VYBRANÉ  KAPITOLY   Z  BIOFYZIKY 
pro posluchače FVL a FVHE   VFU Brno

A  RADIOBIOLOGIE   POTRAVIN 
pro posluchače  FVHE   VFU Brno

(zpracoval prof. MVDr. Petr Dvořák, CSc.)

FOTOBIOLOGICKÉ ZÁKONY

    Tyto zákony se týkají veškerého fotonového záření, tedy nejen vlnových délek oblasti viditelného světla.

1. Pro fotochemický děj je účinné jen to záření, které je absorbováno (zákon Grotthusův)
2. Mezi množstvím fotochemicky přeměněné látky a množstvím absorbovaného záření existuje kvantitativní vztah. (zákon Draperův)
3. Na jednu absorbující molekulu připadá jedno světelné kvantum, které provede její fotochemickou přeměnu. To platí jen pro primární fotochemický děj, ne pro další druhotné děje. (zákon fotochemické ekvivalence Stark, Einstein)
4. Pro fotobiologický účinek má význam jen součin intenzity a doby záření, nikoliv však vzájemný poměr mezi intenzitou a dobou. Protože tkáně nejsou stacionárním modelem, pak vlivem biochemických procesů se může účinek modifikovat. (zákon Bunsenův - Roscoeův)

RADIOBIOLOGICKÉ ZÁKONY

Vybrané zákony se týkají veškerého ionizujícího záření (tedy i částicového) a navazují na zákony fotobiologické.

1. Účinek dávky záření má v různých tkáních elektivní účinek. Existuje tedy rozdíl v interpretaci účinku frakcionované a protrahované dávky. (zákon Schwarzův)
2. Ve tkáních s vyšší proliferační kapacitou je rychlejší i regenerace. (pravidlo Schinze a Slatopolského)
3. V živých tkáních se efekt ionizujícího záření kumuluje. Existuje schopnost paměti.  Čím je buňka radiosenzitivnější, tím nižší dávky, tedy jejich efekty je schopna kumulovat. V rezistentních tkáních je kumulační schopnost malá. (zákon Wintzův)

TEORIE INTERAKCÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S ŽIVOU HMOTOU

    Byla vypracována celá řada teorií účinků na živé organizmy a dodnes neexistuje jednotné vysvětlení základních mechanizmů.

    Pro vysvětlení vlivu ionizujícího záření na živé organizmy je třeba vycházet z následujících faktů:

Účinky ionizujícího záření na organické sloučeniny a biopolymery

    Z výše uvedených faktů vycházejí v současné době hlavní zastávané teorie, které je možné rozdělit podle následujících kritérií:

1. Podle mechanizmu působení :
   
   1. Teorie "zásahová" (target theory) opírající se o přímý zásah nejcitlivějších biopolymerů, dále též rozpracovaná jako teorie "radiotoxinová"
   2. Teorie "radikálová" vycházející z chemických a biochemických představ o nepřímém působení vznikajících radikálů na další klíčové biopolymery. Jak bude uvedeno dále, především v kapitole pojednávající o aktivních formách kyslíku (mezi které patří též radikály), může tato teorie představovat širší princip působení fyzikálních, chemických a biologických faktorů.

 

2. Podle místa primárního účinku

       Do této skupiny lze zařadit většinu teorií. K nejstarším patří "lecitinová teorie" Schwarze. Ta se opírá o toxické působení látek cholinového typu. Bergonje a Fribond v roce 1905 již uvažují o poruchách metabolizmu především u rychle se dělících mladých buněk. London za primární považuje poškození enzymů. Dessauer vysvětluje poškození vlivem bodového tepelného účinku. Ve stejném roce Strauss předpokládá vznik nemoci z ozáření působením radiace na buněčné aromatické lipidy, které patří k nejcitlivějším (Kiršin et al.1988). V současné době mají největší význam následující teorie:
   

   1. Teorie duálové radiační akce byla na základě mikrodozimetrických studií (Rossiho počítač) v roce 1972 definována Rossem a Kellerem. Ionizující záření vyvolává buněčné subléze (počet je označován z) , jejichž kombinací vzniká biologické poškození, které se manifestuje chromozomálními aberacemi. Škodlivý účinek záření vzniká nejspíše z chybného spojení dvou součástí buňky, které byly poškozeny. Tak ze sublézí vznikají léze, jejichž počet je úměrný z² . Jsou jimi míněny škodlivé produkty nebo neopravitelně poškozené struktury jež rozhodují o dalším osudu živé buňky. Velikost biologického účinku E se proto uvažuje jako úměrná počtu duálních lézí, takže platí:    E(z) = k . z²  , kde k je konstanta úměrnosti. Z tohoto pohledu však existuje rozdíl efektu podle druhu záření. U neutronového záření existuje lineární závislost mezi dávkou a účinkem, zatím co u fotonových záření je tato závislost exponenciální. Z toho je patrné, že počáteční nárust biologického účinku je vyšší u neutronového záření, což má praktický význam při ozařování nádorů.
   2. Molekulárně biologická teorie uvažuje o dvou současně probíhajících dějích na nukleových kyselinách. Celkové poškození je pak obecně závislé na počtu dílčích poškození (především zlomů) a na reparačních dějích. V DNA je informace několikrát opakovaně kódována, proto i větší poškození jednoho místa má menší negativní efekt než více drobnějších poškození na celém řetězci. Tomuto zjištění odpovídá také vliv kosmického záření, kde i přes jeho značnou energii dochází k poškození jen na jednom místě, na což je organizmus dobře adaptován.
   3. Teorie membránová je nejnovější a vychází z toho, že pravděpodobnost interakce záření s membránami je mnohem vyšší než s nukleovými kyselinami, neboť výskyt membránových struktur v buňce je řádově mnohem četnější než výskyt nukleových kyselin. Vyvolání např. lipoperoxidace na membránových systémech je jedním z dominantních účinků volných radikálů . Základem této teorie je též kvantitativní princip. Koncepce byla rozpracovaná na 3. radiobiologickém sjezdu v Moskvě 1997.

       Všechny teorie nevylučují prokázaný stochastický účinek interakce nízkých dávek záření s živou hmotou. V tomto případě je výsledný efekt mimořádně významně ovlivněn stavem biologického objektu a rovněž i pravděpodobností interakce energie záření a energií vazebných.

3. Podle časové dynamiky účinku ionizujícího záření lze rozlišit procesy:
   1. fyzikální (doba trvání 10^-16 s)
   2. fyzikálněchemické (doba trvání 10^-10 s)
   3. chemické, resp. biochemické (doba trvání 10^-6 s až celé sekundy)
   4. biologické (doba trvání sekundy až roky)

   Jakákoliv snaha o vymezení jednotlivých teorií neodpovídá realitě, neboť všechny výše uváděné principy působí komplexně ! Dochází jak k přímému poškození energetického obsahu biomolekuly, tak současně i ke vzniku volných radikálů. Rovněž lokalizace místa poškození buňky má pouze stochastický charakter.

    V průběhu fyzikálního procesu dochází k přenosu radiační energie do atomů a molekul prostředí. Podle energie záření vzniká široké spektrum ionizovaných nebo alespoň excitovaných molekul. Ty se mohou dále (v následujících procesech) měnit na další radikály nebo detoxikovat (Singh a Singh 1982, Greenstock 1984). Absorbovaná energie ve zhuštěné fázi není rozložena rovnoměrně. Z toho je zřejmé, že proces předání energie je poněkud složitější. V oblasti, která má průměr asi 5 nm se energie rovnoměrně ukládá po jednotkách mezi 20 až 100 eV. Celá tato oblast se nazývá vzbuzená (spurs) (Schwartz 1969).

    Primární koncentrace reaktivních látek ve vodě je vysoká, protonů vodíku (H⁺) 10^-2 mol . l^-1, hydroxylového radikálu 10^-1 mol . l^-1 a elektronů (e^-) 10^-1 mol . l^-1, zatímco v jádře buňky je počáteční koncentrace H⁺ 0,5 mol . l^-1 a hydroxylového radikálu přibližně 2 mol . l^-1 (Singh et al.1977). Při ozařování se absorbovaná energie rozděluje především podle složení ozařovaných látek (Ausloos 1968).

    V biologických systémech absorbovaná energie připadá přibližně z jedné čtvrtiny na organické a ze tří čtvrtin na anorganické látky. Z posledně jmenovaných má největší význam voda, která představuje asi 75 % hmotnosti buňky. Při ozařování se uvádí hodnota G, která udává počet molekul porušených nebo nově vzniklých po absorpci energie 100 eV. Takto mohou vzniknout excitované molekuly, ionty a radikály.

Radikály

    V roce 1832 byly německými chemiky Justusem von Liebigem a Friedrichem Wöhlerem objeveny radikály. Volný radikál je jakýkoliv atom nebo skupina atomů, které mohou existovat samostatně a  obsahují alespoň jeden nepárový elektron. Vzhledem k vysoké reaktivitě je životnost radikálů většinou velmi krátká. Uvedená vysoká reaktivita podmíněná přítomností nepárového elektronu vede k řetězovým reakcím. Při nich může volný radikál buď předat svůj nepárový elektron další molekule, nebo od ní získat elektron a vytvořit elektronový pár. V obou případech se radikál sice stává stabilním, ale napadená molekula se sama změní na volný radikál. Těmito způsoby mohou volné radikály napadnout libovolnou molekulu (Majer et al. 1981).

    Z primární interakce ionizujícího záření s organickými molekulami je patrný vznik volných elektronů (e-), iontů, excitovaných molekul (*) nebo volných radikálů (.). Podle hodnoty kinetické energie elektronů reagují tyto buď s kationty za vzniku neutrální molekuly, která se tím dostává do excitovaného stavu, nebo může elektron reagovat s neutrální molekulou za vzniku aniontu. Náboj může být přenášen mezi molekulami, takže tvorba iontů se neomezuje pouze na molekuly, které jsou primárně ionizovány. Ionizace je rovněž formou aktivace reakcí spojených s transferem atomů nebo funkčních skupin mezi molekulami.

    Deexcitace kromě známé emise fotonů zahrnuje i rozpad chemických vazeb a mezimolekulární přenos energie. Excitace může též vyvolávat reakce s neexcitovanými molekulami (Knoche 1991).

    Z hlediska zásahové teorie má u organických látek největší význam narušení vazby S-H (mění se na vazbu disulfidovou S-S) v rámci disulfidických intermolekulárních můstků bílkovinných součástí enzymů, i když k tomu dochází při poměrně vysokých dávkách záření. Intenzita poškození se zvyšuje tzv. kyslíkovým efektem a snižuje přítomností nebílkovinných S-H skupin v buňce, což bylo prokázáno konkurencí vlivu kyslíku a tiolů blokujících první poškození vznikající v DNA (Ejdus a Korystov 1984).

    Sekundárně mohou působit kyslíkové radikály na vazby C - H a C – C . Schematicky by bylo možné znázornit vznik nestálých reaktivních látek a radikálů následující rovnicí:

R,RH (org. látky) ---------- hÖ ---------> R,RH* + R, + R,R. + H. + R,RH+ + e^-

    Biopolymery se lokalizují v buňce v konkrétních strukturách, zatímco látky s nižší molekulovou hmotností než 500 jsou v koncentraci vyšší než 10^-2 mol.l^-1 rozpuštěny v cytoplazmě. Z biopolymerů jsou nejcitlivější DNA, enzymy, aminokyseliny, peptidy a sacharidy tvořící biologické membrány.

Účinek ionizujícího záření na DNA

    Jedním z prvních účinků malých dávek záření o nízké energii je porušení vodíkových můstků mezi vlákny DNA. Následuje oxidace komponent. Syntézu DNA zastavují již takové dávky, při kterých ještě pokračuje syntéza RNA a bílkovin (Vokken 1973). Dávka, která způsobuje zdvojnásobení počtu samovolných mutací, je pro samčí pohlavní buňky 0,2 - 2,0 Gy.

    V molekule DNA působí ionizující záření (v závislosti na jeho energii) nejčastěji jednovláknové (jednoduché) zlomy, nebo méně často dvouvláknové zlomy. Naproti tomu UV záření, které má menší energii, způsobuje především porušení vodíkových můstků a pyrimidinové hydratace - pyrimidinové dimery, a z nich především dimerizaci tyminu (Sedliaková 1985). Dále vznikají též řetězové zlomy, křižné vazby (cross-linking), křižné vazby DNA-bílkovin nebo pyrimidinové dimery. Zejména jejich tvorba je považována za nejzávažnější postradiační změnu, která může mít za následek změny struktury DNA s následnou vadnou replikací a vznikem mutací (Procházka 1992).

    Mechanizmus působení volných radikálů na DNA popisuje Šarpatyj (1997) mimo jiné též jako působení 2-deoxyribozylu na citlivé vazby uhlíkového řetězce nukleotidu.

    Poškození struktury DNA může vyvolat odumírání buněk, supresi dělení buněk, represi nebo depresi genů, poruchu transkripce, zvýšení koncentrace adenozinmonofosfátu, citlivost a vnímavost buněk k virovým infekcím, snížení buněčného metabolizmu, teratogenitu, karcinogenitu, hypertenzi, zrychlené stárnutí a další klinické poruchy. Dalšími pro praxi negativními dopady mohou být, především u nízkých dávek ionizujícího záření s nízkou energií, nebo UV záření, nebezpečí rekontaminace či reaktivace mikroorganizmů při úpravě pitné vody (Mechsner a Fleischmann 1990).

    Výše uvedené procesy se manifestují jako poškození chromozomů. Mikroskopicky lze zaznamenat výskyt chromozomálních aberací nejrůznějšího typu. K nejsledovanějším patří vznik dicentrických chromozomů. Další velmi slibnou metodou je sledování změny četnosti výměn sesterských chromatid i přesto, že nebyla nalezena úplná korelace s výskytem chromozomálních aberací (Rubeš 1988). Tato metoda je rutinně používána při testování chemických látek nebo fyzikálních vlivů na mutagenitu.

    Obnovení struktury a funkce DNA v biologických systémech po ozáření je pro organizmy jedním ze základních a nenahraditelných mechanizmů (Paterson 1979).

    Enzymové mechanizmy reparace DNA zahrnují odhalení, odstranění a obnovení poškozeného úseku řetězce DNA. Při poškození ionizujícím záření se většinou vyměňují 1-3 nukleotidy, na rozdíl od poškození UV zářením, kdy je potřebné nahradit asi 100 nukleotidů. K jejich opravě využívá enzym poly(ADP)ribózapolymeráza redukované pyridinové koenzymy. Tím klesá koncentrace oxidovaného nikotinamidadenindinukleotidu (NAD+), a klesne-li pod 50% původní hladiny, dochází k buněčné smrti. Poklesu koncentrace NAD+ a poškození DNA brání nikotinamid, který je navíc i slabším scavengerem hydroxylových radikálů a superoxidu (Mandrup-Poulsen et al. 1993). Reparační procesy DNA mohou trvat od 15 min do několika dnů, takže může dojít k opožděné obnově nukleotidů, což má za následek mutaci nebo smrt buňky (Bergendi 1988). Při reparaci DNA nejsou významné pouze endonukleázy, ale je též nutná přítomnost proteáz. Praktickým dopadem je pak radioprotektivní účinek enzymových preparátů (Barth a Grabner 1964).

FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY SONOGRAFIE

Rychlost šíření ultrazvuku je nezávislá na frekvenci. Pro tekutá prostředí - analogicky sem můžeme zahrnout též měkké tkáně - je rychlost šíření ultrazvuku c dána vzorcem

c =  K / r

,kde  K - modul objemové pružnosti      r - měrná hmotnost     c - rychlost.

Pružná prostředí, ke kterým počítáme měkké tkáně, vedou k útlumu intenzity I ultrazvukových vln 

I = I_o e^-2ßx

,kde  ß - lineární koeficient útlumu [dB]      x  - tloušťka absorpční vrstvy  I_o - intenzita zdroje

Absorpce ultrazvuku A je přímo úměrně závislá na frekvenci f, a tak nepřímo úměrně na vlnové délce

A ~ f

Energie ultrazvukových vln roste se čtvercem frekvence

I ~ f ²

Akustická impedance - ultrazvukový vlnový odpor z [Pa.s^-1]

z = c . r

, kde c - rychlost šíření ultrazvuku          r - měrná hmotnost

Fyzikálním principem sonografie je odraz ultrazvukové vlny na rozhraní tkání. Odrazy nesou informaci o prostředí, kterým ultrazvuk prošel. Vnitřní struktura tkání ovlivňuje rychlost šíření a útlumu. Tvar orgánů potom odraz a lom.

Vysokofrekvenční chirurgie 

(zpracováno podle materiálů firmy OLYMPUS)

Elektrický proud působící na biologickou tkáň má tři druhy účinků:

- tepelný efekt vyvolávající zvýšení teploty

- Faradayův efekt stimulující nervy a svaly

- elektrolytický efekt způsobující pohyb iontů

Ve vysokofrekvenční chirurgii se Faradayův efekt ruší použitím

vysokofrekvenčního střídavého proudu s frekvencí vyšší než 300

kHz, který vytváří teplo.

Tepla lze využít třemi způsoby:

- k tepelné koagulaci tkáně

- k řezání tkáně

- k vaporizaci

Při tepelné koagulaci zahřívá elektrický proud tkáň jen pomalu. Voda uvnitř tkání se pomalu vypařuje a buněčné bílkoviny ztrácejí své přirozené vlastnosti, což má za následek koagulaci tkáně. Při řezání se tkáň ohřívá elektrickým proudem velmi rychle. Teplota v buňkách tkání se rychle zvyšuje, intracelulární voda se vypařuje, a tím dochází ke zničení buněčných membrán. Při vaporizaci je elektrický výkon nastaven na vysoké hodnoty, intracelulární voda se vypaří okamžitě a tím dojde ke sražení tkáně a rozsáhlé koagulaci.

Při bipolární vysokofrekvenční chirurgii elektrický proud protéká mezi dvěma elektrodami nástrojů (např. mezi čelistmi dvoupólových lékařských kleští). Na malé ploše mezi oběma elektrodami tak vzniká velmi intenzivní proud, který vytváří dostatečné množství tepla ke koagulaci nebo řezání tkáně. Bipolární vysokofrekvenční chirurgie nevyžaduje dlouhou dráhu proudu v pacientově těle.

Při monopolární vysokofrekvenční chirurgii teče elektrický proud   od bodové aktivní elektrody (A) k neutrální elektrodě (P), která má větší plochu. Na malé ploše aktivní elektrody tak vzniká velmi vysoká proudová hustota, která vytváří dostatečné množství tepla ke koagulaci, řezání nebo vaporizaci tkáně.

K aktivním elektrodám patří:

- všechny vysokofrekvenční elektrody

- vysokofrekvenční resekční elektrody (v resektoskopech)

- monopolární ruční nástroje (např. monopolární lékařské kleště a nůžky)

Další termíny používané pro neutrální elektrodu jsou:

- destička pacienta

- indiferentní elektroda

- p-destička

■Připojení neutrální elektrody (praktické provádění (pouze pro monopolární vysokofrekvenční chirurgii)

• Neutrální elektrodu umístěte v blízkosti operačního pole, pokud možno na nadloktí nebo stehno.

• Kůže musí být na tomto místě bez ochlupení a mastnot.

• Na neutrální elektrodu rovnoměrně rozetřete vodivý gel.

Řiďte se návodem k neutrální elektrodě. Většina neutrálních elektrod na jedno použití nevyžaduje použití vodivého gelu.

• Přesvědčte se,  zda kontakt vznikl po celé ploše elektrody.

• Neutrální elektrodu umístěte delší stranou směrem k aktivní elektrodě.

Průtok proudu tělem

(pouze pro monopolární vysokofrekvenční chirurgii)

Dráhy proudu v těle pacienta mají být krátké a musí probíhat diagonálně. Nikdy nenechte probíhat proud napříč tělem nebo přes hrudník. Dbejte na to, aby byl průchod proudu byl co nejkratší !

■Poloha pacienta

• Pacient musí být izolován ode všech elektricky vodivých předmětů. Je bezpodmínečně nutné zamezit kontaktu pacienta s jinými kovovými díly (např. operačního stolu).

• Uzemněte operační stůl.

• Položte pacienta na suchou, elektricky izolující podložku.

• Zamezte kontaktu pokožky různých částí těla ( končetiny). Kontaktu pokožky zabráníte tak, že končetiny  oddělíte od těla suchou gázou.

výpočetní tomografie   CT

Název tomografie pochází z řečtiny  tomeo - řezat. Principiálně je založena na měření intenzity absorpce rentgenova záření tělem. Rentgenovo záření je filtrováno na jednu energii (při napětí rentgenky v oblasti 120 -140 kV). Následuje kolimace (usměrnění) paprsku. Po průchodu tělem pacienta je záření detekováno scintilačními detektory. Ve jednotlivých vrstvách šedi se zobrazuje průměrná absorpce záření v určitém objemu tkáně - voxelu. Celé tělo je tak rozděleno na tisíce voxelů. U současných přístrojů nejvyšších generací vzniká obraz expozicí axiální roviny po celém jejím obvodu, přičemž rotací rentgenek vůči detektorům vznikají data, která po zpracování PC vytváří absorpční profily a absorpční hodnoty pro jednotlivé voxely. Tak vzniká matice pixelů. Kalkulace absorpčních koeficientů pro voxely je vyjádřena v relativních denzitních jednotkách - CT číslo neboli  Hounsfieldova jednotka (HU).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

                                   μ_T  -  μ_v

 denzita (HU) =  ^{________________  . 1000}

                                         μ_v                                        

μ_T  absorpční koeficient  pro tkáň  (cm^-1)

μ_v   absorpční koeficient  pro vodu (cm^-1)

Ze vzorce je jasné, že pro vodu HU = 0 . Denzitu vyšší než nula mají všechny tkáně vyjma tukové a plynů. Hodnota pro vzduch HU = - 1000 .  Naopak nejvyšší denzitu mají kosti a zuby. Při běžně používaném rozpětí     4000 HU existuje maximální hodnota +3000. V praxi se používá rozpětí od -120 po + 1000 HU.

Hlavní výhodou CT je možnost kvalitního zobrazování nejen kostí, ale i měkkých tkání. Scintilační detektory jsou citlivější než emulze skiagrafie. Rozlišovací schopnost špičkových přístrojů je až 0,5 mm. Podávání kontrastních látek ještě zdůrazní rozdíly mezi normální a patologicky změněnou tkání.  Nevýhodou je zátěž pacienta relativně vysokou dávkou ionizujícího záření.