Относительная биологическая эффективность
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( октябрь 2013 г. ) |
В радиобиологии относительная биологическая эффективность (часто сокращенно ОБЭ ) — это отношение биологической эффективности одного типа ионизирующего излучения относительно другого при одинаковом количестве поглощенной энергии . ОБЭ — это эмпирическая величина, которая варьируется в зависимости от типа ионизирующего излучения, задействованных энергий, рассматриваемых биологических эффектов, таких как гибель клеток, а также напряжения кислорода в тканях или так называемого кислородного эффекта .
Приложение
[ редактировать ]может Поглощенная доза быть плохим индикатором биологического действия радиации, поскольку биологический эффект может зависеть от многих других факторов, включая тип излучения, энергию и тип ткани. Относительная биологическая эффективность может помочь лучше оценить биологическое действие радиации. Относительная биологическая эффективность излучения типа R на ткань определяется как соотношение
где D X – эталонная поглощенная доза радиации стандартного типа X , а D R – поглощенная доза радиации типа R , вызывающая такой же объем биологического ущерба. Обе дозы количественно оцениваются по количеству энергии, поглощенной клетками.
Разные виды радиации обладают разной биологической эффективностью главным образом потому, что они по-разному передают свою энергию тканям. Фотоны и бета-частицы имеют низкий коэффициент линейной передачи энергии (ЛПЭ), что означает, что они ионизируют атомы в ткани, которые расположены на расстоянии нескольких сотен нанометров (несколько десятых микрометра на своем пути ) друг от друга. Напротив, гораздо более массивные альфа-частицы и нейтроны оставляют за собой более плотный след ионизированных атомов, отстоящих друг от друга примерно на одну десятую нанометра (т. е. менее одной тысячной типичного расстояния между ионизациями фотонов и бета-частиц). .
ОБЭ можно использовать либо для борьбы с раком/наследственными рисками ( стохастические ), либо для вредных тканевых реакций ( детерминированные ). Ткани имеют разные ОБЭ в зависимости от типа воздействия. Для излучения с высокой ЛПЭ (т.е. альфа-излучения и нейтронов) ОБЭ для детерминированных эффектов обычно ниже, чем для стохастических эффектов. [1]
Концепция ОБЭ актуальна в медицине, например, в радиологии и лучевой терапии , а также для оценки рисков и последствий радиоактивного загрязнения в различных контекстах, таких как атомных электростанций эксплуатация ядерного топлива , утилизация и переработка , ядерное оружие , добыча урана , и безопасность ионизирующего излучения .
Связь с весовыми коэффициентами излучения (W R )
[ редактировать ]
Для расчета эквивалентной дозы на орган или ткань Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) определила стандартный набор весовых коэффициентов радиации (W R ), ранее называвшихся коэффициентом качества ( Q) . [1] [2] Весовые коэффициенты радиации преобразуют поглощенную дозу (измеренную в единицах СИ в греях или не-СИ в радах ) в формальную биологическую эквивалентную дозу радиационного облучения (измеренную в единицах зивертов или бэр ). Однако МКРЗ заявляет: [1]
«Количества, эквивалентная доза и эффективная доза, не должны использоваться для количественной оценки более высоких доз радиации или для принятия решений о необходимости какого-либо лечения, связанного с тканевыми реакциями [т.е. детерминированными эффектами]. Для таких целей дозы следует оценивать с точки зрения поглощенных доза (в серых тонах, Гр), а в случае излучений с высокой ЛПЭ (например, нейтронов или альфа-частиц) следует использовать поглощенную дозу, взвешенную с соответствующим ОБЭ».
Весовые коэффициенты радиации в основном основаны на ОБЭ радиации для стохастических рисков для здоровья . Однако для простоты весовые коэффициенты излучения не зависят от типа ткани, и значения консервативно выбираются так, чтобы они превышали основную часть экспериментальных значений, наблюдаемых для наиболее чувствительных типов клеток по отношению к внешним (внешним по отношению к клетке) ) источники. Весовые коэффициенты радиации не разработаны для внутренних источников тяжелых ионов, таких как ядро отдачи.
Стандартные значения относительной эффективности МКРЗ 2007 г. приведены ниже. Чем выше весовой коэффициент излучения для определенного типа излучения, тем более разрушительным оно является, и это учитывается при расчетах для перевода единиц серого в зиверты.
| Радиация | Энергия W R (ранее Q ) |
|---|---|
| рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы, мюоны | 1 |
| нейтроны (< 1 МэВ) | 2,5 + 18,2 е -[ln( Е )] 2 /6 |
| нейтроны (1–50 МэВ) | 5,0 + 17,0 е -[ln(2E ) ] 2 /6 |
| нейтроны (> 50 МэВ) | 2,5 + 3,25 е -[ln(0,04 Е )] 2 /6 |
| протоны, заряженные пионы | 2 |
| альфа-частицы, продукты ядерного деления, тяжелые ядра | 20 |
Весовые коэффициенты радиации, которые переходят от физической энергии к биологическому эффекту, не следует путать с весовыми коэффициентами для тканей . Весовые коэффициенты тканей используются для преобразования эквивалентной дозы, полученной в данной ткани организма, в эффективную дозу , число, которое дает оценку общей опасности для всего организма в результате дозы радиации на часть тела. .
Экспериментальные методы
[ редактировать ]
Обычно оценка относительной биологической эффективности проводится на различных типах живых клеток, выращенных в культуральной среде , включая прокариотические клетки, такие как бактерии , простые эукариотические клетки, такие как одноклеточные растения, и развитые эукариотические клетки, полученные из таких организмов, как крысы . Облучая партии клеток разными дозами и типами радиации, можно найти взаимосвязь между дозой и долей погибших клеток, а затем использовать ее для определения доз, соответствующих некоторой общей выживаемости. есть ОБЭ R. Соотношение этих доз и Вместо смерти конечной точкой может стать доля клеток, которые становятся неспособными подвергаться митотическому делению (или, в случае бактерий, бинарному делению ), таким образом, эффективно стерилизуются — даже если они все еще могут выполнять другие клеточные функции.
Типы R ионизирующего излучения , наиболее учитываемые при оценке ОБЭ, — это рентгеновские лучи и гамма-излучение (оба состоят из фотонов ), альфа-излучение ( гелия-4 ядра ), бета-излучение ( электроны и позитроны ), нейтронное излучение и тяжелые ядра , включая осколки ядерного деления . Для некоторых видов излучения ОБЭ сильно зависит от энергии отдельных частиц.
Зависимость от типа ткани
[ редактировать ]Вначале было обнаружено, что рентгеновские лучи, гамма-лучи и бета-излучение по существу эквивалентны для всех типов клеток. Таким образом, стандартное излучение типа X обычно представляет собой рентгеновский луч с фотонами с энергией 250 кэВ или гамма-лучи кобальта-60 . В результате относительная биологическая эффективность бета- и фотонного излучений практически равна 1.
Для других типов излучения ОБЭ не является четко определенной физической величиной, поскольку он несколько варьируется в зависимости от типа ткани и точного места поглощения внутри клетки. Так, например, ОБЭ для альфа-излучения составляет 2–3 при измерении на бактериях , 4–6 для простых эукариотических клеток и 6–8 для высших эукариотических клеток. Согласно одному источнику, он может быть намного выше (6500 с учетом рентгеновских лучей) на овоцитах. [3] ОБЭ нейтронов составляет 4–6 для бактерий, 8–12 для простых эукариотических клеток и 12–16 для высших эукариотических клеток.
Зависимость от местоположения источника
[ редактировать ]В ранних экспериментах все источники радиации находились за пределами облучаемых клеток. Однако, поскольку альфа-частицы не могут проникнуть через самый внешний мертвый слой человеческой кожи, они могут нанести значительный ущерб только в том случае, если возникнут в результате распада атомов внутри тела. Поскольку радиус действия альфа-частицы обычно равен диаметру одной эукариотической клетки, точное расположение излучающего атома в клетках ткани становится важным.
По этой причине было высказано предположение, что влияние загрязнения альфа-излучателями на здоровье могло быть существенно недооценено. [4] Измерения ОБЭ с внешними источниками также не учитывают ионизацию, вызванную отдачей родительского ядра из-за альфа-распада. Хотя отдача родительского ядра распадающегося атома обычно несет только около 2% энергии альфа-частицы, испускаемой распадающимся атомом, ее дальность действия чрезвычайно коротка (около 2–3 ангстремов) из-за ее высокий электрический заряд и большая масса . Родительское ядро должно отскакивать при испускании альфа-частицы с дискретной кинетической энергией из-за сохранения импульса . Таким образом, вся энергия ионизации ядра отдачи откладывается в чрезвычайно малом объеме вблизи его исходного местоположения, обычно в ядре клетки на хромосомах, которые имеют сродство к тяжелым металлам. [5] [6] [7] Большинство исследований с использованием источников, внешних по отношению к клетке, дали ОБЭ от 10 до 20. [8] Поскольку большая часть ионизационных повреждений при движении альфа-частицы откладывается в цитоплазме , тогда как при движении ядра отдачи приходится на саму ДНК, вероятно, больший ущерб наносится ядром отдачи, чем альфа-частицей. сам.
История
[ редактировать ]В 1931 году Файлла и Хеншоу сообщили об определении относительной биологической эффективности (ОБЭ) рентгеновских и γ-лучей. Похоже, это первое использование термина «RBE». Авторы отметили, что ОБЭ зависел от изучаемой экспериментальной системы. Несколько позже на это указали Зиркл и др. (1952) установили, что биологическая эффективность зависит от пространственного распределения сообщаемой энергии и плотности ионизации на единицу длины пути ионизирующих частиц. Циркль и др. ввел термин «линейная передача энергии (ЛПЭ)», который будет использоваться в радиобиологии для обозначения тормозной способности, то есть потерь энергии на единицу длины пути заряженной частицы. Эта концепция была представлена в 1950-х годах, когда размещение ядерного оружия и ядерных реакторов стимулировало исследования биологических эффектов искусственной радиоактивности. Было замечено, что эти эффекты зависят как от типа и энергетического спектра излучения, так и от вида живой ткани. В это десятилетие были проведены первые систематические эксперименты по определению ОБЭ. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с «Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 2007 г.» . Анналы МКРЗ . Публикация МКРЗ 103. 37 (2–4). 2007. ISBN 978-0-7020-3048-2 . Проверено 17 мая 2012 г.
- ^ Синклер Д.В. (январь 2003 г.). «Относительная биологическая эффективность (ОБЭ), коэффициент качества (Q) и весовой коэффициент радиации (Wr)» . Анналы МКРЗ . Публикация МКРЗ 92. 33 (4). ISBN 978-0-08-044311-9 .
- ^ Нагасава, Х.; Литтл, Дж. Б. (15 ноября 1992 г.). «Индукция обмена сестринских хроматид чрезвычайно низкими дозами альфа-частиц». Исследования рака . 52 (22): 6394–6396. ISSN 0008-5472 . ПМИД 1423287 .
- ^ Уинтерс Т.Х., Ди Франца-младший (февраль 1982 г.). «Радиоактивность при курении сигарет». Медицинский журнал Новой Англии . 306 (6): 364–5. дои : 10.1056/NEJM198202113060613 . ПМИД 7054712 .
- ^ Чжу Г, Чжан Ц.Й. (декабрь 2014 г.). «Функциональные сенсоры на основе нуклеиновых кислот для анализа ионов тяжелых металлов». Аналитик . 139 (24): 6326–42. Бибкод : 2014Ана...139.6326Z . дои : 10.1039/C4AN01069H . ПМИД 25356810 .
- ^ Бартон Дж. К. (1994). «Глава 8: Взаимодействие металлов и нуклеиновых кислот» (PDF) . В Бертини I, Грей Х.Б., Липпард С.Дж., Валентайн Дж.С. (ред.). Бионеорганическая химия . Милл-Вэлли, Калифорния: Univ. Научные книги. стр. 455–503. ISBN 0-935702-57-1 .
- ^ Ким Ш., Шин В.К., Ордер Р. (1985). «Взаимодействие ионов тяжелых металлов с нуклеиновыми кислотами» . Дифракционные методы биологических макромолекул . Часть А. Методы энзимологии. Том. 114. стр. 156–67 . дои : 10.1016/0076-6879(85)14016-4 . ISBN 978-0-12-182014-5 . ПМИД 3853074 .
- ^ Чемберс Д.Б., Осборн Р.В., Гарва А.Л. (2006). «Выбор весового коэффициента альфа-излучения для доз, полученных нечеловеческой биотой». Журнал радиоактивности окружающей среды . 87 (1): 1–14. дои : 10.1016/j.jenvrad.2005.10.009 . ПМИД 16377039 .