Względna skuteczność biologiczna - Relative biological effectiveness


W radiobiologią The względna skuteczność biologiczna (w skrócie jako RBE ) jest stosunek skuteczności biologicznej jednego rodzaju promieniowania jonizującego, w stosunku do drugiego, przy takiej samej ilości zaabsorbowanej energii . RBE jest wartością empiryczną, która zmienia się w zależności od rodzaju promieniowania jonizującego, zaangażowanych energii, rozważanych skutków biologicznych, takich jak śmierć komórki i napięcie tlenu w tkankach lub tak zwany efekt tlenu .

Podanie

Zaabsorbowana dawka może być słabym wskaźnikiem efektu biologicznego promieniowania, a efekt biologiczny może zależeć od wielu czynników, w tym od rodzaju promieniowania energią i typu tkanki. Względna skuteczność biologiczna może pomóc w lepszym pomiarze biologicznych skutków promieniowania. Względną biologiczną skuteczność promieniowania typu R na tkankę definiuje się jako stosunek

gdzie D X jest referencyjną pochłoniętą dawką promieniowania standardowego typu X , a D R jest pochłoniętą dawką promieniowania typu R, która powoduje taką samą wielkość biologicznych uszkodzeń. Obie dawki określa się ilościowo na podstawie ilości energii zaabsorbowanej przez komórki.

Różne rodzaje promieniowania mają różną skuteczność biologiczną, głównie dlatego, że w różny sposób przekazują swoją energię do tkanki. Fotony i cząstki beta mają niski współczynnik liniowego przenoszenia energii (LET), co oznacza, że ​​jonizują atomy w tkance, które są oddalone od siebie o kilkaset nanometrów (kilkadziesiąt części mikrometra ) na swojej drodze. W przeciwieństwie do tego, znacznie masywniejsze cząstki alfa i neutrony pozostawiają po sobie gęstszy ślad zjonizowanych atomów, oddalonych od siebie o około jedną dziesiątą nanometra (tj. Mniej niż jedna tysięczna typowej odległości między jonizacjami fotonów i cząstek beta) .

RBE można stosować zarówno w przypadku raka / ryzyka dziedzicznego ( stochastyczne ), jak i w przypadku szkodliwych reakcji tkankowych ( deterministyczne ). Tkanki mają różne RBE w zależności od rodzaju efektu. W przypadku promieniowania o wysokim LET (tj. Alfa i neutronów) wartości RBE dla efektów deterministycznych są zwykle niższe niż dla efektów stochastycznych.

Pojęcie RBE ma znaczenie w medycynie, np. W radiologii i radioterapii , oraz w ocenie ryzyka i konsekwencji skażenia radioaktywnego w różnych kontekstach, takich jak eksploatacja elektrowni jądrowej , usuwanie i przeróbka paliwa jądrowego, broń jądrowa , wydobycie uranu , bezpieczeństwo promieniowania jonizującego .

Związek ze współczynnikami wagowymi promieniowania (W R )

ICRP Wielkość dawki ochronnej w jednostkach SI

W celu obliczenia równoważnej dawki dla organu lub tkanki Międzynarodowa Komisja ds. Ochrony Radiologicznej (ICRP) określiła standardowy zestaw współczynników wagi promieniowania (W R ), wcześniej nazywany współczynnikiem jakości ( Q) . Współczynniki wagowe promieniowania konwertują dawkę pochłoniętą (mierzoną w jednostkach SI szarości lub radów innych niż SI ) na formalną biologiczną dawkę równoważną dla ekspozycji na promieniowanie (mierzoną w jednostkach siwertów lub rem ). Jednak ICRP stwierdza:

„Ilości dawki równoważnej i dawki skutecznej nie powinny być używane do ilościowego określania wyższych dawek promieniowania lub podejmowania decyzji o potrzebie jakiegokolwiek leczenia związanego z reakcjami tkankowymi [tj. Skutkami deterministycznymi]. W tym celu dawki należy oceniać pod kątem wchłoniętej dawka (na szaro, Gy), a tam, gdzie występuje promieniowanie o wysokim LET (np. neutrony lub cząstki alfa), należy zastosować dawkę pochłoniętą, ważoną odpowiednim RBE "

Współczynniki wagowe promieniowania są w dużej mierze oparte na RBE promieniowania dla stochastycznych zagrożeń dla zdrowia . Jednak dla uproszczenia współczynniki wagowe promieniowania nie zależą od rodzaju tkanki, a wartości są ostrożnie dobrane tak, aby były większe niż większość wartości eksperymentalnych obserwowanych dla najbardziej wrażliwych typów komórek w odniesieniu do zewnętrznych (zewnętrznych względem komórki) ) źródła. Nie opracowano współczynników wagi promieniowania dla wewnętrznych źródeł ciężkich jonów, takich jak jądro odrzutu.

Poniżej podano standardowe wartości ICRP 2007 dotyczące względnej skuteczności. Im wyższy współczynnik wagowy promieniowania dla danego typu promieniowania, tym bardziej jest ono szkodliwe, i jest to uwzględniane w obliczeniach w celu konwersji z jednostek szarości na jednostki siwerta.

Współczynnik wagowy promieniowania dla neutronów był z czasem korygowany i pozostaje kontrowersyjny.
Promieniowanie Energy W R (dawniej Q )
promieniowanie rentgenowskie, promienie gamma, cząstki beta, miony 1
neutrony (<1 MeV) 2,5 + 18,2 E - [ln ( E )] 2 /6
neutrony (1 - 50 MeV) 5,0 + 17,0 E - [ln (2 e )] 2 /6
neutrony (> 50 MeV) 2,5 + 3,25 e - [ln (0,04 e )] 2 /6
protony, naładowane piony 2
cząstki alfa, produkty rozszczepienia jądrowego, ciężkie jądra 20

Nie należy mylić czynników ważenia promieniowania, które przechodzą od energii fizycznej do skutków biologicznych, z czynnikami wagowymi tkanki . Współczynniki wagowe tkanki służą do przeliczenia dawki równoważnej danej tkance w organizmie na dawkę skuteczną , czyli liczbę, która pozwala oszacować całkowite zagrożenie dla całego organizmu w wyniku dawki promieniowania dla części ciała. .

metody eksperymentalne

Wartość graniczna LD-30 dla linii komórkowej CHO-K1 napromieniowanej przez fotony (krzywa niebieska) i jony węgla (krzywa czerwona).

Zazwyczaj ocenę względnej skuteczności biologicznej przeprowadza się na różnych typach żywych komórek hodowanych w pożywce hodowlanej , w tym na komórkach prokariotycznych , takich jak bakterie , prostych komórkach eukariotycznych , takich jak rośliny jednokomórkowe, i zaawansowanych komórkach eukariotycznych pochodzących z organizmów, takich jak szczury . Dawki są dostosowane do punktu LD-30; to znaczy do ilości, która spowoduje, że 30% komórek nie będzie w stanie przejść podziałów mitotycznych (lub w przypadku bakterii rozszczepienia binarnego ), dzięki czemu zostaną skutecznie wysterylizowane - nawet jeśli nadal mogą pełnić inne funkcje komórkowe. LD-50 jest częściej używany, ale ktokolwiek narysował wykres, nie zdawał sobie sprawy, że linia siatki najbliższa połowie między współczynnikami 10 na wykresie logarytmicznym to w rzeczywistości 3, a nie 5. Wartości LD-50 są faktycznie 1 szary dla jonów węgla i 3 odcienie szarości dla fotonów.

Typy R promieniowania jonizującego najczęściej brane pod uwagę w ocenie RBE to promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma (oba składające się z fotonów ), promieniowanie alfa ( jądra helu-4 ), promieniowanie beta ( elektrony i pozytony ), promieniowanie neutronowe i ciężkie jądra , w tym fragmenty rozszczepienia jądrowego . W przypadku niektórych rodzajów promieniowania RBE jest silnie zależne od energii poszczególnych cząstek.

Zależność od rodzaju tkanki

Na początku odkryto, że promienie X, promienie gamma i promieniowanie beta były zasadniczo równoważne dla wszystkich typów komórek. Dlatego też standardowy typ promieniowania X to na ogół wiązka promieniowania rentgenowskiego z fotonami 250  keV lub promieniami gamma kobaltu-60 . W rezultacie względna biologiczna skuteczność promieniowania beta i fotonowego wynosi zasadniczo 1.

W przypadku innych typów promieniowania RBE nie jest dobrze zdefiniowaną wielkością fizyczną, ponieważ różni się nieco w zależności od rodzaju tkanki i dokładnego miejsca absorpcji w komórce. Tak więc, na przykład, RBE dla promieniowania alfa wynosi 2–3 przy pomiarze na bakteriach , 4–6 dla prostych komórek eukariotycznych i 6–8 dla komórek wyższych eukariotów. Według jednego źródła może on być znacznie wyższy (6500 z promieniowaniem rentgenowskim jako odniesieniem) na jajnikach. RBE neutronów wynosi 4–6 dla bakterii, 8–12 dla prostych komórek eukariotycznych i 12–16 dla komórek wyższych eukariotów.

Zależność od lokalizacji źródła

We wczesnych eksperymentach źródła promieniowania znajdowały się poza napromieniowanymi komórkami. Ponieważ jednak cząsteczki alfa nie mogą przejść przez najbardziej zewnętrzną martwą warstwę ludzkiej skóry, mogą wyrządzić znaczne szkody tylko wtedy, gdy pochodzą z rozpadu atomów wewnątrz ciała. Ponieważ zasięg cząstki alfa jest zazwyczaj zbliżony do średnicy pojedynczej komórki eukariotycznej, dokładne położenie emitującego atomu w komórkach tkanki staje się istotne.

Z tego powodu zasugerowano, że wpływ na zdrowie skażenia przez emiterów alfa mógł być znacznie zaniżony. Pomiary RBE ze źródłami zewnętrznymi również pomijają jonizację spowodowaną odrzutem macierzystego jądra z powodu rozpadu alfa. Podczas gdy odrzut macierzystego jądra rozpadającego się atomu zwykle przenosi tylko około 2% energii cząstki alfa, która jest emitowana przez rozpadający się atom, jego zasięg jest niezwykle krótki (około 2-3 angstremów), ze względu na jego wysoki ładunek elektryczny i duża masa . Jądro macierzyste musi cofnąć się po emisji cząstki alfa z dyskretną energią kinetyczną ze względu na zachowanie pędu . Zatem cała energia jonizacji z jądra odrzutu jest osadzana w niezwykle małej objętości w pobliżu jego pierwotnego położenia, zwykle w jądrze komórkowym na chromosomach, które mają powinowactwo do metali ciężkich. Większość badań wykorzystujących źródła zewnętrzne w stosunku do komórki dała RBE między 10 a 20.

Historia

W 1931 roku Failla i Henshaw opisali określenie względnej skuteczności biologicznej (RBE) promieni rentgenowskich i γ. Wydaje się, że jest to pierwsze użycie terminu „RBE”. Autorzy zauważyli, że RBE był zależny od badanego systemu eksperymentalnego. Nieco później zwrócili na to uwagę Zirkle i wsp. (1952), że skuteczność biologiczna zależy od przestrzennego rozkładu przekazanej energii i gęstości jonizacji na jednostkę długości drogi cząstek jonizujących. Zirkle i in. ukuł termin „liniowy transfer energii (LET)”, który ma być używany w radiobiologii w odniesieniu do siły hamowania, tj. strat energii na jednostkę długości ścieżki naładowanej cząstki. Koncepcja została wprowadzona w latach pięćdziesiątych XX wieku, w czasie, gdy rozmieszczenie broni jądrowej i reaktorów jądrowych pobudziło badania nad biologicznymi skutkami sztucznej radioaktywności. Zauważono, że efekty te zależały zarówno od rodzaju i widma energetycznego promieniowania, jak i od rodzaju żywej tkanki. Pierwsze systematyczne eksperymenty w celu określenia RBE zostały przeprowadzone w tej dekadzie.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne