Radiobiologie

Formarea unei particule α , această particulă este ionizantă direct și interacțiunea sa cu materia vie duce la efecte biologice semnificative

Radiobiologia se referă la Științele Biologice și este strâns legată de Fizică. Domeniul său principal de aplicare este medicina. Studiază efectele radiațiilor ionizante și neionizante (singure sau în asociere) asupra organismelor vii sau asupra „substraturilor biologice”.

Radiobiologia are diverse domenii de aplicare, legate de utilizarea radiațiilor ionizante, cum ar fi cercetarea în domeniul biologiei moleculare și biochimice , radioterapie , protecție împotriva radiațiilor , imagistică biomedicală .

Pentru aceste aplicații, radiobiologia, pentru a produce efectele dorite și a evita efectele nedorite, necesită respectarea principiului justificării și a principiului optimizării : fiecare activitate cu radiații trebuie să fie justificată, adică beneficiul obținut din utilizarea radiației trebuie să depășească daune pentru sănătate datorate utilizării lor; expunerea la radiații trebuie menținută la cel mai mic nivel rezonabil realizabil, care ar putea fi definit ca urmând un „program” de asigurare a calității și de prevenire a erorilor, cu optimizarea continuă a eficacității și a rezultatelor, tehnicilor și eficienței

Radiații neionizante, unele cantități și unitățile lor de măsură

Radiațiile care nu pot produce ionizare în materialele expuse la aceasta sunt desemnate ca neionizante. Radiațiile neionizante, numite NIR din acronimul englezesc Non Ionizing Radiation , includ toate radiațiile neionizante, începând de la ELF ( Frecvență extrem de joasă ). În ultimii ani, întrebările despre câmpurile de frecvență radio (RF) și cuptor cu microunde (MW) au crescut.

Unitățile de măsură utilizate pentru a exprima gradul de expunere la radiofrecvență și câmpuri cu microunde sunt voltul / metrul (V / m), referitor la intensitatea componentei electrice E a câmpului , amperul / metrul (A / m), pentru intensitatea componentei magnetice H a câmpului și a watt / m² (W / m²), pentru densitatea S a puterii radiate. Rata specifică de absorbție a energiei este indicată cu abrevierea SAR (din engleză „ Specific Absorption Rate ”) măsurată de obicei în W / kg.

Printre unitățile de măsură merită menționate și gauss și tesla . Gauss (simbolul G) este unitatea de măsură a densității fluxului magnetic (sau a inducției magnetice ) în sistemul electromagnetic CGS . Un gauss este egal cu 1 maxwell pe centimetru pătrat. Relația dintre gauss și tesla (simbolul T), unitatea de măsură corespunzătoare în sistemul SI, este: 1T = 10 000 G; 1G = 0.0001 T.

Radiații ionizante, unele cantități și unitățile lor de măsură

Radiațiile ionizante (cele mai importante din punct de vedere al aplicației) sunt acele radiații cu energie suficientă pentru a putea provoca ionizarea în atomii (sau moleculele ) cu care „intră în contact”. Acestea sunt împărțite în două categorii principale: cele care produc ioni direct și cele care produc ioni indirect. Ionizatorii direct sunt de exemplu electroni , protoni și particule α ; indirect ionizante sunt neutroni , y și X raze . Razele Γ și X diferă prin „originea” lor. Razele gamma sunt produse prin procese radioactive de tranziții în interiorul unui nucleu atomic (provenind din tranziții nucleare sau, în orice caz, subatomice), în timp ce razele X sau fotonii sunt produse prin intermediul unor tuburi de raze X (prin tranziții energetice datorate electronilor care se mișcă rapid; de către unii ca „electronică”).

Spectrul electromagnetic , radiațiile ionizante au o frecvență mai mare de

3\cdot 10^{15}

{\ displaystyle 3 \ cdot 10 ^ {15}}

{\ displaystyle 3 \ cdot 10 ^ {15}}

Hz .

În mod convențional, radiațiile cu o frecvență mai mare decât sunt considerate ionizante de diferiți autori $3\cdot 10^{15}$ ${\ displaystyle 3 \ cdot 10 ^ {15}}$ ${\ displaystyle 3 \ cdot 10 ^ {15}}$ Hz . Energia este măsurată în juli sau electron- volți (eV). $1\ eV=1.6\cdot 10^{-19}\ J$ ${\ displaystyle 1 \ eV = 1.6 \ cdot 10 ^ {- 19} \ J}$ ${\ displaystyle 1 \ eV = 1.6 \ cdot 10 ^ {- 19} \ J}$ . Pentru radiațiile ionizante: cea mai utilizată unitate de măsură este gri (Gy) care este doza de energie absorbită pe unitate de masă; LET, transferul liniar de energie , este energia eliberată de radiația pe unitate de lungime și în ceea ce privește țesuturile biologice, din punctul de vedere al aplicației, inclusiv radioprotecția, unitatea de măsură este sievertul (Sv). Becquerelul (simbolul Bq) este unitatea de măsură a sistemului internațional al activității unui radionuclid și este definită ca activitatea unui radionuclid care are o descompunere pe secundă. Prin urmare, dimensional este echivalent cu inversul unui timp. 1 Bq este echivalent cu 1 dezintegrare pe secundă; echivalență față de unitățile vechi, cum ar fi curie (Ci): $1\ Bq=2.7\cdot 10^{-11}\ Ci=27\ pCi$ ${\ displaystyle 1 \ Bq = 2.7 \ cdot 10 ^ {- 11} \ Ci = 27 \ pCi}$ ${\ displaystyle 1 \ Bq = 2.7 \ cdot 10 ^ {- 11} \ Ci = 27 \ pCi}$ .

Rețineți că sievertul (Sv) este unitatea de măsură pentru doza echivalentă , care se calculează prin înmulțirea griului cu un factor de greutate care depinde de tipul de radiație. Sievertul este, de asemenea, unitatea de măsură pentru doza efectivă , care se obține din doza echivalentă prin înmulțirea acesteia cu un factor de ponderare a țesuturilor sau prin „greutăți” referitoare la diferitele organe și țesuturi; ultimele „greutăți” iau în considerare diferita radiosensibilitate a organelor și țesuturilor iradiate.

Efectele radiațiilor ionizante

Același subiect în detaliu: Radiații ionizante și boală de radiații acute .

Pentru a ioniza materia, radiația trebuie să aibă o energie astfel încât să poată interacționa cu electronii atomilor cu care intră în contact. Particulele încărcate pot interacționa puternic cu materia, astfel încât electronii , pozitronii și particulele alfa pot ioniza materia direct. Chiar și fotonii și neutronii, pe de altă parte, deși nu sunt încărcați, dacă sunt echipați cu suficientă energie pot ioniza materia (fotonii cu o frecvență egală sau mai mare decât razele ultraviolete sunt considerați ionizanti pentru oameni).

Interacțiunile fotonilor cu materia pot produce, pe măsură ce energia crește, efectul fotoelectric , efectul Compton și producerea de perechi .

Radiațiile ionizante pot avea o acțiune indirectă asupra materiei organice prin radioliza apei și formarea consecventă a radicalilor liberi . Din motive cantitative, apa constituie molecula cu care are loc aproape constant o interacțiune a particulei ionizante. Radioliza are loc conform acestor etape ( energie = hν, unde h: constanta lui Planck ; ν: frecvență ):

hν + H2O => H ₂ O ⁺ + e ^-
e- + H2O => H ₂ O ^-
H2O + => H ⁺ + OH °
H2O- => H ° + OH ^-

In absenta O ₂ , radicalii vor interacționa unul cu altul în conformitate cu toate combinațiile posibile care produc: H ₂ O, H ₂ și H ₂ O _2. Dacă O ₂ este prezentă într -o concentrație suficientă în mediul iradiat, radicalii H sunt captate, dând naștere la formarea extrem de oxidare radical HO _2:

O ₂ + H => HO ₂
HO ₂ + și ^- => HO ₂ ^-
HO ₂ ^- + H ⁺ => H ₂ O ₂
H ₂ O ₂ + 2H => 2H ₂ O

Acest lucru ar explica modul în care în substraturile biologice efectul indus cu aceeași radiație este de aproximativ 2-3 ori mai mare în prezența O ₂ (Efectul oxigenului). În creșterea progresivă a unui focar tumoral, producția unei rețele vasculare nou formate este întotdeauna mai mult sau mai puțin insuficientă în comparație cu gradul de neoproducție a celulelor tumorale. Distanța la care multe dintre aceste celule sunt situate de peretele capilar poate face ca acestea să aibă un aport insuficient de O ₂ prin difuzie. Aceste celule hipoxice sau anoxice nu sunt foarte radiosensibile. Radiațiile LET reduse ( transfer liniar de energie ), cum ar fi fotonii (și, de asemenea, electronii) au o acțiune radiobiologică influențată de prezența oxigenului. (Radiații LET ridicate: protoni, neutroni, particule grele au o acțiune radiobiologică neinfluențată de prezența oxigenului)

Printre efectele chimice și biochimice pe care le pot provoca radiațiile ionizante se numără ruperea legăturilor , modificări moleculare, deteriorarea citoplasmei , ARN-ului și ADN-ului .

Deteriorarea ADN-ului poate duce la ruperea lanțurilor, modificarea bazelor , distrugerea zaharurilor , formarea de legături încrucișate. Deteriorarea ADN-ului, dacă nu este corect reparată și transcrisă , duce la o serie de aberații cromozomiale și / sau cromatidice . Astfel de daune, dacă nu pot fi reparate celular, pot duce la moartea celulelor. Dacă acest lucru nu se face, deteriorarea poate schimba celula și efectele biologice rezultate sunt doar alterări morfofuncționale și metabolice, leziuni ale materialului genetic, aberații ale diferitelor componente celulare, creșterea celulară și angiogeneza necontrolată.

Să ne amintim de „modelarea” care studiază formulările matematice potrivite pentru interpretarea și prezicerea efectelor radiațiilor.

Bibliografie

Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis și Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell. Garland Publishing Inc, 2008
Eric Hall, Radiobiologie pentru Radiobiolog. Lippincott, 2006.
Carlo Martinenghi, Radiobiologie. Ed. Cortina Raffaello, 1997
Maurice Tubiana, Introducere în Radiobiologie. CRC Press, 1990
ICRU 30: Concepte cantitative și dozimetrie în Radiobiolobie, 1979