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.
nhân ( )
bào tương ( )
1
voøng xoaén keùp
noái base
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.
Các tế bào có thời gian sống nhất định. Các
tế bào khác nhau có thời gian sống khác nhau.
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
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 tiếpGián tiếp
Giai đoạn
vật lý
(10 s
-16
-10-13s)
Năng lượng được hấp thụ trong
các phân tử sinh học
kích thích / ion hóa
Năng lượng được hấp thụ trong nước
hay vùng phụ cận
kích thích / ion hóa
Giai đoạn
hóa lý
(10 s
-13
– 10-2s)
Các gốc tự do sơ cấp
(OH•, H•, e- tương
đương) và Peroxide
(H O)
2 2
Các gốc sinh học
(R•, RO•2)
Hồi phục
Giai đoạn
sinh hóa
(giây – giờ)
Thay đổi các phân tử sinh học (ADN, màng, v.v..) Hồi phục
Giai đoạn
sinh học
(mức dưới tế
bào)
(giờ - năm)
Biến dị ↔ biến đổi sự trao đổi chất ↔ tổn thương dưới mức tử vong/
tổn thương gây tử vong
Hồi phục
Mức tế bào
(thấy được)
Hiệu ứng
di truyền
Tổn thương cấp
tính và lâu dài
Tế bào bị chết
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
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
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
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:
HOH+ + e- : một cặp ion H2O + γ →
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• →
• • được gọi là các gốc tự do (free radicals)OH và H . 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