intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Giáo trình Cơ sở Lý Sinh: Cơ sở sinh học bức xạ

Chia sẻ: Light Way | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST
Báo xấu
102
lượt xem 19
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung phần học Cơ sở sinh học bức xạ 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở Lý Sinh: Cơ sở sinh học bức xạ

  1. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Cơ sở sinh học bức xạ 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. bào tương ( ) nhân ( ) 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. n oái b ase Các tế bào có thời gian sống nhất định. Các tế bào khác nhau có thời gian sống khác nhau. v oøn g xo aén keùp 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 Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 1
  2. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ chứa các thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. Thông thường, những tác 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 Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu từ những tương tác vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, đến những quá trình sinh học có thể âm ỷ hàng chục năm. Các quá trình này có mối quan hệ nhân quả, theo một qui luật vừa mang tính chặt chẽ, vừa mang tính thống kê, mà cho đến nay vẫn chưa được nhận thức đầy đủ. Bảng dưới đây tóm tắt các quá trình đó. Bảng 1 Tóm tắt các quá trình xảy ra Trực tiếp Gián tiếp Giai đoạn Năng lượng được hấp thụ trong Năng lượng được hấp thụ trong nước vật lý các phân tử sinh học hay vùng phụ cận (10-16s -10-13s) kích thích / ion hóa kích thích / ion hóa Các gốc tự do sơ cấp (OH•, H•, e- tương đương) và Peroxide Giai đoạn (H2O2) hóa lý Hồi phục (10-13s Các gốc sinh học – 10-2s) (R•, RO•2) Giai đoạn Thay đổi các phân tử sinh học (ADN, màng, v.v..) Hồi phục sinh hóa (giây – giờ) Giai đoạn Biến dị ↔ biến đổi sự trao đổi chất ↔ tổn thương dưới mức tử vong/ sinh học tổn thương gây tử vong (mức dưới tế bào) Hồi phục (giờ - năm) Mức tế bào Hiệu ứng Tổn thương cấp Tế bào bị chết (thấy được) di truyền tính và lâu dài Cơ quan bị chết Trong các quá trình nói trên, quá trình vật lý là được hiểu biết đầy đủ và chi tiết hơn cả. Càng về sau, mức độ phức tạp càng tăng lên và mức độ chính xác của dự đoán càng giảm xuống. Nguyên nhân nằm ở chỗ người ta chưa có những dữ liệu thống kê đầy đủ, cũng như do sự khác biệt rất lớn giữa các cá thể nên không thể thực hiện những phép đo lặp lại được như trong vật lý. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 2
  3. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Sau đây chúng ta sẽ trình bày từng bước một trong chuỗi quá trình đó. Ở mỗi bước, chúng ta sẽ nhấn mạnh các yếu tố có vai trò quan trọng trong việc gây nên tác dụng sinh học. 1. 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. Điều này sẽ được xem xét trong phần tiếp theo. 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 Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 3
  4. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ MeV (trong xạ trị). Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình *) . Tác dụng gián tiếp Tác dụng trực tiếp Như vậy, trong sự hấp thụ năng lượng từ bức xạ ion hóa, viên gạch nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử đã bị phá vỡ. Sự ion hóa và kích thích (chủ yếu trên các phân tử nước) là những bước đầu tiên dẫn đến quá trình công phá các phân tử sinh học, đặc biệt là ADN. Năng lượng hấp thụ từ những tác nhân vật lý không ion hóa khác có thể gây nên sự kích thích phân tử, nhưng nguyên tử vẫn còn nguyên vẹn. Chính sự khác biệt này sẽ giải thích tại sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác. 2. 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 *) Chẳng hạn, có thể ước lượng được rằng một electron có năng lượng 1 MeV có khả năng ion hóa 3,3.104 nguyên tử và kích thích khoảng 106 nguyên tử. Một electron có thể gây nên hàng chục cặp ion khi băng qua tế bào. Một hạt α có thể gây nên hàng chục ngàn cặp ion khi băng qua tế bào. Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào. Một liều toàn thân 2,4 mGy (= 2,4 mJ/kg) gây ra trong cơ thể một người nặng 70 kg khoảng 3,5.1016 cặp ion. Giá trị được chọn trong ví dụ trên là liều trung bình một người nhận được hàng năm do bức xạ tự nhiên. Con số rất lớn cặp ion xuất hiện ở trên cho thấy rằng trong cơ thể người có một cơ chế tự sửa chữa tác hại của bức xạ. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 4
  5. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ 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. a. 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: H2O + γ → HOH+ + e- : một cặp ion 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 H2O + e-- → HOH-- 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 HOH+ → H+ + OH • HOH-- → OH-- + H • OH • và H • được gọi là các gốc tự do (free radicals) . Thời gian hình thành các gốc tự do là vào khoảng 1 μs. Vậy kết quả của sự xạ phân do bức xạ là sự hình thành các ion H+, OH-- và các gốc tự do OH • và H • và e-eq. Tương đương electron e-eq cũng có tác dụng như một gốc tự do. Do đó OH • và H • và e-eq được gọi chung là các gốc tự do sơ cấp. Các ion H+ và OH-- có thể tái hợp mà không gây tổn hại sinh học nào. Các loại ion này cũng thường xuất hiện trong nước. Ví dụ Na+ và Cl-- khi hòa muối vào nước. Ngay cả khi không bị chiếu xạ, trong nước cũng có các ion H+ và OH--. 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 1 μs. 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, H2O2, 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 OH • có thể kết hợp lại để hình thành H2O2. OH • + OH • → H2O2 Hay trong trường hợp có nhiều oxy, hydrogen peroxide được hình thành theo chuỗi sau H • + O2 → HO • 2 Các gốc tự do Hydroperoxyl HO • 2 không bền, có thể kết hợp với nhau hay với H • để tạo thành hydrogen peroxide: Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 5
  6. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ 2 HO•2→ H2O2 + O2 HO•2 + H• → H2O2 H2O2, OH•, H• và e-eq được xem là sản phẩm gây hại chính của quá trình xạ phân, nó là chất độc của tế bào. Hai loại gốc tự do khác cũng có thể hình thành. Một số phân tử hữu cơ khác, ký hiệu RH, có thể trở thành các gốc tự do: RH + γ → RH• → H• + R• Khi có oxy, một loại gốc tự do khác cũng hình thành như sau: R• + O2 → RO2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và hoạt động của các gốc tự do: * Hiệu ứng oxy: càng nhiều oxy thì khả năng hình thành gốc tự do càng cao, đặc biệt việc hình thành các gốc peroxide H2O2, do đó tác dụng sinh học càng lớn (2-3 lần đối với bức xạ có LET bé). * Sự phụ thuộc vào LET: LET càng cao thì mật độ OH• cao, càng nhiều H2O2 hình thành theo OH• + OH• → H2O2, do đó tác hại càng mạnh. Thực nghiệm cho thấy với LET cao, sự hình thành H2O2 không phụ thuộc vào lượng Oxy, do đó hiệu ứng oxy mất tác dụng. Khi LET cao, lượng gốc tự do H• cũng nhiều, làm cho sự tái hợp H• + H• → H2 cũng mạnh theo, do đó hiệu suất hình thành gốc tự do giảm. * Hiệu ứng nhiệt độ: nhiệt độ càng thấp, phạm vi khuếch tán của các gốc tự do càng bé, do đó tác dụng gián tiếp càng bé. * Tác dụng của một số chất hóa học: Một số chất có thể làm tăng hay giảm hoạt động của các gốc tự do (chất bảo vệ phóng xạ và tăng cường phóng xạ). Để có thể phát huy tác dụng, các chất này phải có mặt ngay khi chiếu bức xạ..... c. Tác dụng của các gốc tự do lên ADN Các gốc tự do sẽ khuếch tán ra chung quanh vùng chúng hình thành, tập trung quanh những phân tử nước hay tương tác với các phân tử sinh học và làm thay đổi cấu trúc hóa học của chúng. Thường thì các gốc tự do lấy đi các nguyên tử hidro của các phân tử sinh học, chẳng hạn lấy hidro của cầu nối hidro trong ADN. Các gốc tự do này có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên không thể đi xa được. Do đó chúng chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng ½ đường kính của thớ của nhiễm sắc thể (Chromatin fibrillar). Thời gian sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi có mặt oxy hay các phân tử ái electron. Ngược lại, một số phân tử khác có thể thu hút các gốc này và làm giảm tác dụng sinh học của chúng. Những bức xạ có khả năng ion hóa mạnh như neutron hay hạt nặng mang điện tạo ra trên đường đi của chúng một vệt ion hóa đậm, do đó nếu nó đi băng qua một ADN thì có thể gây nên hiệu ứng trực tiếp, ngay cả khi không có oxy. Chúng cũng có nhiều khả năng gây nên những đứt gãy không hồi phục được trên chuỗi xoắn kép của ADN. Do tác dụng của trực tiếp hay gián tiếp, ADN có thể chịu các tổn thương sau: – Đứt một nhánh – Đứt hai nhánh Đối với bức xạ có LET bé, tỉ lệ giữa tổn thương 1 nhánh và hai nhánh là 20:1. Số lượng đứt một nhánh tăng tỉ lệ bình phương liều hấp thụ: ~ D2 Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 6
  7. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Số lượng đứt hai nhánh tăng tỉ lệ liều hấp thụ: ~ D. Cho đến nay người ta thấy việc đứt một nhánh và hai nhánh chỉ do bức xạ ion hóa gây nên, còn tia tử ngoại chỉ có khả năng gây nên sự sai hỏng base, do chỉ được hấp thụ trong các base Thymin và Cytosin. − Tổn thương base: làm thay đổi base hay thay đổi liên kết giữa các base. Sự tổn thương của base có thể dẫn tới việc đứt mối liên kết hidro giữa hai base, hay làm biến đổi cấu trúc hoá học của base, làm mất một base, làm ghép vào một base không đúng hay nối hai base nằm đối diện và chéo nhau chéo (cross linking). Một dạng đặc biệt của sai hỏng base là sự nhị trùng hóa hai base (base dimerization): hai base cùng phía nối nhau. Điều này chỉ xảy ra đối với base loại Thymin (T) hay Cytosin (C). Sự nhị trùng hóa này xảy ra chủ yếu khi ADN bị chiếu bởi tia tử ngoại. − Nối giữa các phân tử trong ADN − Nối giữa ADN và protein − Tổn thương bội (bulky lession). Thuộc loại tổn thương gây tử vong (lethal damage). Không sửa chữa được. Loại tổn thương Số tổn thương trên mỗi tế bào ứng với 1 Gy (LET bé) Đứt nhánh đơn 1 000 Tổn thương base 500 Đứt nhánh đôi 40 Nối giữa DNA và protein 150 Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào bị chiếu. Khi đó mỗi tế bào sẽ có nhiều ngàn chỗ đứt gãy trên chuỗi xoắn đơn và có khoảng 100 chỗ đứt trên chuỗi xoắn kép, dẫn đến cái chết của khoảng 90% tế bào bị chiếu, nghĩa là trong 10% còn lại có sự sửa chữa hư hại hay những tổn thương đó đối với một số ADN không có ảnh hưởng đến việc sinh ra những thế hệ sau có thể tồn tại được. 3. Giai đoạn hóa sinh – Quá trình sửa chữa tổn thương của ADN Quá trình hóa sinh kéo dài từ 10-2 s đến nhiều giờ. Ở đầu giai đoạn này ta có ADN bị tổn thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là những tổn thương không hồi phục được. a. Cơ chế sửa chữa Trong quá trình tiến hóa của loài người, do thường xuyên bị bức xạ chiếu và do sự biến dị tự phát, trong các tế bào đã hình thành nên một cơ chế sửa chữa rất hiệu quả. Cơ chế này nhận biết những biến đổi phân tử của ADN và trong phần lớn trường hợp có thể sửa chữa lại chúng bằng những quá trình điều khiển bởi enzym. Trong bào tương cũng có những chất có thể trung hòa các gốc tự do trước khi chúng kịp công phá ADN hay các bào quan. Hiệu quả hoạt động của các cơ chế sửa chữa và bảo vệ này phụ thuộc vào pha của tế bào trong chu kỳ, vào hàm lượng năng lượng của tế bào, vào mật độ của các enzym sửa chữa cũng như của các chất bảo vệ có mặt trong bào tương cũng như vào nhiệt độ. Các cơ chế này chịu trách nhiệm việc tiêu diệt những thay đổi về cấu trúc và thông tin của tế bào gây bởi bức xạ hay bởi các tác nhân hoá học khác, để cho tế bào sau khi bị chiếu bởi một liều không cao lắm, có thể hồi phục trở lại. b. Quá trình sửa chữa Một số công việc sửa chữa được điều khiển bởi enzym có thể được tiến hành ngay sau khi xuất hiện các tổn thương và có thể kết thúc trong vòng vài phút hay vài giờ. Nếu nó Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 7
  8. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ xảy ra trước khi nhân đôi ADN và trước khi phân bào, thì người ta gọi là sự sửa chữa trước nhân đôi. Quá trình diễn tiến của các sửa chữa trước nhân đôi là khác nhau, tùy theo nguyên nhân và loại tổn thương ADN. Nếu tổn thương của ADN xảy ra ngay trước hay trong khi nhân đôi ADN và không kịp sửa chữa trước phase mitose, thì quá trình sửa chữa sau nhân đôi sẽ vào cuộc. Một số sửa chữa cần có năng lượng ánh sáng, được gọi là sửa chữa quang (photorepair). Các loại sửa chữa còn lại sử dụng năng lượng dự trữ trong tế bào và không cần ánh sáng. Nếu quá trình phân bào xảy ra càng nhanh, thì về trung bình, thời gian để sửa chữa trước nhân đôi càng bé, khi đó sự sửa chữa càng kém hiệu quả. Điều này giải thích tại sao các tế bào có tốc độ phân bào càng cao thì càng nhạy đối với bức xạ. Trong tế bào ung thư, bên cạnh tốc độ phân bào cao, bộ máy sửa chữa và các enzym sửa chữa của chúng cũng bị những sai sót, do đó chúng nhạy với bức xạ hơn tế bào lành. c. Phân loại các tổn thương do bức xạ Các tổn thương do bức xạ lên tế bào có thể được chia thành 3 loại: − Tổn thương gây chết (lethal damage): không hồi phục được, sẽ dẫn đết chết tế bào. Các tổn thương bội thuộc loại này. − Tổn thương dưới mức chế (sublethal damage): có thể sửa chữa trong vài giờ, trừ khi bị thêm những tổn thương dưới mức chết khác, dẫn đến tổn thương gây chết. − Tổn thương có khả năng gây chết (potentially lethal damage): có thể sửa chữa nếu tế bào được duy trì trong trạng thái không phân bào. 4. Quá trình sinh học – Từ vài giờ đến nhiều năm – Từ mức tế bào đến mức mô Bắt đầu: các ADN bị tổn thương không hồi phục được; kết thúc: tế bào chết, xảy ra đột biến, ung thư, các hiệu ứng sớm và muộn. a. Ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể (NST) Nếu tổn thương do bức xạ gây nên trên ADN là đủ lớn, thì có thể quan sát thấy những rối loạn của nhiễm sắc thể (chromosome aberration), như hình vẽ dưới. Rối loạn nhiễm sắc thể xảy ra khi một đoạn dài của ADN bị thay đổi, nó bao gồm: nhân đôi (duplication), bị cắt bỏ (deletion), thêm vào một đoạn gen (inversion), chuyển đoạn gen sang nhiễm sắc thể khác (translocation). Rối loạn nhiễm sắc thể xuất hiện ở hai giai đoạn, ở giai đoạn đầu, xuất hiện một đứt nhánh đôi không hồi phục được hoặc một sự mất ổn định hoá học trong nhiễm sắc thể có thể dẫn đến sự phân rã của nhiễm sắc thể, ở giai đoạn sau, là sự nối lại các nhánh bị đứt. Người ta phân biệt sự rối loạn nội nhiễm sắc thể (xảy ra bên trong một NST và rối loạn giữa các NST (do sự trao đổi các nhánh của các NST khác nhau). Những rối loạn NST rất tiêu biểu do tác dụng của bức xạ là sự hình thành NST hai tâm (dicentric) và NST vòng. b. Các tác dụng của bức xạ lên tế bào Ở cấp tế bào, ba hiệu ứng chính có thể quan sát được từ sự chiếu xạ ADN là sự chết của tế bào (cell death), và sự đột biến dẫn đến bệnh ung thư ác tính (malignant disease) hay tổn thương di truyền (genetic damage). c. Sự chết của tế bào Sự chết của tế bào có thể chia làm hai loại: chết giữa phase (interphase death) và chết khả năng sinh sản (reproductive cell death). Một liều rất cao (vài trăm Gy) có thể hủy hoại mọi hoạt động của tế bào và làm tế bào chết giữa pha. Một liều thấp hơn (vài Gy) sẽ Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 8
  9. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ a b c d e f g h i a) NST bình thường. b) trái: đứt ở cuối; phải: đứt một khe. c) rối loạn NST, trái: mất một khoảng ở giữa; phải mất ở cuối. d) hai đoạn của nhánh này bị cắt và nối sang nhánh khác. e) NST bị nối thành vòng. f) hai nhánh bị cắt nối thành vòng. g) một cặp NST bình thường. h) Hai NST dính lại thành một NST hai tâm + hai đoạn đứt hỗn hợp. i) Hai NST trao đổi các đoạn cho nhau. Từ b-f: nội NST. Trường hợp h + i: giữa các NST. d. Sự đột biến Những thay đổi không được phục hồi của thông tin di truyền được gọi là sự đột biến (mutation). Nếu sự đột biến đó chỉ gặp ở tế bào thân, thì người ta gọi đây là đột biến cá thể (somatic mutation). Nó không di truyền cho thế hệ con cháu. Nó có thể dẫn đến những thay đổi có tính chất ác tính của tế bào, phá hủy hoạt động của enzym hay thay đổi sự trao đổi chất của tế bào. Nếu đột biến xảy ra ở tế bào sinh dục thì nó có thể di truyền cho thế hệ sau. Người ta gọi đây là đột biến gen (genetic mutation). Đa phần các đột biến loại này có tính lặn (recessive), nghĩa là nó thường tác dụng tới kiểu di truyền (genotype) mà không tác động tới kiểu hình (phenotype) của các thể bị biến dị đó. Đột biến điểm: nếu sự biến đổi chỉ xảy ra trên một gen. Khi đó sự tổng hợp một protein bị thay đổi. Sự thay đổi này chỉ ảnh hưởng đến tế bào và cơ quan, nếu đoạn gen này của ADN là hoạt động (active). e. Sự hồi phục ở mức toàn thân Ở mức độ toàn thân (whole-body level), sự hồi phục khỏi những tổn thương do bức xạ được hỗ trợ thông qua sự tái tạo dân số (repopulation) của những tế bào sống sót. Nếu một mô nhận một liều đủ lớn, nó sẽ đáp ứng bằng cách co kích thước lại. Đây được gọi là sự thu nhỏ (atropy). Nguyên nhân là vì một số tế bào bị chết, bị loại ra (disintegrated) và bị mang đi nơi khác như những chất thải. Nếu có một số tế bào đủ lớn sống sót do chỉ nhận những liều dưới mức tử vong, thì những tế bào này có thể tăng trưởng và tái tạo số tế bào của cơ quan bị chiếu xạ. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 9
  10. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Các quá trình tổ hợp của sự sửa chữa và sự tái tạo đóng góp vào sự hồi phục khỏi các tổn thương do bức xạ. Sự hồi phục = các sửa chữa bên trong tế bào + sự tái tạo tế bào 5. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ lên tế bào Mức độ tác dụng sinh học của bức xạ được quyết định chủ yếu bởi liều hấp thụ. Bên cạnh đó, còn có những yếu tố khác có thể có ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ. Các yếu tố này có thể được phân làm 2 loại: các yếu tố vật lý và các yếu tố sinh học. Các yếu tố vật lý là LET, lượng Oxy, nhiệt độ (đã nói ở trên) hay suất liều, sự phân liều (sẽ nói sau). Còn sau đây chúng ta sẽ xét đến các yếu tố sinh học. a. Độ nhạy bức xạ của các tế bào khác nhau - Các định luật Bergonie & Tribondeau Vào năm 1906, hai nhà khoa học người Pháp là Bergonie và Tribondeau lần đầu tiên đã thiết lập được mối quan hệ giữa độ nhạy bức xạ và mức độ trưởng thành và mức độ trao đổi chất của tế bào. Các quan hệ này được phát biểu thành các định luật Bergonie và Tribondeau như sau: 1. Các tế bào mầm (stem cell) rất nhạy đối với phóng xạ. Tế bào càng trưởng thành, độ kháng tia càng cao. 2. Các mô và cơ quan càng trẻ thì càng nhạy bức xạ. 3. Mức độ trao đổi chất càng cao thì độ nhạy càng cao 4. Khi tốc độ tăng trưởng (proliferation rate) của các tế bào và tốc độ phát triển (growth rate) của các mô càng cao thì độ nhạy phóng xạ càng cao. b. Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào chu kỳ tế bào Đối với những tế bào thuộc cùng một loại, kỹ thuật in vitro cũng cho phép khảo sát độ nhạy bức xạ vào các giai đoạn khác nhau của chúng. Một chu kỳ tiến hoá của tế bào có khả năng sinh sản có thể được chia làm 4 giai đoạn, căn cứ vào cấu trúc của nhiễm sắc thể (chromosome) chứa DNA. − M (phân chia tế bào: mitosis) − G1 (chuẩn bị tổng hợp: 1st growth) (giữa pha: − S (tổng hợp: synthetic) interphase) − G2 (tăng trưởng: 2nd growth) Độ nhạy của tế bào đối với bức xạ trong các giai đoạn này là không như nhau. Thực nghiệm cho thấy tế bào nhạy nhất đối với bức xạ khi nó đang ở giai đoạn G2, kém nhạy hơn khi đang ở giai đoạn S, kém hơn nữa khi ở giai đoạn G1 và ít nhạy bức xạ nhất khi ở giai đoạn M (hình bên). §3. Phân loại các tác dụng của bức xạ ở mức lâm sàng 1. Tác dụng cá thể (somatic) và tác dụng di truyền (genetic) Các tác dụng sinh học của bức xạ có thể được phân loại theo cách thể hiện tác dụng đó. Những hiệu ứng chỉ xảy ra trong một cá thể được gọi là tác dụng somatic, còn những tác dụng xảy ra ở các thế hệ sau được gọi là tác dụng genetic (di truyền). Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 10
  11. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ 2. Tác dụng ngẫu nhiên (stochastic) và tác dụng tất nhiên (deterministic) Các tác dụng sinh học của bức xạ cũng có thể được phân loại theo quan hệ giữa liều và đáp ứng. Người ta gọi những tác dụng xảy ra một cách ngẫu nhiên là tác dụng stochastic. Tính chất ngẫu nhiên thể hiện ở chỗ là khi một cá thể bị chiếu xạ thì cá thể đó có thể bị hoặc không bị tác dụng đang xét (ví dụ ung thư). Nhưng khi xét một số lớn cá thể cùng chịu chiếu xạ như nhau, thì sẽ có một tỉ lệ nhất định cá thể chịu tác dụng. Tỉ lệ này được gọi là xác suất xảy ra tác dụng. Các tác dụng stochastic có xác suất xảy ra tăng theo liều hấp thụ, và dù liều hấp thụ thấp bao nhiêu đi nữa, tác dụng vẫn có thể xảy ra với một xác suất nhất định (không có ngưỡng). Mức độ trầm trọng của tác dụng loại này trên mỗi cá thể là không phụ thuộc liều, và khi nó xảy ra, các hậu quả là như nhau. Còn tất định (non-stochastic, còn được gọi là deterministic) là các tác dụng chỉ xảy ra và chắc chắn xảy ra khi liều vượt quá một mức ngưỡng nào đó, và mức độ trầm trọng càng tăng khi liều càng lớn. Ví dụ phản ứng của da là thuộc hiệu ứng non-stochastic. Trong biểu diễn RDRR, các tác dụng stochastic là loại tuyến tính không có ngưỡng, còn loại non-stochastic là loại S-type (xem phần sau). Dựa trên hai cách phân loại này, ta có thể xếp loại các đáp ứng của cơ thể đối với bức xạ. Ví dụ ung thư là thuộc loại tác dụng stochastic và somatic. Còn bệnh đục nhân mắt là một tác dụng non-stochastic và somatic. Tất cả các hiệu ứng genetic đều là stochastic. 3. Hiệu ứng sớm và hiệu ứng muộn Các tác dụng somatic do bức xạ lại có thể được phân loại theo khoảng thời gian từ lúc bị chiếu đến khi chúng xuất hiện. Các tác dụng sớm (early) hay cấp tính (acute) là những tác dụng xảy ra hầu như ngay sau khi bị chiếu và tất cả đều là non-stochastic. Các tác dụng muộn (late) hay còn được gọi là tác dụng mãn tính (chronic) là những tác dụng chỉ có thể quan sát sau nhiều năm, chúng có thể thuộc loại stochastic hay non-stochastic. Do đó, một người khi bị chiếu xạ có thể bị những tác dụng cấp tính hay không (tùy theo liều), nhưng luôn luôn có nguy cơ bị các tác dụng muộn stochastic. Bảng dưới tóm tắt các tác dụng của bức xạ trên cơ thể người. Tóm tắt các hiệu ứng của bức xạ trên cơ thể người Tác dụng sớm Tác dụng muộn + Hội chứng cấp tính: + Bệnh bạch cầu huyết học + Các bệnh ác tính khác: dạ dày và ruột ung thư xương thần kinh trung ương ung thư phổi + Tổn thương mô cục bộ: ung thư tuyến giáp da ung thư ngực tuyến sinh dục + Tổn thương mô cục bộ: tứ chi da; tuyến sinh dục + Suy giảm huyết học mắt + Tổn thương tế bào di truyền + Giảm tuổi thọ + Tổn thương di truyền Tổn thương tế bào di truyền Giảm liều gấp đôi Giảm liều có ý nghĩa về di truyền + Hiệu ứng đối với bào thai Chết trước khi sinh Chết trong khi sinh Bị bệnh bẩm sinh Bị u ác tính lúc còn trẻ Chậm lớn, chậm phát triển Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 11
  12. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ §4. Quan hệ liều-đáp ứng ( Radiation Dose-Response Relationship, RDRR ) Mức độ xảy ra một tác dụng sinh học cụ thể là một hàm của liều hấp thụ. Trong biểu diễn toán học, quan hệ này được gọi là quan hệ liều-đáp ứng (Radiation Dose-Response Relationship, viết tắt là RDRR). Mục đích của hầu hết các nghiên cứu sinh học bức xạ là thiết lập các quan hệ này. Đó là một hàm toán học mô tả quan hệ giữa liều bức xạ với các mức độ của các tác dụng quan sát được. RDRR có hai ứng dụng quan trọng: Để lập qui trình điều trị cho bệnh nhân và để cung cấp cơ sở cho việc phòng chống bức xạ, đặc biệt cho ngành X quang chẩn đoán. Người ta dùng nhiều khái niệm khác nhau để chỉ tác dụng của bức xạ lên cơ thể sống, như “đáp ứng” (response), “tác dụng” hay “hiệu ứng” (effect). Khái niệm “tác dụng” của bức xạ có thể được hiểu theo một nghĩa rất rộng, bao gồm những rối loạn của nhiễm sắc thể, sự chết của tế bào hay sự những thay đổi vĩ mô quan sát được về mặt lâm sàng như sự co lại của khối u, hay tác dụng phụ lên các tế bào lành ở lân cận khối u trong xạ trị. Tùy theo mục đích nghiên cứu, người ta thiết lập những quan hệ cho từng loại tác dụng cụ thể. Ở đây chúng ta xem xét dáng điệu chung của quan hệ liều-tác dụng này. Quan hệ liều-tác dụng của các tác dụng tất định và ngẫu nhiên là khác nhau. 1. Đáp ứng của tác dụng tất định Hình a) ở dưới mô tả đáp ứng đối với bức xạ của một tác dụng tất định tiêu biểu. N là số đơn vị của tác dụng xảy ra, ví dụ số tế bào bị tổn thương. Ta thấy khi liều ở dưới một mức ngưỡng S, không có hiệu ứng nào xảy ra. Ở giữa vùng S và điểm uốn, đáp ứng tăng nhanh, sau đó tăng chậm và đạt bão hòa. Đáp ứng loại này được gọi là sigmoid-type, hay S-type. Vị trí của S, độ dốc và dạng của đường cong phụ thuộc vào loại tế bào hay loại mô, pha của tế bào trong chu kỳ lúc bị chiếu, lượng oxy trong mô, LET, v.v.. Liều D50 là liều cần thiết để xảy ra hiệu ứng đang quan sát. Ví dụ liều để có 50% trường hợp tử vong sau 30 ngày bị chiếu toàn thân bởi bức xạ có LET thấp là D50 ≅ 4,5 Gy. Chú ý: sự chết do bức xạ và các hiệu ứng da do bị chiếu liều cao tuân theo S-type. N N 0,5 S D50 liều liều hấp thụ liều hấp thụ ấ tác dụng tất định a) Đáp ứng của b) Đáp ứng của tác dụng ngẫu nhiên Chú ý: Bệnh ung thư do bức xạ và các hiệu ứng di truyền do bức xạ được giả thiết là thuộc loại tác dụng ngẫu nhiên. 2. Đáp ứng của tác dụng ngẫu nhiên Khi liều hấp thụ là thấp, các tác dụng tất định không xảy ra. Nhưng khi đó vẫn có thể xảy ra những tác dụng ngẫu nhiên. Việc quan sát các tác dụng ngẫu nhiên gây bởi liều thấp là rất khó. Do đó người ta thường xác định các tác dụng này ứng với liều cao, rồi ngoại suy cho trường hợp liều nhỏ. Phương pháp ngoại suy thông dụng nhất là ngoại suy Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 12
  13. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ §5. Quan hệ giữa liều hấp thụ và số lượng tế bào sống sót Các đường cong đáp ứng ở trên mô tả xác suất xảy ra một hiệu ứng sinh học quan sát được khi liều hấp thụ thay đổi. Trong xạ trị người ta cũng thường diễn tả số lượng tế bào có khả năng sống sót theo liều hấp thụ bằng những đường cong có tên là đường cong liều- sống sót (dose-survival curve). Nói chung khi liều hấp thụ tăng lên, số lượng tế bào có khả năng sống sót bị giảm đi. Nhưng qui luật này khác nhau đối với các loại tế bào và loại mô khác nhau. Để ứng dụng việc chiếu xạ một cách hiệu quả, người ta cần biết rõ qui luật này với từng loại tế bào. 1. Đường cong diễn tả quan hệ giữa liều hấp thụ và số lượng tế bào sống sót a. Đường cong sống sót của vi khuẩn Những hiểu biết đầu tiên về đường cong liều-sống sót đối với bức xạ ion hóa có được từ việc nghiên cứu vi khuẩn. Các nghiên cứu này cho thấy khả năng sống sót của vi khuẩn giảm theo hàm e-x khi liều tăng. Điều này làm đường cong liều-sống sót trong biểu diễn trên giản đồ bán logarit (trục hoành tuyến tính theo D, trục tung theo logarit của tỉ số N/No) là một đường thẳng với độ dốc âm (hình dưới). N/No 100% 37% 13,5% 4,9% Do 2Do 3Do liều hấp thụ th sống sót của vi khuẩn theo liều hấp thụ Đường cong ụ Khi tăng liều hấp thụ thêm một lượng xác định, thì một tỉ lệ không đổi vi khuẩn sẽ bị chết. Người ta gọi liều hấp thụ có khả năng làm giảm số vi khuẩn sống sót xuống còn 37% ( = 1/e, với e là hằng số mũ Euler) làm tham số đặc trưng cho đường cong liều-sống sót, ký hiệu là Do. Giả sử ban đầu ta có No tế bào lành, sau khi bị chiếu một liều Do thì số lượng vi khuẩn sẽ giảm xuống còn N = No/e, hay N/No = 37%. Nếu nhận được một liều 2D50, thì số vi khuẩn sống sót sẽ còn (0,37)2 = 13,5% của No,…. Nói chung, với một liều nDo, thì tỉ lệ vi khuẩn sống sót sẽ là (N/No) = 1/en. Do càng bé thì đường thẳng trên hình càng dốc và tế bào càng nhạy với bức xạ. Do đó Do là một tham số đặc trưng của đường cong liều-sống sót. b. Đường cong sống sót của tế bào động vật có vú Sự phát triển các kỹ thuật nuôi cấy tế bào trong ống nghiệm (in vitro) đã cho phép đo đạc quan hệ liều-sống sót của tế bào người và của các động vật có vú nói chung. Các phép đo này cho thấy nói chung đường cong sống sót của động vật có vú có một vùng “vai” (shoulder) trước khi giảm theo hàm mũ (hình dưới). Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 13
  14. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ vùng “vai“ vùng hàm mũ giảm Liều, đơn vị tính cGy Đường cong sống sót của tế bào động vật có vú theo liều hấp thụ Đường cong sống sót dạng này có thể được đặc trưng bởi 3 tham số, đó là liều ngưỡng Dq, liều Do và số ngoại suy n. Liều ngưỡng Dq đặc trưng cho độ rộng của vùng “vai”. Vùng “vai” này thể hiện khả năng tự sửa chữa những tổn thương dưới mức tử vong do bức xạ liều thấp gây nên, làm cho tỉ lệ sống sót giảm chậm theo liều hấp thụ. Nhưng khi tiếp tục tăng liều hấp thụ, tỉ lệ sống sót giảm nhanh và sau đó tuân theo qui luật hàm mũ e-x như trong trường hợp vi khuẩn ở trên. Điều này cho thấy những tổn thương dưới mức tử vong này có thể sẽ biến thành tổn thương tử vong khi tăng liều hấp thụ, nghĩa là có sự tích lũy các tổn thương nhẹ. Dq càng lớn thì khả năng hồi phục của tế bào khi bị chiếu bởi liều thấp càng cao. Trong phần giảm theo hàm mũ (phần đường thẳng trong đồ thị), khi liều hấp thụ tăng thêm một lượng không đổi thì tỉ lệ tế bào sống sót sẽ giảm đi một lượng không đổi. Độ dốc của vùng này cũng được đặc trưng bởi Do, giống như của các vi khuẩn. Số ngoại suy n là giao điểm của đường kéo dài của phần giảm theo hàm mũ và trục tung. Ý nghĩa của n có thể được giải thích theo lý thuyết bia. Theo đó số n được hiểu như là số “bia” (nghĩa là các phân tử có vai trò trong sự sống còn của tế bào) cần phải bị làm mất tác dụng để có thể làm chết tế bào, hay số tổn thương mà một bia duy nhất phải chịu đựng để có thể làm chết tế bào. Đối với tế bào của người, n nằm trong khoảng từ 2 đến 10. Dạng chung của đường cong sống sót là giống nhau cho mọi tế bào. Tuy nhiên, các các tế bào lành của tủy xương, da và ruột, cũng như các tế bào của nhiều mô ung thư khác nhau có độ dốc hay có độ rộng của vùng “vai” khác nhau. Để giải thích các đường cong sống sót trên, nhiều lý thuyết khác nhau đã được đề xuất. Có thể phân loại hai nhóm lý thuyết: lý thuyết bia (target theory) và mô hình nhiều thành phần. Trong những năm gần đây, mô hình nhiều thành phần, mà chủ yếu là mô hình tuyến tính-bậc hai đã được áp dụng rộng rãi. Chúng ta sẽ xem xét qua các lý thuyết này. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 14
  15. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ c. Lý thuyết bia Theo lý thuyết bia, tế bào chứa nhiều phân tử có chức năng khác nhau trong việc duy trì sự tồn tại bình thường của nó. Trong đó, hầu hết các chức năng được thực hiện bởi nhiều phân tử cùng loại đồng thời. Các tổn thương do bức xạ gây trên các phân tử này có thể sẽ không gây nên tổn thương đáng kể của tế bào, do những phân tử cùng loại không bị tổn thương có thể tiếp tục duy trì hoạt động của tế bào. Mặt khác, một số phân tử khác được xem là có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì hoạt động bình thường của tế bào. Các phân tử này tồn tại trong tế bào với số lượng không nhiều, và thực tế có thể chỉ có một phân tử, như trường hợp ADN. Sự tổn thương bức xạ gây nên trên các phân tử này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tế bào, vì không có phân tử khác cùng loại có thể thay thế vai trò của nó để duy trì hoạt động bình thường của tế bào. Phân tử này được gọi là phân tử bia (target molecule). Để tế bào có thể chết do bức xạ, phân tử bia phải bị làm tê liệt hoạt động. Sự tương tác giữa bức xạ và các thành phần của tế bào là ngẫu nhiên, do đó sự tương tác giữa bức xạ và bia là ngẫu nhiên. Bức xạ không đi tìm bia. Các phân tử bia sở dĩ nhạy bức xạ là do vai trò sống còn của nó ở trong tế bào. Khi một bia bị làm tê liệt hoạt động (inactivated) do sự tương tác (trực tiếp hay gián tiếp) với bức xạ, người ta nói rằng đã xảy ra một hit (trúng đích). Lý thuyết bia được mở rộng để giải thích các dạng đường cong sống sót khác nhau. Có thể kể ra ba loại mô hình của lý thuyết, bao gồm: một bia-một lần trúng đích (single- target, single-hit model), nhiều bia-một lần trúng đích (multi-target, sigle-hit model) và nhiều bia-nhiều lần trúng đích (multi-target, multi-hit model). d. Mô hình tuyến tính-bậc hai Một mô hình rất đáng chú ý là mô hình tuyến tính-bậc hai (linear-quadratic), được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Mô hình này dựa trên những quan sát thực nghiệm là các tổn thương đứt nhánh đôi không hồi phục được có thể gây nên sự chết của tế bào. Các tổn thương đứt nhánh đôi có thể xảy ra khi có hai vệt bức xạ LET thấp đi qua gần nhau (một bia-hai lần trúng đích), hay một vệt bức xạ có LET cao đi băng qua (một bia- một lần trúng đích). Khi đó tỉ lệ (xác suất) sống sót sẽ là tích của hai trường hợp này N ( D) 2 ( = e − α.D .e − β.D = e − α.D + β.D 2 ) No Do sự phụ bậc một (tuyến tính) và bậc hai vào D của số mũ, mô hình này được gọi là mô hình tuyến tính-bậc hai. Theo đó, đường cong sống sót nói trên có thể được mô tả bởi hai tham số α và β. Đại lượng cần xác định về mặt thực nghiệm là tỉ số α/β. Nó xác định phần đóng góp của mỗi cơ chế gây nên đứt nhánh đôi ứng với một liều hấp thụ xác định. Khi (α/β) lớn, nghĩa là khi phần đóng góp của β là nhỏ, thì đường cong sống sót có một phần vai hẹp, tiếp theo là một hàm mũ giảm. Với (α/β) nhỏ, nghĩa là khi phần đóng góp của β là lớn, thì đường cong sống sót có một phần vai rộng và sau đó là một hàm mũ giảm. Phần vai này có tiếp tuyến tại D = 0 khác không. Về mặt sinh học phóng xạ, tỉ số α/β cho biết khả năng sửa chữa của tế bào đối với những tổn thương bé. Tỉ số này bé nghĩa là tế bào khả năng sửa chữa tốt hơn. Nhiều kết quả thí nghiệm chiếu phân liều trong lâm sàng và trong các nghiên cứu cơ bản cho thấy, với bức xạ có LET thấp, sự phụ thuộc bậc hai vào D chiếm ưu thế, và với bức xạ có LET cao, sự phụ thuộc bậc một vào D chiếm ưu thế. Điều đó có nghĩa là sự sửa chữa của tế bào chỉ có hiệu quả với bức xạ có khả năng ion hóa bé /Sauer/. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 15
  16. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ 1 Tỉ lệ α/β bé sống sót α/β lớn 0,1 0,01 0 5 10 15 20 Liều hấp thụ (Gy) Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 16
  17. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ e. Các mô đáp ứng sớm và muộn Về mặt thời gian, đáp ứng của các mô đối với bức xạ có thể chia làm hai loại: sớm và muộn. Nói chung các mô ung thư có tốc độ đáp ứng sớm đối với bức xạ. Một số loại mô lành có đáp ứng sớm và một số có đáp ứng muộn. Đối với các mô lành, khoảng thời gian từ lúc bị chiếu đến khi có những biểu hiện lâm sàng ngắn (sớm) hay dài (muộn) là phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của các tế bào trưởng thành trong mô. Các mô đáp ứng nhanh có tốc độ thay đổi này nhanh (ngày, tuần) hơn các mô đáp ứng chậm(tháng, năm). Người ta thấy rằng các mô đáp ứng sớm có tỉ số α/β lớn (nằm trong khoảng từ 7 đến 20 Gy) và các mô đáp ứng muộn có tỉ số α/β bé (trong khoảng từ 1 đến 5 Gy). Điều này được giải thích là đối với các mô đáp ứng chậm, các tế bào có thời gian để sửa chữa các tổn thương dưới mức tử vong tốt hơn. 2. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác đến đường cong sống sót của tế bào Sau đây chúng ta sẽ dùng các đường cong sống sót tế bào để xem xét một vài ví dụ về ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng của bức xạ, đã được giới thiệu trong mục trước. a. Ảnh hưởng của LET và của Oxy đến đường cong sống sót của tế bào Như đã biết, các bức xạ có LET cao có tác dụng sinh học lớn hơn các bức xạ có LET thấp. Điều này cũng đúng cho tác dụng giết chết tế bào. Điều này được thể hiện trên đường cong liều sống sót như trong hình dưới. Trong hình (a), để tỉ lệ tế bào sống sót là 10%, khi chiếu bằng neutron, chỉ cần 2 Gy; còn khi chiếu bằng tia X, cần 6 Gy. Lượng Oxy trong tế bào cũng ảnh hưởng đến xác suất giết tế bào. Trong hình (b), khi chiếu các tế bào bằng tia X, để tỉ lệ tế bào sống sót là 10%, khi các tế bào ở trong điều kiện giàu Oxy, chỉ cần 2 Gy; còn khi các tế bào ở trong điều kiện giàu Oxy, cần một liều hấp thụ 6 Gy để đạt được mục đích. Tỉ số tăng cường Oxy (Oxygen Enhancement Ratio, OER) khi đó là bằng 3. LET thấp nghèo oxy tia X OER = 3,0 LET cao giàu oxy neutron 2 4 6 8 Gy 2 4 6 8 Gy (a) (b) b. Ảnh hưởng của sự hạ thấp suất liều và sự phân liều vào sự sống sót của tế bào Các đường cong sống sót nói trên được áp dụng cho trường hợp các tế bào được chiếu một lần duy nhất, với các liều hấp thụ khác nhau. Kinh nghiệm lâm sàng cho thấy với cùng một liều hấp thụ, tác dụng sinh học của bức xạ còn phụ thuộc vào phương thức chiếu. Có 3 phương thức chiếu được áp dụng trong xạ trị là chiếu một lần duy nhất trong một thời gian ngắn (suất liều cao), chiếu lần duy nhất trong một thời gian dài (suất liều thấp) và chiếu nhiều lần với các phân liều nhỏ. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 17
  18. Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các phương thức chiếu này lên tác dụng sinh học của bức xạ dựa trên đường cong sống sót và trên khả năng sửa chữa của tế bào đối với các tổn thương nhẹ. Hình (a) ở dưới diễn tả đường cong sống sót trong trường hợp các tế bào được chiếu với các suất liều khác nhau: 1 - suất liều cao, 2 – suất liều trung bình, 3 – suất liều thấp. Ta thấy với cùng một liều tổng, nếu suất liều càng thấp thì số tế bào sống sót càng cao. Hình (b) diễn tả đường cong sống sót trong trường hợp các tế bào được chiếu bằng một lần duy nhất (1+2) và bằng ba phân liều (1+3+4) cách nhau một khoảng thời gian. Ta thấy đường cong (3) là một sự lặp lại của đường cong (1). Với cùng một liều tổng, trường hợp chiếu bằng nhiều phân liều cho tỉ số tế bào sống sót lớn hơn. Đối với các mô đáp ứng chậm, người ta thấy rằng việc phân liều làm giảm tác dụng của bức xạ: với cùng một liều tổng cộng, nếu được chiếu nhiều lần với các phân liều càng bé thì tác dụng sinh học càng bé. Do đó, để đạt được cùng hiệu quả, trong trường hợp phân liều, cần phải nâng liều tổng lên cao hơn. 1 3 3 2 4 2 1 (a) Liều hấp thụ (Gy) (b) Liều hấp thụ (Gy) Tài liệu tham khảo: 1. Frank R. Hendrickson, H. Rodney Withers: Principles of Radiation Oncology, from American Cancer Society Textbook of Clinical Oncology, Arthur I. Holleb et. al. (Ed.), 1991. 2. Gunderson, LL and Tepper, JE (eds): Clinical Radiation Oncology. Churchill Livingstone, Harcourt Health Sciences, Philadelphia, 2000. 3. Krieger Hanno: Strahlenphysik, Dosimetrie und Strahlenschutz, Band 1, B.G. Teubner, 4. Auflage, Stuttgart, 1998. 4. Josef Lissner und Ulrich Fink (Hrsg.): Radiologie I, 4. Auflage, Stuttgart 1992. 5. Sauer Rolf: Strahlentherapie und Onkologie fr MTA, Urban & Schwarzenberg, 3. Auflage, 1998. 6. Carlos A. Perez, Luther W. Brady: Principles and Practice of Radiation Oncology, 3rd Ed., 1998. 7. Stewart C. Bushong: Radiologic Science for Technologists, 7th Ed., 2001. 8. IAEA-TECDOC-896: Radiation dose in radiotherapy from prescription to delivery, Vienne, 1996. 9. Ervin B. Podgorsak (Ed.): Review of Radiation Oncology Physics: A handbook for Teachers and Students, IAEA, 2003. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 18
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2