Radyasyon iki kategoride sınıflandırılabilir - İyonize olmayan radyasyon - İyonize radyasyon
excitation and ionization particle İyonize olmayan radyasyon excitation ionization Yaymakta olduğu düşük enerji ile eksitasyona sebep olur ve dış kabuk elektronlarından birine yeterli düzeyde bir kinetik enerji aktarır. İyonize radyasyon Bir elektronun atom veya molekülden ayrılmasına ve dolayısıyla iyonların oluşmasına sebep olur. Elektron, proton, ağır iyonlar, alfa ve beta gibi yüklü partiküller direkt olarak iyonize edicidir. Çünkü bu partiküller doğrudan atomik elektronlarla interaksiyona girerler ve kinetik enerjilerinin büyük bir kısmını transfer ederler. Fotonlarla (x ışınları, ışınları) karşılaştırıldığında nötronlar yüksüzdürler ve bundan dolayı daha fazla giricidirler. -ray - ray
İyonizasyon; serbest radikalleri, iyon radikalleri ve iyonları üretir. Oluşan bu ürünler oldukça reaktif ve biyolojik materyalde hasar oluşturabilecek yapıdadırlar. Saniye 10-18 10-16 10-14 10-12 10-6 İyon oluşumu H2O + ve e- Eksitasyon, H ve OH radikal oluşumu İyon radikal yarı ömrü Serbest radikal yarı ömrü Enerjinin absorblanması Fiziksel etkiler Kimyasal lezyonar Dakika-Saat Saat-Gün Gün-Yıl 10 0 10 6 Bağların kırılması Kimyasal ve enzimatik onarım prosesleri Erken biyolojik etki Geç biyolojik etki Kimyasal onarım Enzimatik onarımı Hücresel etkiler Doku etkileri Sistematik etkiler
Radyasyonun doğrudan ve dolaylı interaksiyonu İyonize edici radyasyon biyolojik hedeflerle doğrudan ya da dolaylı olarak interaksiyona girebilir. Biyolojik bir hedefte (DNA) iyon çiftleri ve serbest radikaller oluşturarak hasar meydana getirirse doğrudan etki olur. Su iyonize edilirse, yayılan serbest radikaller hedef molekülde hasara sebep olabilir. Bu da dolaylı etki olur.
İyonizan radyasyondan dolayı oluşan fiziksel ve biyolojik cevaplar.. İyonizan radyasyon, direkt olarak moleküler hedefte hasar oluşturmasıyla ya da dolaylı olarak suyun iyonlaşmasıyla meydana gelen serbest radikallerle moleküler hedefin (DNA) etkileşimi sonucu hasara sebep olur. Fiziksel adımlar; enerji absorblanması ve serbest radikal formlarının oluşumu 10-5 ve 10-17 saniyeler arasında gerçekleşir. Ancak fiziksel hasarın biyolojik anlatımı ise dakika mertebesinden on yıllar mertebesine kadar uzanır.
Reaktif Oksijen Türleri (ROS) Hücredeki temel komponent H 2 O olduğundan en yaygın iyonizasyon suyun radyolizidir, bunun sonucunda reaktif oksijen türleri (ROS) oluşur. ROS oluşumu: H. - azalması; OH. oksidasyon olması; HO 2. (OH. + OH. ); H 2 O 2, O 2 ye e- bağlanması O 2 -. oluşumları. Net etki, hücresel yapıların oksidasyonu sonucu çıkar X-ışınlarına maruz kalan DNA hasarının yaklaşık % 60 ı üretilen ROS lardan kaynaklanır. Radyasyonun indirekt etkisinin yaklaşık % 75 i ise hidroksil (OH. ) radikallerinden dolayıdır.
Serbest OH. radikalleri, organik radikalleri üretir. Eklenme R + OH.. ROH Hidrojen çıkartma RH + OH. R. + H 2 O Elektron transferi R - + OH.. R. + OH -
Serbest radikaller ve radikal temizleyici (scavenger) materyaller İyonizan radyasyonların biyolojik etkileri çoğunlukla serbest radikaller tarafından belirlenir. Serbest radikaller hücresel solunumu da içerecek şekilde birçok biyolojik proseste rol alır. Serbest radikallere karşın korunma; Serbest radikal yakalayıcılar ile olur. Anti-oksidanlar örneğin superoksit dismütaz ve katalaz Serbest radikal yakalayıcılar radyasyondan normal dokuyu korur. Örn. Amifostine (Ethyol)
Serbest radikallerle oksijen interaksiyonu H radikallerini bağlayarak hidrojen peroksiti oluşturur. H. + O 2 HO 2. (+HO 2. ) H 2 O 2 (+O 2 ) Elektronları bağlayarak süperoksiti verir. e - + O 2 O 2 - + (H 2 O) HO 2. + OH - Organik radikalleri bağlayarak peroksitleri oluşturur. R. + O 2 RO. 2 (radikal peroksit) RO. 2 + R H ROOH + R (hidroperoksit) RO. 2 + R ROOR (peroksit) Oksijen DNA da radikal lezyonlarını fikse ederek bu formda kolayca onarım sağlar.
Radyasyon Kalitesi ve Biyolojik Etki
LET Biyolojik hedefin büyüklüğüne ilişkin iyon kümelerenin ayırımı Düşük LET radyasyonu gamma rays deep therapy X-rays soft X-rays alpha-particle Yüksek LET radyasyonu
DNA radyasyona başlıca hücresel hedef olmakla beraber tek hedef değildir. Hücre sitoplazmasının radyasyona maruz bırakılması ile hücre genelde ölmez ancak nukleus maruz bırakılırsa ölüm gerçekleşir. Hücrelerle birleşmiş trityumlu timidin hücreleri öldürür. Radyasyon sonucu kromozomal anormallikler ile karsinogenez ve hücre ölümü arasında ilişkiler tespit edilmiştir.
Mitotik ölüm
DNA daki lezyonlar hücre ölümüne sebep olur ve radyasyon maruziyetinden sonra karsinogenez fazladır. Lezyon büyüklüğü yaklaşık 15-20 nukleotid OH. e aqu OH. e aqu OH. e aqu OH. e aquv OH. e aqu OH. e aqu OH. e aqu OH OH. e. e aqu OH. e aqu aqu OH. eoh. e aqu aqu OH. e aqu Spur 4 nm çap 3 iyon çifti 100 ev enerji 95% enerji depozisyon olayları Blob 7 nm çap 12 iyon çifti
Çift iplik kırığı 30/ CELL / GRAY İplik içinde çapraz bağlar 0.5 / CELL / GRAY İplikler arası çapraz bağlar * Tek iplik kırığı 1000 / CELL / GRAY Baz değişimi (eg C - U) Baz kaybı 1000 / CELL / GRAY Baz modifikasyonu (örn. thymine/cytosine glycol) DNA-PROTEIN Çapraz bağı 1 / CELL / GRAY Şeker hasarı (hidrojen atom kaybı)
Bütün iyonizasyon olayları letal değildir. 2 Gy (SF 2Gy ) için hücre fraksiyonlarının yaşaması yaklaşık olarak 0.5 tir.
Letal lezyon nedir?
X- ya da -radyasyonu aralıklı iyonize ederse; çoğunlukla onarılabilir. 4 nm Onarılabilir subletal hasar 2 nm
4 nm Ancak büyük çaplı çift iplik kırıkları çoklu hasar bölgeleriyle letal lezyonları oluşturabilir ve bu hasarlar onarılamaz. Onarılamayan çoklu hasar bölgesi 2 nm
Yüksek dozda, izler arası onarılabilen subletal hasar onarılmayan formu biriktirebilir
DNA hasarları Gama ışını Gama ışını Tek İplik Kırığı Çift İplik Kırığı
1) Tek iplik kırığı oluşturmak için 2) Çift iplik kırığı oluşturmak için Verilmesi gereken enerjinin miktarı en az ne kadar olmalıdır?
Kırılma olasılığı DNA Hasarı Nikjoo ve ark. 125 I in oluşturduğu iplik kırıkları verisine dayanarak tek ve çift iplik kırıklarının oluşma ihtimalin hesaplamıştır. Tek iplik kırığı için minimum enerji ~20 ev olarak hesaplanmıştır. Çift iplik kırığı için minimum enerji ~50 ev olarak hesaplanmıştır. 2 1 0 SSB DSB 100 200 200 300 400 energy in DNA / ev Re-drawn from; Nikjoo, Charlton, Goodhead, 1994
Biyolojik etki: Düşük LET li radyasyon Enerjik X-ışınarı ~ 100 ionisations per cell
Biyolojik etki: Düşük LET li radyasyon Enerjik X-ışınarı 1 Gy ~ 1000 tracks per cell ~ 100,000 ionisations per cell
Biyolojik etki: Yüksek LET li radyasyon -partikülü 1 Gy ~ 3-4 tracks per cell ~ 100,000 ionisations per cell
Radyasyon doz etkisi -partikülü 50 iyonizasyon/çekirdek Janice Brock University RPO -partikülü 12,500 iyonizasyon/çekirdek
Potansiyel kromozom hasarı Janice Brock University RPO
Biyomoleküllerin radyasyon hasarı İyonizan radyasyonlar bağları kırarak biyomolekülleri (DNA dahil) hasara uğratır Bağ-kırıkları aşağıdaki iki sebepten oluşmaktadır: - Doğrudan, biyomolekülün doğrudan iyonizasyonuyla - Dolaylı, suyun iyonizasyonu sonucu reaktif radikallerin formasyonu hasara uğratması ile
Radyasyonla biyomüleküller hasara uğrar İyonize radyasyon bütün biyomoleküllerde benzer şekilde hasar meydana getirir. Canlı dokulardaki en hassas biyomolekülün DNA olduğu artık çok iyi bilinmektedir. Sonuç olarak, gözlemlenebilen tüm makroskobik biyolojik etkilere esas olarak sebep olan DNA da oluşan hasardır.
Biyomoleküllerin radyasyon hasarı Aynı dozda tüm iyonize edici radyasyonlar tarafından oluşturulan iyonizasyonun kalitesi ve sayısı aynıdır Ancak, iyonizan radyasyonun etkisi kritik bir şekilde hem radyasyonun tipine (foton veya partiküler) hem de enerjisine bağlıdır Dolayısıyla bu farklar sadece farklı kalite ve tipteki radyasyonların meydana getirdiği iyonizasyondan kaynaklanmaktadır.
Sağ kalım fraksiyonu Biyolojik etki: radyasyon kalitesi 10 1 10 0 10-1 V79 hücreleri enerjik X-ışınları 10-2 0.28 kev C K X-ışınları 10-3 1.5 kev Al K X-ışınları Prise, Folkard & Michael, 1989 Goodhead and Nikjoo, 1989 10-4 dose / Gy 0 4 8 12
Biyolojik etki Biyolojik etkiyi belirleyen başlıca faktör iyonizasyon yoğunluğudur. - Enerjik X-ışınları aralıklı iyonize edicidir - -partikülü ve düşük enerjili X-ışınları yoğun iyonize edicidirler Genel olarak, yoğun iyonize edici radyasyonlar aralıklı iyonize edici radyasyonlardan daha etkilidirler
Radyasyonla biyomoleküllerin hasarı onarım hatalı onarım onarım olmaz canlı hücre mutasyon kanser Hücre ölümü
Radyasyon hasarının Biyofiziksel Modelleri - Hücre ve radyasyon iz yapısının gelimiş bir matematiksel modeli 2 mm 200 nm 20 nm 2 nm
Radyasyon hasarının biyofiziksel modeli Enerjik X-ışınları e - 200 nm Breckow & Kellerer, 1990
Radyasyon hasarının biyofiziksel modeli 1.5 kev Al K X-ışınları e - 1.5 kev X-ışını e - 20 nm Nikjoo, Goodhead, Charlton, Paretzke, 1989
Radyasyon hasarının biyofiziksel modeli 0.28 kev C K X-ışını e - 2 nm 0.28 ev X-ışını Nikjoo, Goodhead, Charlton, Paretzke, 1989
Radyasyon hasarının biyofiziksel modeli - partikülü e - -partikülü 2 nm
DNA Hasarı Tek iplik kırığı
DNA Hasarı e - çift iplik kırığı
DNA Hasarı Kompleks hasar Locally multiply damaged sites (LMDS)
DNA Hasarı İz-yapı modelleri, DNA nın sarmal yapısı ile ilişkili olan iyonizasyonların şeklini haritalamaktadır. Bir sonraki önemli adım ise DNA sarmalında oluşan kırıkların yapısını haritalamasını yapmaktır Bunun için iyonizasyon boyunca aktarılan enerjinin miktarı ve iplik kırıkları için ihtiyaç duyulan enerjinin miktarlarını bilmek gerekmektedir.
DNA hasarının ölçümü Plasmid DNA kullanımı (bakteriden izole edilen dairesel çift iplik DNA molekülleri,) i.e. pbr322 (4363 baz-çifti) Tek-iplik kırığı Hasar görmemiş DNA Çift-iplik kırığı Gevşek yapı doğrusal
DNA hasarının ölçümü Bu formlar jel-elektroforez yöntemi ile kolayca ayrılabilir. gevşek durum doğrusal sarmal