasszikus orthovoltos korszakban fontos elv származott ebből. Eszerint a protrahálásnak (csökkentett dózisteljesítmények adása) csak akkor van értelme, ha a kímélendő és elpusztítandó szövetnek p-faktorai eltérnek egymástól, így az elektivitás protrahálással fokozható lesz. A protrahálás már az orthovoltos időszakban is háttérbe szorult, de máig fennmaradt a brachy-curie-terápiában. A bőr sugárvédelmének további eszköze volt a rácsmetodika.