Bài giảng Lý sinh y học - Hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hoá

1HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HOÁ Nguyễn Xuân Hoà Bộ môn Lý sinh Y học Đại học Y khoa Thái Nguyên 2I. Bức xạ ion hóa và các đơn vị đo 1. Bức xạ ion hóa để chỉ các tia sóng hay hạt có một đặc tính chung là khi tương tác với mô trường vật chất mà nó truyền qua, gây hiện tượng ion hóa và kích thích các nguyên tử và phân tử của môi trường, trong đó hiện tượng ion hóa chiếm ưu thế.  Bức xạ ion hóa bao gồm: - Bức xạ điện từ: tia X, tia gamma. - Bức xạ hạt: alpha, bêta, proton, nơtron, hạt nặng tích điện. 32. Các đơn vị đo: Liều chiếu: là đại lượng đo của bức xạ dựa vào khả năng ion hóa của bức xạ.  Đơn vị đo liều chiếu là R (Roentgen). Liều hấp thụ: là năng lượng mà bức xạ nhường cho một đơn vị khối lượng chất hấp thụ tại thời điểm khảo sát.  Đơn vị đo liều liều hấp thụ là Rad (Radiation absorbed dose) Liều hiệu ứng sinh học (liều tương đương): với cùng một năng lượng hấp thụ như nhau (liều hấp thụ như nhau) các tia khác nhau gây ra HưSH khác nhau VD: 1Rad tia alpha gây HUSH gấp 10-20 lần so với 1Rad tia X hoặc gamma.  Đơn vị đo liều hiệu ứng sinh học là Rem (Roentgen equivalent man) Đối với từng loại tia khác nhau để tính liều HUSH cần nhân với trọng số bức xạ WR: Liều HUSH= Liều hấp thụ x WR 4Loại và khoảng năng lượng Trọng số bức xạ  Photon với mọi năng lượng 1  Điện tử với mọi năng lượng 1  Neutrons: E < 10 KeV 5 10- 100 KeV 10 100 Kev- 2 MeV 20 2 MeV- 20 MeV 10 > 20 MeV 5  Proton > 2MeV 5  Alpha, mảnh phân hạch, 20 hạt nhân nặng 5Đơn vị đặc biệt (SI) Đơn vị quốc tế (IU) Liều chiếu: R C/kg (Culong/kg) Liều hấp thụ: Rad Gy (Gray) Liều tương đương: Rem Sv (Sievert) 1C/kg = 3780 R 1Gy = 100 Rad 1 Sv = 100Rem 6Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá Bức xạ MT vật chất kthích và ion hoá Các phản ứng không sống các ngtử và phtử lý hoá Bức xạ MT vật chất kthích và ion hoá Các phản ứng sống các ngtử và phtử lý hoá Tổn thương quá trình chuyển hoá và chức năng của tế bào Hiệu ứng sinh học 7I. Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống 1. Giai đoạn hoá lý: thời gian 10-13-10-16 giây. a,Tác dụng trực tiếp: khi năng lượng của BX truyền trực tiếp cho các PTSH gây tổn thương PTSH. b,Tác dụng gián tiếp: khi BX gây phân ly nước tạo ra các gốc tự do, các ion, các hợp chất hữu cơ có khả năng gây oxy hoá cao Các sản phẩm này trực tiếp gây tổn thương các PTSH  Tóm tắt các phản ứng xẩy ra như sau: H2O H + + 0H0 H2O + e- H2O - H2O - 0H- + H0 0H0 + 0H0 H202 H0 + 02 H02 8b, Giai đoạn sinh học: nhiều giây đến nhiều năm sau chiếu xạ. Nếu những tổn thương hóa sinh ở giai đoạn trên không được hồi phục dẫn đến các tổn thương hình thái và chức năng của tế bào. Kết quả cuối cùng là các hiệu ứng sinh học. 9Chiếu bức xạ ion hoá Tác dụng trực tiếp Tác dụng gián tiếp Giai H2O đoạn O2 hoá lý Các ion, gốc tự do, phân tử bị kích thích Các PTSH quan trọng và các cấu trúc của tế bào Rối loạn chuyển hoá và chức năng tế bào Giai đoạn sinh Hiệu ứng sinh học học 10 II. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ 1. Liều chiếu là yếu tố quan trọng nhất quyết định tính chất và các tổn thương sau chiếu xạ. Liều càng lớn, tổn thương càng nặng và xuất hiện càng sớm. 2. Suất liều chiếu Với cùng một liều hấp thụ như nhau, thời gian chiếu kéo dài sẽ làm giảm hiệu ứng sinh học của bức xạ. 3. Diện tích chiếu Mức độ tổn thương sau chiếu xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào diện tích chiếu, chiếu một phần (chiếu cục bộ) hay toàn bộ cơ thể. Liều 6 Gy chỉ làm đỏ da nếu chiếu cục bộ ở người, nhưng là liều LD 50/30. 11 4. HiÖu øng nhiÖt ®é Gi¶m nhiÖt ®é sÏ lµm gi¶m t¸c dông cña bøc x¹ ion ho¸. 5. HiÖu øng «xy §é nh¹y c¶m phãng x¹ cña sinh vËt t¨ng theo nång ®é «xy, gi¶m khi «xy gi¶m. Khi t¨ng nång ®é «xy, lîng HO2, H2O2 t¹o ra cµng nhiÒu lµm t¨ng sè c¸c PTSH bÞ tæn th¬ng do chiÕu x¹. 6. Hµm lîng níc Hµm lîng níc cµng lín th× c¸c gèc tù do ®îc t¹o ra cµng nhiÒu, sè c¸c gèc tù do t¸c ®éng lªn ph©n tö sinh häc cµng t¨ng do ®ã HUSH còng t¨ng lªn. 7. C¸c chÊt b¶o vÖ: Mét sè chÊt khi ®a vµo c¬ thÓ bÞ chiÕu cã t¸c dông lµm gi¶m hiÖu øng cña bøc x¹ ion ho¸: thiourª, cystein, MEA (mercaptoethylamin), mét sè chÊt cã nguån gèc tõ ®éng, thùc vËt 12 Một số giả thuyết giải thích cơ chế:  Các chất bảo vệ làm giảm áp suất ôxy có trong tế bào và mô.  Tái hợp các gốc tự do tạo nên do chiếu xạ.  Gắn tạm thời với các phân tử sinh học những phức hợp tránh được tác dụng của bức xạ.  Làm mất độc tố của các sản phẩm tạo ra sau chiếu xạ... 13 Các chất bảo vệ vẫn chưa được sử dụng rộng rãi vì:  Độc cho cơ thể ở nồng độ cần thiết cho cơ chế bảo vệ.  Chỉ phát huy tác dụng trong chiếu xạ cấp mà không có hiệu quả trong chiếu xạ trường diễn.  Thường tập trung đặc hiệu ở một số cơ quan. Học viên quân y 103: * Thuốc bảo vệ phóng xạ: bột Phylamin, bột Spirulina (từ tảo), Cao quy bản. * Chế phẩm triết xuất từ hà thủ ô đỏ giúp sức tăng sức đề kháng, giảm tác dụng phụ sau chiếu * Thuốc thải xạ: B76 (bột xoan trà), Natri Anginat. 14 III. C¸c tæn th¬ng do phãng x¹ 1. Tæn th¬ng ë møc ph©n tö §Æc ®iÓm cña c¸c ph©n tö sinh häc (PTSH) lµ c¸c ph©n tö lín (®¹i ph©n tö) thêng cã rÊt nhiÒu mèi liªn kÕt ho¸ häc VD: 1 PTSH cã träng lîng ph©n tö lµ 100.000 cã thÓ cã 10.000 mèi liªn kÕt ho¸ häc). Khi chiÕu x¹, n¨ng lîng cña chïm tia truyÒn trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp cho c¸c PTSH cã thÓ lµm:  MÊt thuéc tÝnh sinh häc  Ph¸ vì mét sè lîng nhÊt ®Þnh c¸c mèi liªn kÕt ho¸ häc  Ph©n li c¸c ph©n tö sinh häc. 15 2. Các tổn thương phóng xạ lên tế bào:  Tế bào chết do tổn thương nặng ở nhân và nguyên sinh chất.  Tế bào không chết nhưng không phân chia được.  Tế bào không phân chia được nhưng số nhiễm sắc thể vẫn tăng lên gấp đôi và trở thành tế bào khổng lồ.  Tế bào vẫn phân chia thành hai tế bào mới nhưng có sự rối loạn trong cơ chế di truyền. 16 24 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 13 ADN thay ®æi pD  a D 3)TÕ bµo sèng nh­ng §B H/­ ngÉu nhiªn 1)§B ®­îc phôc håi Ho¹i tö TÕ bµo sèng 2)Ho¹i tö 17 23 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 14 §ét biÕn ®­îc phôc håi TÕ bµo sèng sãt Khi bÞ chiÕu víi liÒu thÊp, kh¶ n¨ng I cã thÓ x¶y ra 18 24 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 17 TÕ bµo bÞ huû diÖt (Ho¹i tö) TÕ bµo chÕt Kh¶ n¨ng thø II cã thÓ x¶y ra: TÕ bµo chÕt 19 23 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 19 TÕ bµo sèng nh­ng ®· ®ét biÕn C¸c hiÖu øng ngÉu nhiªn Kh¶ n¨ng thø III cã thÓ lµ: tÕ bµo sèng sãt nh­ng ®· bÞ ®ét biÕn 20 24 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 18 TÕ bµo chÕt/ho¹i tö  Nh÷ng hiÖu øng tÊt ®Þnh: báng, tæn th­¬ng tæ chøc, tö vong LiÒu cÊp X¸c suÊt > ~1000 mSv 100% 21 Độ nhạy cảm của tế bào đối với bức xạ  Trên cùng một cơ thể, các tế bào khác nhau có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau. Độ nhạy cảm của tế bào thường không cố định mà thay đổi tuỳ thuộc vào rất nhiều yếu tố.  Định luật Bergonie và Tribondeau: “ Độ nhạy cảm của tế bào trước bức xạ tỉ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỉ lệ nghịch với mức độ biệt hoá của chúng’’. (1902)  Như vậy những tế bào non đang trưởng thành (tế bào phôi), tế bào sinh sản nhanh, dễ phân chia ( tế bào của cơ quan tạo máu, niêm mạc ruột, tinh hoàn, buồng trứng,... ) thường có độ nhạy cảm phóng xạ cao. Tế bào ung thư có khả năng sinh sản mạnh, tính biệt hoá kém nên cũng nhạy cảm cao hơn so với tế bào lành xung quanh. 22 Xếp loại tế bào theo thứ tự độ nhạy cảm trước bức xạ giảm dần: 1. Tế bào lympho 2. Hồng cầu non, bạch cầu hạt 3. Tuỷ bào 4. Liên bào 5. - Tế bào nền của tinh hoàn 6. - Tế bào nền của ruột non 7. - Tế bào nền của buồng trứng 8. - Tế bào nền của da 9. - Tế bào nền của các tuyến 10. - Tế bào phế nang và tế bào dẫn mật 11. Nội bào 12. Tế bào của tổ chức liên kết 13. Tế bào ống thận 14. Tế bào xương 15. Tế bào thần kinh 16. 10.Tế bào não 17. Tế bào cơ 23 3. Biểu hiện của các hiệu ứng sinh học do tác dụng của bức xạ Tổn thương do bức xạ lên cơ thể được thể hiện ở hai hiệu ứng sinh học chính: hiệu ứng tất định (xác định) và hiệu ứng ngẫu nhiên (xác suất).  1. Hiệu ứng xác tất định : xảy ra khi cơ thể bị chiếu xạ liều cao trên một diện tích rộng hoặc chiếu toàn thân. Hiệu ứng này được đặc trưng bằng một liều ngưỡng (Threshold dose), nghĩa là dưới liều đó hiệu ứng này không xuất hiện, giai đoạn ẩn ngắn và mức độ tổn thương phụ thuộc vào liều chiếu. 24 3. NHƯNG HIỆU ỨNG BỨC XẠ ĐẶC TRƯNG ĐỐI VỚI CƠ THỂ SỐNG Liều (mSv) Khả năng xảy ra >103 Mức chắc chắn (100%) Dịch tễ Lâm sàng Ngẫu nhiên (xác suất) Tất định Sinh học 25  0,1 Gy: Không có dấu hiệu tổn thương trên lâm sàng. Tăng sai lạc nhiễm sắc thể có thể phát hiện được.  1 Gy: Xuất hiện bệnh nhiễm xạ trong số 5-7% cá thể sau chiếu xạ.  2-3 Gy: Rụng lông, tóc, đục thuỷ tinh thể, giảm bạch cầu, xuất hiện ban đỏ trên da. Bệnh nhiễm xạ gặp ở hầu hết các đối tượng bị chiếu. Tử vong 10-30% số cá thể sau chiếu xạ.  3-5 Gy: Giảm bạch cầu nghiêm trọng, ban xuất huyết, xuất huyết, nhiễm khuẩn, rụng lông, tóc. Tử vong 50% số các thể sau chiếu xạ.  6 Gy: Vô sinh lâu dài ở cả nam và nữ. Tử vong trờn 50% số cá thể bị chiếu, thậm trí cả những trường hợp được điều trị tốt nhất. 26 Biểu hiện của các tổn thương trên một số cơ quan:  Máu và cơ quan tạo máu: Mô lympho và tuỷ xương là những tổ chức nhạy cảm cao với bức xạ. Biểu hiện lâm sàng là các triệu chứng xuất huyết, phù nề, thiếu máu. Trong xét nghiệm máu, số lượng lympho giảm sớm nhất, sau đó là bạch cầu hạt, tiểu cầu và hồng cầu. Xét nghiệm tuỷ xương thấy giảm sinh sản cả 3 dòng, sớm nhất là dòng hồng cầu.  Hệ tiêu hoá: Chiếu xạ liều cao làm tổn thương niêm mạc ống vị tràng có thể gây rối loạn tiết dịch, xuất huyết, loét, thủng ruột với các triệu chứng như ỉa chảy, sút cân, nhiễm độc máu, giảm sức đề kháng của cơ thể. Những thay đổi trong hệ thống tiêu hoá thường quyết định hậu quả của bệnh phóng xạ. 27  Phổi: Pha sớm :ho, khó thở, sốt. Trên phim chụp Xquang có biểu hiện viêm phổi. Pha muộn:phổi bị xơ hóa.  Bàng quang: với các triệu chứng: đái nhiều lần, đái khó. Soi bàng quang thái có dấu hiệu giông như viêm bàng quang cấp tính.  Da: Sau chiếu xạ liều cao thường thấy xuất hiện các ban đỏ trên da, bong da, viêm da, xạm da. Các tổn thương này có thể dẫn tới viêm loét, thoái hoá, hoại tử hoặc phát triển các khối u ác tính ở da.  Cơ quan sinh dục: Các tuyến sinh dục có độ nhạy cảm cao với bức xạ. Liều chiếu 1Gy lên cơ quan sinh dục nam có thể gây vô sinh tạm thời, liều 6 Gy gây vô sinh lâu dài ở cả nam và nữ.  Phôi thai: Những bất thường có thể xuất hiện trong quá trình phát triển phôi và thai nhi khi người mẹ bị chiếu xạ trong thời gian mang thai, đặc biệt trong giai đoạn đầu. Các tổn thương có thể là: sẩy thai, thai chết lưu, quái thai, hoặc sinh ra những đứa trẻ bị dị tật bẩm sinh. 28 29 2. Hiệu ứng ngẫu nhiên: Có thể có hoặc không xuất hiện ở cá thể bị chiếu xạ, thường thấy ở các mức liều thấp, không có ngưỡng liều chiếu và sau chiếu xạ một thời gian dài. Hai hiệu ứng điển hình là: 2.1 Hiệu ứng gây ung thư  Bệnh ung thư do chiếu xạ thường có giai đoạn tiềm tàng có thể kéo dài 2- 40 năm, bệnh máu trắng (leukemia) xuất hiện sớm 2 - 10 năm).  Không có bệnh ung thư duy nhất do bức xạ. Bức xạ gây ra các bệnh ung thư như xẩy ra trong tự nhiên như với tần suất cao hơn  Tần suất xuất hiện bệnh ung thư tăng với liều chiếu.  Càng trẻ bị chiếu thì nguy cơ tạo khối u càng cao.  Nguy cơ bị ung thư ở phụ nữ cao hơn nam giới 20%.  Các bệnh ung thường gặp là ung thư máu, ung thư xương, ung thư da, ung thư phổi. 30 23 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 21 Quan ®iÓm chung vÒ ung th­ do chiÕu x¹ ChiÕu x¹ lµm biÕn ®æi ADN Söa ch÷a sai lÖch trong ADN kh«ng thùc hiÖn ®­îc TÕ bµo sèng sãt nh­ng nhiÔm mÇm g©y ung th­ KÝch thÝch sinh khèi u ChuyÓn thÓ (sang ¸c tÝnh) Di c¨n nh÷ng khèi ¸c tÝnh 31 23 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 23 (DNA REPAIR OR CELL DEATH) ADN phục hồi hoặc tế bào chết Đột biến (trong gen chống ung thư) Không có quá trình phục hồi Ung thư Ung thư không xảy ra 32 23 October, 2006 IRPA11: Sievert Lecture 22 MÇm g©y ung th­ Nh÷ng ®ét biÕn liªn quan ®Õn ung th­ cã thÓ x¶y ra ë:  gene chèng ung th­  gene chÊn ¸p khèi u ph¸t triÓn  gene thùc hiÖn chøc n¨ng kh«i phôc tÕ bµo vµ  gene lo¹i trõ tÕ bµo chÕt. 33 2.2.Các bệnh di truyền Khi các tế bào sinh sản bị chiếu xạ. Các nghiên cứu dịch tễ dựa trên các thế hệ con cháu của những người sống sót sau vụ nổ bom nguyên tử ở: - Hiroshima, Nagasaki. - India nơi có mức phông tự nhiên cao. - Các nhà vật lý phóng xạ. Biểu hiện của các bệnh di truyền: biến chứng khi mang thai, chết khi sinh, biến dị NST giới tính, , biến đổi điện di củ protein máu. 34 3. PHÁT TRIỂN CỦA PHÔI VÀ BÀO THAI TRƯỚC SINH THỜI GIAN HIỆU ỨNG  LÀM TỔ PHỤI THỤ TINH 1-3 NGÀY CHẾT PHÔI THAI  HÌNH THÀNH 2-8 TUẦN DỊ DẠNG CƠ QUAN CƠ QUAN  BÀO THAI 8 TUẦN-SINH CHẬM PHÁT TRIỂN 8-15 TUẦN CHẬM PHÁT TRIỂN TRÍ TUỆ LIỀU NGƯỠNG VÀ HIỆU ỨNG BỨC XẠ LÊN PHỤI VÀ BÀO THAI HIỆU ỨNG LIỀU NGƯỠNG  CHẾT PHÔI THAI 0,1 GY  DỊ DẠNG 0,1 GY  CHẬM PHÁT TRIỂN TRÍ TUỆ 0,12 GY 35 Các hiệu ứng đối với bào thai 36 Nh÷ng rñi ro do hiÖu øng chiÕu x¹ ®èi víi søc khoÎ lµ: ~100% trêng hîp ph¶i chÞu tæn th¬ng khi liÒu chiÕu >1000mSv  ~ 0.05 %/mSv cã hiÖu øng ®èi víi bµo thai  ~ 0.005 %/mSv ®èi víi ung th  ~ 0.0005 %/mSv ®èi víi hiÖu øng di truyÒn. 37 Thank you for your attention