Líffræðileg áhrif jónandi geislunar - Ágrip

© 1986 - 1996  Sigurður Emil Pálsson, Geislavörnum ríkisins

1 Þéttjónandi og dreifjónandi geislun

Þegar áhrif jónandi geislunar á lifandi verur er metin þá dugar ekki að vita eingöngu hversu mikla orku hvert kíló af lífverunni hefur fengið í sig, smásæ dreifing orkunnar skiptir einnig máli. 

Það er mjög mismunandi hvernig alfa, beta, gamma og röntgengeislar skila orku sinni til þess efnis sem þeir ferðast um. Orsökina má finna í mismunandi gerð þessara geisla. 

Alfaeindir eru þungar og tiltölulega hægfara, jafnframt því sem þær hafa mesta hleðslu. Þær valda því mikilli jónun á lengdareiningu í því efni sem þær ferðast um, jónunin verður mjög þétt í efninu.

Betaeindir eru hins vegar mun léttari og hraðskreiðari, jafnframt því sem hleðsla þeirra er helmingi minni. Þær valda því mun minni jónun á lengdareiningu í því efni sem þær ferðast um, jónunin verður mun dreifðari í efninu.

Röntgen- og gammageislar eru óhlaðnir (enda rafsegulbylgjur). Þeir valda jónun í efni með óbeinum hætti og er sú jónun dreifð, líkt og þegar um betageislun er að ræða. Jónunin er óbein, því það eru ekki geislarnir sjálfir sem valda meginhluta jónunarinnar, heldur aðrar agnir (hlaðnar eða fótónur) sem þeir losa með eins konar keðjuverkun.

2 Smásæ áhrif jónandi geislunar

Viðkvæmasti hluti lífveru gagnvart áhrifum geislunar eru kjarnsýrurnar, DNA, í litningum fruma. Skemmdir á DNA geta orsakast beint og óbeint.

Bein og óbein áhrif á DNA

Þegar um lifandi verur er að ræða, þá er ekki sama hvar jónunin verður. Líta má á jónunina sem skemmd, sem líkaminn getur þó oft náð að lagfæra. Í frumum eru það helst DNA, kjarnsýrusameindirnar í litningunum, sem eru viðkvæmar fyrir skemmdum. Áhrif geislunar á DNA geta verið bein, þannig að geislunin valdi milliliðalaust jónun (skemmd) á DNA sameindinni. Áhrifin geta einnig verið óbein, þannig að geislunin valdi fyrst jónun á öðru efni í frumunni (vatni) og myndi við það hvarfgjörn efni, sem síðar geta valdið skemmdum á DNA sameindinni. Þau skaðlegu efni og efnasambönd sem myndast eru H^· (vetni), OH^· (hýdroxíð) og H₂O₂ (vetnisperoxíð). Þau tvö fyrrnefndu eru mjög virk efnafræðilega því þau hafa óparaða rafeind. Hýdroxíðið getur síðan myndað vetnisperoxíð sem er mjög sterkt oxandi efni. Þessi efnasambönd ráðast á flókin efnasambönd og líma sig við þau eða rífa þau í sundur.

Áhrif geislunar á DNA ráðast mjög af því hvort um þéttjónandi eða dreifjónandi geislun er að ræða. Sé geislunin þéttjónandi, þá eru meiri líkur á að skemmdir á DNA verði varanlegar heldur en þegar um dreifjónandi geislun er að ræða.  Þetta gildir bæði um bein og óbein áhrif geislunarinnar á DNA.  Hvað bein áhrif snertir, þá eru meiri líkur á því að DNA sameindir hafi skemmst á fleirum en einum stað og viðgerð verði ekki möguleg. Hvað óbeinu áhrifin snertir, þá myndast meira af hvarfgjörnum efnum á sama svæði og þau eru þá líklegri til meiri skemmda á DNA.

Til frekari skýringar skulum við taka dæmi um vef sem hefur fengið á sig geislunina 0,1 Gy. Hvert kg af vefnum hefur þá fengið í sig 0,1 Joule af orku. Til þess að meta líffræðileg áhrif geislunarinnar verðum við einnig að vita hvort um þéttjónandi (alfa) eða dreifjónandi (beta og gamma) geislun var að ræða. Í fyrra tilvikinu eru skemmdirnar færri, en mun alvarlegri á hverjum stað. Í því síðara eru skemmdirnar mun fleiri, en ekki eins alvarlegar á hverjum stað. Líkurnar á líffræðilegum skemmdum eru mun meiri í fyrra tilvikinu þótt upptekin orka sé sú sama í báðum.

Þegar um dreifjónandi geislun er að ræða, þá verður meginhluti skemmdanna vegna óbeinna áhrifa á DNA, en þegar geislunin er þéttjónandi eru bein áhrif ríkjandi.

Séu skemmdir mjög alvarlegar í frumu, þá getur það leitt til dauða hennar. Fruma getur hins vegar lifað af smáar skemmdir. Síðar getur hún þó eða afkomendur hennar tekið að skipta sér með óeðlilegum hætti og niðurstaðan orðið krabbamein.

Árlega fara nokkrir jónandi geislar í gegnum kjarna hverrar einustu frumu mannslíkamans af völdum geislunar frá umhverfi okkar. Frumur búa yfir vissum hæfileikum til viðgerða á skemmdum á DNA og mest af áhrifum jónandi geislunar veldur engum varanlegum skaða. Það er einnig rétt að hafa í huga að skemmdir á DNA geta ekki eingöngu hlotist af jónandi geislun. Þar geta einnig komið til:

• Ýmis efnasambönd
• Útfjólublá geislun

Stundum heppnast viðgerð ekki og mögulegar afleiðingar eru:

(a) Fruman deyr, getur ekki skipt sér eða að hún verður óstarfhæf

(b) Fruman lifir og getur skipt sér, en hefur breytta erfðafræðilega þætti, þ.e. breytt DNA. Þetta getur síðar leitt til krabbameins eftir ár eða áratugi.

3 Stórsæ áhrif jónandi geislunar - Áhrif á fólk

Áhrif jónandi geislunar á fólk geta verið með ýmsum móti. Meðal áhrifa má nefna:

• Myndun og hugsanlega örvun krabbameins
• Erfðagalla
• Ófrjósemi
• Staðbundinn skaði á yfirborði líkama, brunasár, húðroði
• Vagl, ský á auga
• Skaði á blóðmyndun

4 Tilviljunarkenndir skaðar og vísir skaðar

Líffræðilegir skaðar af völdum jónandi geislunar eru í grundvallaratriðum tvenns konar, tilviljunarkenndir skaðar og vísir skaðar.

4.1 Tilviljunarkenndir skaðar - Síðbúnir skaðar

Sé geislun tiltölulega lítil geta komið fram skemmdir í einstökum frumum.  Þegar um tilviljunarkennda skaða er að ræða, þá stýrir geislaálagið líkum á því að ákveðinn skaði verði, en ekki stærð skaðans. Þessa skaða má rekja til skemmda á DNA í einstökum frumum sem hafa lifað af og náð að skipta sér. Dæmigerður skaði í þessum flokki er krabbamein. Sé geislunarstyrkur neðan ákveðinna marka, þá er almennt gert ráð fyrir að áhætta sé í réttu hlutfalli við geislaálagið. Þessi stærð (sem reiknuð er í Sv) lýsir því beint þeirri áhættu sem fylgir geislun. (Nánar er fjallað um hugtakið geislaálag og eininguna Sv í kafla 5).

Þessi einfalda hlutfallsregla þýðir að enginn geislaskammtur er talinn algjörlega án áhættu, áhættan getur orðið hverfandi lítil en hún getur aldrei orðið engin. Annað sem fylgir notkun þessarar einföldu reglu er að geislunarstyrkur skiptir ekki máli, né heldur hvort um samfellda geislun er að ræða eða endurtekna rofna geislun.

Athugið að þegar geislunarstyrkur er mikill (mikil geislun á skömmum tíma eins og gerist gjarnan við geislalækningar eða alvarleg geislunarslys) þá er ekki lengur hægt að nota þennan einfalda hlutfallsreikning (t.d. geta þá vísir skaðar farið að verða áberandi). Hugtakið geislaálag og einingin sievert (Sv) eru því eingöngu notuð þegar um lítið magn geislunar er að ræða.

Dæmi um tilviljunarkennda skaða:

• Krabbamein (lang algengasta tegund tilviljunarkenndra skaða)
• Erfðagallar

4.2  Vísir skaðar - Bráðir skaðar

Þessir skaðar eru afleiðing "dauða" fjölda fruma, þannig að líffæri (eða hluti þess) verður óstarfhæft eða skaðast alvarlega.  Hér stýrir geislaskammturinn stærð skaðans (sem fer einnig að hluta eftir þeim einstaklingi sem í hlut á). Ákveðinn lágmarksgeislaskammt getur þurft til að kalla fram skaða af þessari tegund. Geislaskammtar neðan þessara marka geta því verið hættulausir með tilliti til þessara skaða. Ólíkt tilviljunarkenndum sköðum, þá má ganga út frá því sem vísu að skaði þessarar tegundar komi fram þegar móttekinn geislaskammtur er ofan ákveðinna marka (sem geta verið örlítið háð því hvaða einstaklingur á í hlut).

Dæmi um vísa skaða (staðbundin geislun):

• Brunasár (geta reynst banvæn)
• Vagl eða ský á auga
• Ófrjósemi

Dæmi um vísa skaða af völdum mikillar jafndreifðar geislunnar:

• > 1 Gy Ógleði og uppköst í nokkrar klst. eftir geislun
• 3-5 Gy: Skemmdir á beinmerg, dauði 50% á 1-2 mánuðum.
• 10-50 Gy: Skemmdir á meltingarfærum, dauði á 1-2 vikum
• 100 Gy: Skemmdir á miðtaugakerfi, dauði á klst. eða dögum.

Lýsingin hér að framan sýnir að fyrir litla geislaskammta eru tilviljunarkenndir skaðar einir að verki, en fyrir mikla geislaskammta geta vísir skaðar orðið ríkjandi, þó svo hinna tilviljunarkenndu skaða gætir áfram. Áhrif geislunar má að vissu leyti líkja við áhrif reykinga. Í venjulegum skömmtum teljast reykingar krabbameinsvekjandi, þ.e.a.s. af þeim hlýst tilviljunarkenndur skaði. Væri hins vegar reynt að reykja ársneysluna af vindlingum á einni klukkustund, þá er hætt við að af því hlytist vís skaði, þ.e. köfnun.

Til umhugsunar:

Berið saman vísa skaða og tilviljunarkennda skaða. Hugið að rótum skaðanna, hversu mikla geislun þurfi til að þeir birtist. Hvað er það sem ræður umfangi skaða og líkum á skaða? Hversu fljótt eftir geislun birtast þessir skaðar?

5 Tölulegt mat á líffræðilegum áhrifum geislunar: Geislaálag

Þar sem geislaskammturinn (upptekin orka í hvert kíló) dugar ekki einn sér til að lýsa áhættu af völdum geislunar, þá hefur önnur stærð verið skilgreind sem lýsir áhættunni betur. Þessi stærð er kölluð geislaálag. Geislaskammturinnn er þá margfaldaður með áhrifastuðli viðkomandi geislunar til að fá geislaálagið. Þessi áhrifastuðull er háður því hversu þéttjónandi geislunin er (þeim mun þéttjónandi sem geislunin er, því skaðvænlegri er hún). Með áhrifastuðlinum má þannig taka tillit til mismunandi áhrifa mismunandi geislunar. Áhrifastuðullinn er nú táknaður með w_R, en til skamms tíma var táknið Q notað.

Tegund geislunar - áhrifastuðull, w_R

Röntgen, gamma, beta:	1
Alfa-agnir:	20

Geislaálag ( H ): H = w_R · D

Þar sem w_R er einingalaus stærð, þá er ljóst að stærðirnar D (geislaskammtur) og H hafa bæði eininguna Joule/kg. Þetta er kallað gray eins og áður sagði ef um geislaskammt er að ræða, en sievert ef um geislaálag er að ræða. Sievert er skammstafað Sv. Eldri eining fyrir geislaálag er rem:

1 Sv = 100 rem

Athugið að geislaálag er aðeins skilgreint fyrir lítinn geislaskammt og lítinn geislunarstyrk. Geislaálagið, eins og sést að ofan, er óháð geislunarstyrknum.

Skýringardæmi:

Látum D = 0,2 mGy (milligray) Þá er geislaálagið 0,2 mSv fyrir röntgen-, gamma- og betageislun, því í þeim tilfellum er w_R = 1. Fyrir alfageislun er geislaálagið 4 mSv, því w_R = 20.

Miðað við að ákveðinn vefur taki í sig ákveðinn fastann geislaskammt (þ.e. orku á massaeiningu), þá er líffræðileg áhætta álíka mikil fyrir röntgen-, gamma- og betageislun, en hún er hins vegar 20 sinnum meiri ef um alfageislun er að ræða. Þessi mismunur stafar af því að skemmdir af völdum alfageislunar dreifast ekki eins mikið og verða mun meiri á hverjum stað eins og lýst var hér að framan.