Cơ sở sinh học bức xạ

[khonggianrieng]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Sinh học bức xạ khảo sát tác dụng của bức xạ lên cơ thể sống. Các kiến thức sinh học bức xạ là cần thiết để có thể sử dụng bức xạ một cách hiệu quả trong các ứng dụng y tế, cụ thể là trong xạ trị và chẩn đoán với bức xạ ion hóa, cũng như để phòng tránh tác hại của bức xạ.

Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét các quá trình xảy ra theo trình tự thời gian từ lúc bức xạ đi vào cơ thể người. Các yếu tố chính và các yếu tố phụ có ảnh hưởng đến tác dụng sinh học sẽ được trình bày. Cuối cùng, quan hệ giữa định lượng giữa tác dụng sinh học và liều hấp thụ sẽ được xem xét.

1. Cấu tạo tế bào của sinh vật :

Về cấu tạo, tế bào gồm một nhân tế bào (nucleus) ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương (cytoplasma). Trong bào tương có các thành phần của tế bào như protein, ribosome, v.v.. Bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào (membrane). Mỗi bộ phận thực hiện những chức năng riêng rẽ.

Cơ thể con người và các sinh vật khác cấu tạo từ các cơ quan (organ) như tim, phổi, não v.v… Các cơ quan cấu tạo từ các mô (tissue) như mô mỡ, mô da, mô xương v.v... Các mô cấu tạo từ các tế bào (cell). Tế bào là đơn vị sống cơ bản. Tương tác giữa bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào, làm chết tế bào hay làm cho chúng hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng một cách hỗn loạn và tạo nên ung thư.

Màng tế bào làm nhiệm vụ trao đổi chất với môi trường ngoài. Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa: catabolism), tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào (anabolism). Còn nhân là nơi điều khiển quá trình tổng hợp đó. Trong nhân có ADN (deoxyribonucleic acid) là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng để thực hiện sự tổng hợp các chất. Trong hình bên là mô hình cấu tạo của phân tử ADN.

Các tế bào có thời gian sống nhất định. Các tế bào khác nhau có thời gian sống khác nhau. Các tế bào cũng có khả năng phân chia để tạo thành tế bào mới. Đó là cơ chế để duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể người. ADN dụng sinh học của bức xạ lên phân tử là do sự phá hỏng ADN của tế bào.

Sau đây chúng ta sẽ xem xét chuỗi quá trình từ lúc bức xạ bắt đầu đi vào cơ thể cho đến khi xuất hiện những hiệu ứng quan sát được về mặt sinh học và xem xét những yếu tố ảnh hưởng đến các hiệu ứng này.

2. Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống :

Bảng 1 : Tóm tắt các quá trình xảy ra

a. Giai đoạn vật lý (10^-16 s – 10^-13s) :

Giai đoạn vật lý là bước đầu tiên của chuỗi quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào vật chất. Nhờ những tiến bộ trong sinh học phóng xạ, người ta ngày càng nhận thức rõ hơn ảnh hưởng của giai đoạn vật lý lên các quá trình tiếp theo. Điều này đã dẫn đến những yêu cầu nghiêm ngặt trong các phép đo lường vật lý trong xạ trị.

Sau đây chúng ta sẽ xem xét một số đặc điểm chung của giai đoạn vật lý. Đặc điểm quan trọng nhất có liên quan đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng cục bộ mà bức xạ truyền cho môi trường.

Khi đi qua môi trường vật chất, bức xạ có thể tương tác với của nguyên tử như một toàn bộ, với một electron của nguyên tử, hoặc với hạt nhân của nguyên tử. Thông qua đó bức xạ truyền năng lượng cho môi trường. Quá trình vật lý này xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn, từ 10^-16s đến 10^-13s. Đó là thời gian để bức xạ (photon, electron) đi qua cấu trúc chịu tương tác (phân tử nước, ADN). Trong các ứng dụng y tế, năng lượng bức xạ truyền cho môi trường chủ yếu gây nên sự ion hóa và sự kích thích. Quá trình này đã được khảo sát chi tiết trong phần trên.

Sự ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của tế bào. Các tổn thương này càng nhiều và càng nghiêm trọng nếu lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong tế bào càng lớn. Do đó, tác dụng sinh học của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ bỏ ra trong một đơn vị khối lượng môi trường. Đại lượng này chính là liều hấp thụ D.

Các cấu trúc chịu sự ion hóa hay kích thích có thể là ADN, ARN, các axít amin, các protein, các enzym hay một phần của màng tế bào, và chủ yếu là các phân tử nước, vốn chiếm một tỉ lệ khối lượng khoảng 80% trong tế bào.
Quá trình ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của các đại phân tử sinh học trong tế bào. Hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua việc gây tổn thương cho ADN, phân tử mang thông tin di truyền của tế bào. Những tổn thương gây ra trên các màng và các ống vi mô cũng có thể là những cơ chế bổ sung làm tế bào bị nhiễm độc.

Các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nó. Đó là tác dụng trực tiếp. Phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hóa các phân tử nước trong vùng lân cận nó. Khi đó, các phân tử nước sẽ bị phân ly (sự thủy phân do bức xạ) và dẫn đến việc hình thành các gốc tự do và hydroxyl. Các gốc tự do và hydroxyl công phá các phân tử ADN.

Khi một ADN bị tổn thương, ta không thể phân biệt được là nó chịu tác dụng trực tiếp hay gián tiếp, nhưng do tế bào chứa khoảng 80% nước và dưới 1% ADN, nên người ta cho rằng tác dụng gián tiếp đóng vai trò quan trọng. Các phép đo cho thấy rằng đối với bức xạ có LET bé như electron hay photon, tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số các thương tổn, phần còn lại là do hiệu ứng gián tiếp. Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn quá trình này trong giai đoạn hóa lý.

Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng lượng từ hàng chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến hàng chục MeV (trong xạ trị). Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình.

b. Giai đoạn hóa lý (10^-13s đến 10^-2s) :

Giai đoạn hóa lý mở đầu bằng việc hình thành các gốc tự do và kết thúc bằng những thay đổi cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học có trong tế bào. Như đã nói trên, bức xạ có thể tương tác trực tiếp với ADN hay gián tiếp, thông qua việc ion hóa hay kích thích phân tử nước. Trong cả hai trường hợp, năng lượng của bức xạ được hấp thụ trong các phân tử hữu cơ cũng như vô cơ.

Tiếp sau quá trình tương tác đó là quá trình phân tán năng lượng đã hấp thụ từ bức xạ cho vùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thông qua sự truyền năng lượng nội phân tử (xảy ra bên trong một phân tử ) hay từ phân tử này sang phân tử khác. Quá trình trao đổi nội phân tử có thể làm thay đổi cấu trúc hay phá hủy phân tử sinh học, do việc tách các nhóm chức năng hay làm đứt vỡ những phân tử có dạng chuỗi. Quá trình trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra chủ yếu là sự tương tác giữa phân tử nước. Đó là quá trình hình thành và khuếch tán của các gốc tự do. Các gốc tự do này được hình thành do sự thủy phân của nước dưới tác dụng của bức xạ. Các gốc tự do công phá các phân tử sinh học. Chúng sẽ xem xét quá trình này kỹ hơn dưới đây.

* Sự hình thành các gốc tự do :

Các gốc tự do được hình thành do sự thủy phân do bức xạ. Quá trình này xảy ra sau khi phân tử nước hấp thụ năng lượng từ bức xạ. Đầu tiên là sự ion hóa :

Sau quá trình này, một số phản ứng có thể xảy ra. Một là, cặp ion có thể tái hợp lại để trở thành một phân tử bình thường. Khi đó không có tổn hại nào xảy ra. Hai là, electron có thể gắn vào một phân tử nước trung hòa và tạo ra một loại ion thứ ba :

Ba là, e- có thể được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước và hình thành nên e-eq (gọi là tương đương electron).

Các ion HOH+ và HOH-- không bền vững lắm và có thể bị tách thành các phần tử nhỏ hơn :

được gọi là các gốc tự do (free radicals). Thời gian hình thành các gốc tự do là vào khoảng . Vậy kết quả của sự xạ phân do bức xạ là sự hình thành các ion và các gốc tự do Tương đương electron e-eq cũng có tác dụng như một gốc tự do. Do đó được gọi chung là các gốc tự do sơ cấp.

Các ion có thể tái hợp mà không gây tổn hại sinh học nào. Các loại ion này cũng thường xuất hiện trong nước. Ví dụ khi hòa muối vào nước. Ngay cả khi không bị chiếu xạ, trong nước cũng có các ion .

Các gốc tự do là những phân tử trung hòa có một electron không ghép cặp ở vỏ ngoài cùng. Do đó chúng có hoạt tính hóa học rất mạnh. Chúng cũng không bền, thời gian sống vào khoảng . Tuy nhiên trong khoảng thời gian ấy, nó có thể khuếch tán và gây tương tác tại một vị trí cách nơi hình thành khoảng một vài nanomnet. Các gốc tự do tương tác với các phân tử khác theo phản ứng oxy hóa-khử. Chúng có thể công phá phân tử ADN, bẻ gãy các liên kết của phân tử đó và do đó gây ra một tổn thương điểm ở một nơi xa điểm hình thành gốc tự do.

Các gốc tự do cũng có thể tạo ra hydrogen peroxide, rất độc đối với tế bào. Hydrogen peroxide có thể được hình thành bằng nhiều cách. Với bức xạ có LET cao, do mật độ gốc tự do cao, hai gốc tự do có thể kết hợp lại để hình thành .