Radiobiology - xạ sinh học

1. Tác động của phóng xạ lên tế bào

Bức xạ ion hoá truyền năng lượng vào vật chất mà nó đi qua, tưởng tượng nó giống như một viên đạn siêu nhỏ. Bức xạ dừng lại cho đến khi nó được hấp thu hết năng lượng bởi vật chất nó xuyên qua. Ngoài ra bức xạ còn phá vỡ các liên kết phân tử trên đường đi của nó và làm thay đổi cấu trúc của vật chất nó truyền qua. Nếu vật liệu là những phân tử dài thì nó sẽ bẽ gãy và tạo thành các liên kết mới một cách ngẫu nhiên. Hay nói cách khác nó giống như ngọn lửa hàn có thể cắt và nối theo những cách khác nhau.

Các tế bào sống thường bao gồm những chuỗi protêin dài và một vài trong những phân tử này có thể bị phá vỡ bởi việc tiếp xúc với bức xạ. Các mảnh phân tử này có thể tái sinh lại thành theo nhiều cách khác nhau để hình thành phân tử mới. Các phân tử mới này không thể hoạt động giống như phân tử ban đầu nên chúng cần được sữa chữa. Mặc khác chúng cũng có thể làm thay đổi quá trình trao đổi chất của tế bào, nếu phân tử khiếm khuyết DNA và có thể dẫn đến hình thành một thế bào ung thư. Điều này lý giải vì sao phơi nhiễm với bức xạ là một nguyên nhân dẫn gây ra ung thư đã được chứng minh.

Mặc dù tất cả các phân tử có thể bị phá hủy bởi bức xạ, các phân tử DNA mang thông tin di truyền liên quan đến sự phân chia và phát triển của tế bào là mục tiêu có thể xảy ra nhất. Bức xạ có thể làm hỏng hoặc thay đổi một phần nhỏ của phân tử DNA (ví dụ: chỉ có một gen); nó có thể phá vỡ một hoặc một vài vị trí trên chuỗi xoắn DNA. Thường những tổn thương này được sửa chữa trong hầu hết các trường hợp, nhưng chết hoặc biến đổi tế bào được quan sát thấy trong một số trường hợp, và chính điều này có thể dẫn đến biến đổi ác tính và gây ung thư. Các tế bào chết thường được loại bỏ. Tuy nhiên, nếu số lượng tế bào chết vượt quá một giới hạn nhất định, chúng sẽ ảnh hưởng đến hoạt động chức năng của sinh vật và có thể giết chết nó.

Bức xạ có thể có tác động trực tiếp và gián tiếp lên các phân tử DNA.

1.1 Tác động trực tiếp của phóng xạ lên phân tử DNA.

Bức xạ ảnh hưởng trực tiếp đến các phân tử DNA trong mô đích. Sự ion hóa trực tiếp các nguyên tử trong phân tử DNA là kết quả của sự hấp thụ năng lượng thông qua hiệu ứng quang điện và tương tác Compton. Nếu năng lượng hấp thụ này đủ để loại bỏ các electron khỏi phân tử, phá vỡ các liên kết, có thể phá vỡ một chuỗi DNA hoặc cả hai chuỗi trong sợi xoắn kép. Một sợi bị hỏng thường có thể được sửa chữa, trong khi hai sợi bị hỏng thường dẫn đến chết tế bào.

Lý giải về phân liều xạ trị thường dùng trong ung thư.

Tác động trực tiếp của bức xạ là làm ion hóa các phân tử trên đường đi của nó. Mặc dù ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ truyền năng lượng tuyến tính (Linear engergy transfer:LET) thấp phần lớn không đáng kể (ví dụ, về mặt thiệt hại DNA), hiệu ứng trực tiếp chiếm ưu thế đối với bức xạ LET cao. LET → mất năng lượng trên mỗi đơn vị chiều dài của đường đi.

Một liều 2 Gy ( Gray) của tia X tương đương với năng lượng 2 J/kg. Vì 1 J/kg bằng 6,25 × 10^18 eV/kg, 2 Gy tương đương với 12,5 × 10^18 eV / kg. Vì năng lượng tối thiểu cần thiết cho quá trình ion hóa là 33 eV, số lượng ion trên mỗi kg được tính bằng cách chia 12,5 × 10^18 eV / kg cho 33 eV, mang lại ~ 4 × 10^17ion / kg. Nếu chúng ta áp dụng hai liều cho toàn bộ cơ thể (chúng ta biết rằng có 9,5 × 10^25 nguyên tử / kg trong cơ thể người), số lượng nguyên tử trong toàn cơ thể bị ion hóa với liều 2 Gy có thể được tính được thấy bằng cách chia các ion / kg cho các nguyên tử / kg. Kết quả là gần 1 × 10^ -8(một phần trăm triệu), điều đó có nghĩa là ảnh hưởng trực tiếp của tia X gây nên tổn hại DNA trong mô là tương đối nhỏ.

Khi DNA tế bào bình thường bị phá hủy bởi bức xạ được cung cấp theo liều thường được sử dụng trong xạ trị (2Gy/ 1 phân liều), chu trình tế bào bị dừng lại bởi protein p53. DNA được sửa chữa; tế bào sau đó lại đi vào chu kỳ tế bào và tiếp tục sinh sôi nảy nở. Nếu DNA không thể được sửa chữa, tế bào sẽ bị apoptosis (chết theo chu trình). Ở liều bức xạ cao, các phân tử có nhiệm vụ trong các cơ chế sửa chữa DNA bị hỏng, do đó không thể sửa chữa, tế bào mất khả năng phân chia và sau đó nó sẽ chết.

Khoảng 1/4 – 1/3 tổn thương được tạo ra trong các đại phân tử của tế bào bởi bức xạ là do tác động trực tiếp của nó. Điều này có nghĩa là hầu hết các tổn thương được gây ra bởi tác động gián tiếp của bức xạ. Tổn thương protein tế bào sau khi chiếu xạ ở liều sinh học có tầm quan trọng tương đối nhỏ.

1.2 Tác động gián tiếp của bức xạ ở mức độ phân tử.

Tác động gián tiếp của bức xạ lên các phân tử bao gồm sự hình thành các gốc tự do bằng cách truyền năng lượng từ bức xạ và gây ra thiệt hại phân tử do sự tương tác của các gốc tự do này với DNA (Hình 2). Hiện tượng này rất có thể là do sự tương tác của bức xạ với các phân tử nước, vì cơ thể con người có khoảng 70% là nước. Các gốc tự do là các nguyên tử trung hòa về điện có chứa các electron tự do (tức là không liên kết). Chúng có khả năng phản ứng và tích điện cao.

Nước (H2O) bị ion hóa khi tiếp xúc với bức xạ và khi H2O → H2O+ + e-, một phân tử nước tích điện dương và một electron tự do được hình thành.

Electron tự do (e-) này tương tác với một phân tử nước khác trong phản ứng e- + H2O+→ H2O-, dẫn đến sự hình thành của một phân tử nước tích điện âm.

Các phân tử nước tích điện này trải qua các phản ứng H2O+→ H+ + OH và H2O- → H + OH-, thu được các ion H+ và OH-. Các gốc tự do H và OH này có thể kết hợp với các gốc tự do khác hoặc với các phân tử khác.

Nếu LET của bức xạ cao (đặc biệt trong trường hợp hạt alpha), các gốc OH-tự do không kết hợp lại với các gốc H+, và do đó chúng không tạo thành H2O. Chúng kết hợp với nhau trong các phản ứng OH-+ OH- → H2O2 và H+ + H+→ H2, tạo thành các phân tử hydro peroxide và khí hydro.

Các gốc tự do hình thành do quá trình thủy phân nước ảnh hưởng đến DNA. Tác động tiêu cực của hydro peroxide đối với dinh dưỡng tế bào có thể được sử dụng làm bằng chứng về tác động gián tiếp của bức xạ.

Tóm lại

Xạ sinh học tìm hiểu về những hiệu ứng xảy ra do sự tác động của bức xạ lên cơ thể sống. Khi bức xạ tiếp xúc với cơ thể sống, tế bào là đơn vị cơ bản bị ảnh hưởng. Tất cả các phân tử trong tế bào đều chịu tác động bởi bức xạ, nhưng quan trọng nhất là phân tử DNA

Tác động trực tiếp:

Bức xạ tác động trực tiếp vào phân tử DNA trong nhân tế bào, làm gãy vỡ cấu trúc phân tử
Sự gãy vỡ phân tử DNA xảy ra là do hiện tượn hấp thu năng lượng thông qua hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Compton
Các dạng tổn thương DNA: Gãy chuỗi đơn ( thường có thể sữa chữa). Gãy chuỗi đôi ( thường không thể sữa chữa và gây chết tế bào).

Tác động gián tiếp:

Thông qua phản ứng giữa các electrong tự do và các gốc tự do (OH. và H.)
Trong cơ thể 70% là phân tử nước nên khi tiếp xúc với tế bào, sẽ chủ yếu xảy ra tác động giữa bức xạ với phân tử nước
Phân tử nước tương tác với bức xạ và sau đó tạo ra các gốc tự do và các electron tự do sẽ tiếp tục tương tác với nhau để tạo ra các sản phẩm như H+ , OH-, gốc tự do OH. Và H.
H+và OH- : là những ion bền vững và nhanh chóng kết hợp lại để tạo thành phân tử H2O.
Các gốc tự do OH. Và H. : ở trạng thái phản ứng mạnh và gây tổn thương cho tế bào