Bài giảng Lý sinh: Phần 2 - Trường ĐH Tây Nguyên

Tiếp nội dung phần 1, Bài giảng Lý sinh: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: dòng điện và sự sống; hiện tượng âm trên cơ thể sống; quang sinh học; bức xạ ion hóa và cơ thể sống. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương DÒNG ĐIỆN VÀ SỰ SỐNG MỤC TIÊU Sau học xong chương này, sinh viên có thể: − Nắm vững chất loại điện sinh vật bản, phương pháp ghi đo, điều kiện thí nghiệm giai đoạn xuất − Nắm vững lý thuyết giải thích hình thành loại điện sinh vật mối quan hệ chúng Vận dụng tính giá trị điện màng số điều kiện cho trước − Trình bày thơng số đặc trưng q trình kích thích thần kinh Giải thích tượng dẫn truyền xung động thần kinh − Nắm vững ý nghĩa thông số điện trở, điện dẫn tế bào mơ Giải thích chế phân cực hệ thống sống ứng dụng thực tiễn − Vận dụng kiến thức học vào thực tế học tập, nghiên cứu Các ghi chép cổ xưa người Ai Cập nay, khoa học xác nhận rằng, tự nhiên tồn số lồi sinh vật có khả phát điện Một số lồi cá điện sinh xung điện lên đến 600V, với dòng điện vào khoảng hàng trăm mA Dòng điện sinh vật từ lâu đề tài hấp dẫn nhà khoa học Năm 1786, Dr Louis De Galvanie phát tồn chênh lệch điện tế bào sống mơi trường bên ngồi Tuy nhiên, kết thực nghiệm sau đóng khung việc mơ tả tượng khó khăn q trình nghiên cứu sau: − Tốc độ biến đổi tín hiệu đối tượng nghiên cứu thay đổi nhanh, giá trị đo thường nhỏ − Đối tượng nghiên cứu thường có kích thước nhỏ (kích thước tế bào) − Phương pháp nghiên cứu phải đảm bảo không thay đổi trạng thái sinh lý đối tượng nghiên cứu Với thành tựu nghiên cứu mô sống năm 1940 – 1950 phát triển phương tiện ghi đo có độ nhạy cao, xác Trong thập niên gần đây, người vận dụng phương pháp ghi đo đại đồng vị phóng xạ, động học phân tử, hiển vi điện tử,… để tìm chất dòng điện sinh học Hiện tượng điện sinh vật kỹ thuật liên quan lĩnh vực điện sinh học Các thông số trình điện sở chức phận sinh lý tổ chức sống Một nội dung nghiên cứu quan trọng điện Các nghiên cứu rằng, tính chất đặc trưng tế bào động vật chúng mơi trường bên ngồi ln ln tồn chênh lệch điện Như vậy, nghiên cứu điện sinh học cần thiết phải nghiên cứu loại điện sinh vật, kỹ thuật ghi đo, xây dựng lý thuyết phù hợp để giải thích hình thành loại điện mối quan hệ chúng Trên sở ứng dụng vào thực tế chẩn đoán điều trị Để hiểu chế điện sinh vật cần hiểu số hiệu điện có liên quan sở hình thành điện sinh vật 77 5.1 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ CƠ BẢN 5.1.1 Điện điện cực (electrode) Khi nhúng điện cực kim loại vào dung dịch điện phân bề mặt điện cực xuất lớp điện tích kép Như vậy, điện cực dung dịch điện phân hình thành điện gọi điện điện cực Khảo sát trường hợp phổ biến sử dụng điện cực bạc (Ag) dung dịch nitrat bạc (AgNO3) Gọi μiđc hoá học ion kim loại điện cực μidd hoá học ion dung dịch Ta xét trường hợp sau: − Nếu μiđc < μidd: Các ion bạc (Ag+) chuyển dịch vào điện cực Điện cực tích điện dương xung quanh có lớp ion NO3- bao bọc tạo thành lớp điện kép Các ion Ag+ chuyển động theo hướng thiết lập trạng thái cân điện hóa Khi đó, hiệu điện hoá học điện cực (đc) dung dịch (dd) xác định bằng: 𝑍𝐹𝜓 = 𝜇𝑖𝑑𝑑 − 𝜇𝑖đ𝑐 (5.1) Ψ điện điện cực dung dịch; Z hoá trị ion tự do; F Hằng số Faraday − Nếu μiđc > μidd: Ion Ag+ rời khỏi kim loại để vào dung dịch, đó, điện cực tích điện âm xung quanh có lớp ion Ag+ Hiện tượng chuyển dịch ion dừng lại đạt tới trạng thái cân điện hoá − Nếu μiđc = μidd: Trong trường hợp này, dịch chuyển ion vào điện cực cân bằng, điện khơng Để tính hiệu số điện điện hóa dung dịch điện ly ta dùng phương trình Nernts sau: 𝑈𝑖 = 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑙𝑛 𝑍𝐹 𝐶𝑑𝑑 (5.2) 𝑅 số khí; 𝑇 nhiệt độ tuyệt đối; 𝑈𝑖 hiệu điện xuất chênh lệch điện ion tạo thành; 𝐶đ𝑐 𝐶𝑑𝑑 nồng độ ion điện cực dung dịch Điện nồng độ Điện nồng độ trường hợp riêng điện điện cực Khi nhúng hai điện cực kim loại vào hai dung dịch điện phân chúng với nồng độ khác (C1 ≠ C2) Khi đạt trạng thái cân điện hóa, điện cực thiết lập giá trị điện định phần nghiên cứu Và lúc này, hai điện cực xuất hiệu điện xác định công thức sau: 𝑈𝑐 = 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑅𝑇 𝐶đ𝑐 𝑅𝑇 𝐶2 𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 𝑍𝐹 𝐶1 𝑍𝐹 𝐶2 𝑍𝐹 𝐶1 (5.3) Trong đó: 𝐶1 𝐶2 nồng độ ion kim loại dung dịch Điện oxy hóa khử Là dạng điện điện cực, thể thường xảy loạt phản ứng oxi hóa khử Trong điều kiện định, phản ứng nguồn xuất 78 điện động Nếu hai điện cực làm từ kim loại trơ, platin vàng, nhúng vào hai dung dịch chứa FeCl2 FeCl3, nồng độ muối dung dịch lớn dung dịch khác Giữa điện cực có dịng điện qua Phản ứng làm xuất suất điện động 𝐶𝐹𝑒 2+ > 𝐶𝐹𝑒 3+ 𝐶𝐹𝑒 3+ > 𝐶𝐹𝑒 2+ Hình 5-1 Sơ đồ mơ tả thí nghiệm xác định điện oxy hóa – khử − Nếu 𝐶𝐹𝑒 3+ > 𝐶𝐹𝑒 2+ phản ứng Fe3+ + e- → Fe2+ cần chất cho electron − Nếu 𝐶𝐹𝑒 2+ > 𝐶𝐹𝑒 3+ phản ứng Fe2+ - e- → Fe3+ cần chất nhận electron − Nếu nối hai mạch có dịng điện chạy từ 2→1 điện cực âm, thừa electron Hiệu điện U hai điện cực mạch oxi hóa khử: 𝑈= 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ]1 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ]2 𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝐹𝑒 2+ ]1 𝐹𝑍 [𝐹𝑒 2+ ]2 hay là: [𝐹𝑒 3+ ]1 [𝐹𝑒 3+ ]2 𝑅𝑇 𝑈= (𝑙𝑛 − 𝑙𝑛 ) [𝐹𝑒 2+ ]1 [𝐹𝑒 2+ ]2 𝑍𝐹 (5.4) Điện điện cực đặc trưng biểu thức: 𝑉= 𝑅𝑇 [𝐹𝑒 3+ ] 𝑙𝑛 + 𝑉0 𝑍𝐹 [𝐹𝑒 2+ ] (5.5) [𝑂𝑥 ] + 𝑉0 [𝐾ℎ] (5.6) hay 𝑉 = 0,058𝑙𝑛 với V0 điện điện cực điều kiện tiêu chuẩn 5.1.2 Điện ion Điện ion xuất phân bố không đồng ion âm ion dương ranh giới Lớp điện kép hình thành khơng phải ranh giới điện cực dung dịch mà dung dịch Điện khuếch tán Đặt màng phân cách hai dung dịch điện ly có nồng độ khác ion có độ linh động khác Thực nghiệm cho thấy rằng, mặt phân cách xuất hiệu điện Giá trị hiệu điện xác định công thức sau: 𝑈𝐾𝑇 = 𝑅𝑇 𝑢+ − 𝑢− 𝐶2 𝑙𝑛 𝑍𝐹 𝑢+ + 𝑢− 𝐶1 79 (5.7) 𝑢+ 𝑢− độ linh động ion dương ion âm 𝑈𝐾𝑇 hiệu điện khuếch tán, hình thành nên khuếch tán loại ion với độ linh động khác Khi độ linh động cation anion hiệu điện khuếch tán khơng có phân bố đồng trở lại ion hiệu điện Điện màng cân Gibbs - Donnan Cân Gibbs - Donnan Khi có hai pha phân cách với màng bán thấm cho dung mơi ion có kích thước bé qua ion có kích thước lớn khơng thể qua Khi đó, hai pha có phân bố trở lại ion thiết lập nên trạng thái cân gọi cân Gibbs – Donnan Điện màng Giá trị điện khuếch tán phụ thuộc vào độ linh động ion chuyển dịch chênh lệch nồng độ ion Trong trường hợp sử dụng màng bán thấm ngăn cách hai pha màng bán thấm yếu tố tác động lớn đến độ linh động chênh lệch nồng độ ion pha, ảnh hưởng lên độ lớn điện khuếch tán Nói cách khác, tùy theo tính chất hóa học, kích thước siêu lỗ điện tích màng mà màng thấm khơng thấm ion khác nhau, từ làm xuất điện màng Điện màng phụ thuộc vào: − Tính thấm chọn lọc màng; − Kích thước, điện tích độ linh động ion hệ Phần I Trạng thái cuối Cl- K+ K+ R- C1 C1 C2 C2 Cl- K+ C1-x C1-x Màng Trạng thái đầu Phần II K+ Cl- R- C2 + x x C2 Hình 5-2 Sự phân bố ion trình thiết lập trạng thái cân Gibbs - Donnan Xét hệ gồm hai phần, ngăn cách màng bán thấm, phần I có dung dịch KCl, phần II có dung dịch muối protein Kali màng thấm ion K+ Cl- Sau thời gian, trạng thái cân động thiết lập hai phía màng có chênh lệch nồng độ ion khả khuếch tán qua màng [𝐾 + ]1 < [𝐾 + ]2 [𝐶𝑙 − ]1 > [𝐶𝑙 − ]2 Do chênh lệch nồng độ hai phía màng xuất hiệu điện màng Um 80 [𝐾 + ]1 𝑅𝑇 [𝐾 + ]1 𝑈𝑚 = 𝑙𝑛 = 0,058𝑙𝑛 + [𝐾 ]2 𝑍𝐹 [𝐾 + ]2 [𝐾+ ] [𝐶𝑙 − ] Khi trạng thái cân Donnan thiết lập [𝐾+ ]1 = [𝐶𝑙−]2, nên: 𝑈𝑚 = 𝑅𝑇 [𝐾 + ]1 𝑅𝑇 [𝐶𝑙 − ]2 𝑙𝑛 = 𝑙𝑛 𝑍𝐹 [𝐾 + ]2 𝑍𝐹 [𝐶𝑙 − ]1 (5.8) 5.2 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ SINH VẬT Từ kết thực nghiệm tiếng Dr Louis De Galvanie chứng minh đặc trưng quan trọng tế bào sống, chúng mơi trường bên ngồi ln tồn chênh lệch điện Tùy theo nguyên nhân xuất hiện, phương pháp đo đạc điều kiện thí nghiệm, phân chia thành nhiều loại điện khác Về là: điện nghỉ, điện tổn thương, điện hoạt động 5.2.1 Điện tĩnh Điện tĩnh hay gọi điện nghỉ, điện đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường đối tượng sinh vật Điện tĩnh phát phương pháp ghi đo Thí nghiệm Phương pháp sử dụng nguyên tắc hoạt động máy ghi đo điện Trong trường hợp sử dụng phương pháp ghi đo vi điện cực Thí nghiệm tiến hành sau: (a) (b) (c) Hình 5-3 Ghi đo điện nghỉ a) Đặt hai vi điện cực phía ngồi màng b) Đặt vi điện cực bên vi điện cực xuyên qua màng c) Cắm hai vi điện cực xuyên qua màng Khi đặt hai điện cực bề mặt sợi thần kinh, kim điện kế đồng hồ đo dòng điện khơng lệch khỏi điểm khơng Chứng tỏ khơng có chênh lệch điện Khi đặt điện cực phía bên ngồi màng vi điện cực cắm xuyên qua màng, hai điện cực xuất hiệu điện Khi hai vi điện cực xuyên qua màng kim điện kế giá trị khơng, hai điện cực khơng có chênh lệch điện 81 Như vậy, phần bên tế bào mơi trường bên ngồi ln ln tồn hiệu điện Sự chênh lệch điện gọi điện nghỉ hay điện tĩnh màng (resting membrane potential) Đặc điểm Điện nghỉ có hai đặc điểm sau: − Mặt tế bào sống ln ln có giá trị điện âm so với mặt bên ngoài, tức chiều điện nghỉ không đổi − Điện nghỉ có giá trị biến đổi chậm theo thời gian Các yếu tố ảnh hưởng Điện nghỉ đặc trưng cho trạng thái sinh lý bình thường hệ thống sống, yếu tố làm ảnh hưởng đến trình trao đổi chất bình thường ảnh hưởng đến điện tĩnh hệ: − Dưới tác dụng dịng điện bên ngồi − Thay đổi thành phần ion môi trường − Sự tác động số độc tố lên hệ thống sống − Khi thay đổi lượng oxy môi trường − Ở loại tế bào khác giá trị điện nghỉ đo khác nhau, thay đổi khoảng từ -10mV đến -100mV Sự chênh lệch điện tồn phần khác hệ sinh vật yếu tố đặc trưng cho thể sống 5.2.2 Điện hoạt động Tất tế bào sống có đặc tính dễ bị kích thích, tức có khả chuyển từ điều kiện sinh lý trạng thái bình thường sang trạng thái hoạt hố Dưới ảnh hưởng tác nhân kích thích đó, tế bào dễ dàng bị thay đổi tính chất hố lý màng Một tượng đặc biệt diễn hoạt động sống tế bào, dao động điện Dao động điện màng xuất tế bào thần kinh, cơ, số tế bào khác có sóng hưng phấn truyền qua Khi có sóng hưng phấn truyền đến, dao động điện xuất dạng đảo cực điện màng, giá trị điện mặt bên trở nên âm so với điện mặt bên Hiệu điện xuất trường hợp gọi điện hoạt động Để xác định điện hoạt động, thông thường ta sử dụng kỹ thuật ghi đo vi điện cực nội bào hai phương pháp sau: Phương pháp hai pha Tiến hành khảo sát sợi thần kinh kích thích ví trí (1), hai điện cực đặt hai vị trí (2) (3) Theo dõi biến đổi giá trị điện qua điện kế G nhạy nối hai điện cực 82 Nếu dùng tác nhân kích thích sợi thần kinh vị trí (1); theo quan niệm cổ điển có sóng hưng phấn truyền dọc theo sợi thần kinh U = 60mV U=0 U=0 U = - 60mV Hình 4-4 Ghi đo điện hoạt động hai pha a) Kích thích vị trí (1); b) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (2) c) Sóng hưng phấn nằm vị trí (2) (3) d) Sóng hưng phấn truyền đến vị trí (3) − Khi sóng kích thích lan truyền đến vị trí (2) hai điện cưc đặt vị trí (2) (3) xuất giá trị hiệu điện U đó, khoảng 60mV − Khi sóng kích thích lan truyền vị trí (3) hiệu điện giảm dần, tiến giá trị khơng (U = mV) sau chuyển giá trị âm − Khi sóng kích thích truyền đến vị trí (3) điện âm đạt giá trị điện áp tới hạn (Uth) (Uth = -60 mV) − Khi sóng rời khỏi vị trí (3) hiệu điện hai điện cực trở lại giá trị U khơng ban đầu Hình 5.5 Đặc tuyến biến đổi điện Phương pháp pha hoạt động hai pha theo thời gian Phương pháp pha phương pháp ghi đo điện hoạt động cách đặt điện cực đặt vị trí (2) vi điện cực khác cắm xuyên qua màng vị trí (3) Sau kích thích vị trí (1) khảo sát sóng hưng phấn kích thích truyền dọc theo đối tượng nghiên cứu 83 U = -60mV U=0 U = -60mV Hình 5-6 Sơ đồ ghi đo điện hoạt động pha sợi thần kinh a) Kích thích vị trí (1) b) Sóng kích thích truyền đến vị trí (2) c) Sóng kích thích truyền đến vị trí (3) − Khi chưa kích thích, vi điện cực (2) vi điện cực (3), xuất chênh lệch điện thế, điện nghỉ sợi thần kinh Điện có giá trị khoảng - 60mV đến - 100mV − Khi kích thích vị trí (1), sóng hưng phấn lan truyền đến vị trí (2), giá trị điện tăng dần đến không Hiệu tăng nhanh đạt tới giá trị cao U = sóng hưng phấn đến vị trí (2) − Khi sóng hưng phấn truyền từ vị trí (2) đến (3) hiệu điện hoạt động giảm điện nghỉ lúc đầu Các giai đoạn hình thành U (m - 40 -60 t a c b Hình 5-7 Đặc tuyến biến đổi điện hoạt động pha theo thời gian Khoảng vài thập niên trở lại đây, nhờ thiết bị ghi đo đại, điện hoạt động pha biểu diễn cách tỉ mỉ, xác Sự hình thành điện hoạt động chia làm nhiều giai đoạn biến đổi sau: − Giai đoạn khử cực (Depolarization): Hiệu điện hai phía màng biến đổi từ giá trị điện nghỉ đến điểm có điện không (U = mV) − Giai đoạn khử cực: Hiệu điện hai phía màng vượt giá trị điện không, tiếp tục biến đổi phía có điện dương − Giai đoạn phân cực lại (Repolarization): Hiệu điện hai phía màng giảm trở lại giá trị điện nghỉ 84 − Giai đoạn phân cực: Hiệu điện hai phía màng có giá trị âm điện nghỉ Nếu kích thích có cường độ đủ lớn ta nhận thấy rằng: − Trong thời gian xuất pha lên (nhánh lên) điện màng vượt giá trị điện khơng, ta thấy có đảo cực điện màng − Trong pha xuống (nhánh xuống), màng có phân cực lại Điện hoạt động pha phụ thuộc vào khoảng cách hai điện cực phụ thuộc nhiều vào tốc độ dẫn truyền hưng phấn mV 60 40 20 B Cắm vi điện cực A’ B’ -20 -40 D A -60 C Kích Hình 5-8 Các giai đoạn biến đổi điện hoạt động 5.2.3 Điện tổn thương Điện tổn thương hiệu điện xuất chênh lệch điện vùng bị tổn thương vùng khơng bị tổn thương Sự tổn thương xảy nhiều nguyên nhân khác (như tác động học, nhiệt, điện, hoá học ) làm xuất chênh lệch điện Đối tượng động vật Đặc trưng điện tổn thương đối tượng động vật là: − Giá trị hiệu điện giảm dần biến đổi chậm theo thời gian − Điện tổn thương phụ thuộc nhiều vào điều kiện khảo sát phương pháp ghi đo − Độ lớn điện bị ảnh hưởng nhiều tuỳ thuộc vào điều kiện sinh lý đối tượng nghiên cứu Không thể dựa số liệu giá trị tuyệt đối điện thể tổn thương để so sánh rút kết luận tính chất điện chúng Ảnh hưởng điều kiện sinh lý khó xác định tính chất tổn thương Đối tượng thực vật Khảo sát tính chất điện đối tượng thực vật cho thấy có nhiều điểm tương tự động vật, là: − Có chênh lệch điện vùng bị tổn thương vùng không bị tổn thương − Điện tổn thương có giá trị âm − Điện tồn khoảng thời gian ngắn − Giá trị điện giảm nhanh theo thời gian tuỳ thuộc vào điều kiện thí nghiệm, phụ thuộc vào khoảng cách vùng khảo sát − Khả xuất điện khu trú vùng bị thương tổn Các yếu tố ảnh hưởng Thực nghiệm chứng tỏ rằng, yếu tố làm ảnh hưởng đến trình trao đổi chất bình thường tế bào mô làm thay đổi giá trị điện tổn thương như: − Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường 85 − Thay đổi thành phần môi trường, Oxy liên quan nhiều trình trao đổi chất − Sự tác động trường lực điện bên (điện trường, từ trường ) liên quan đến chuyển dịch ion qua màng − Sự tác động độc tố vào môi trường có liên quan đến thay đổi điều kiện sinh lý bình thường 5.3 BẢN CHẤT VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THẾ SINH VẬT Để giải thích chế, chất nguồn gốc loại điện sinh vật, ta dựa vào số giả thuyết, lý thuyết ion loại điện trình bày phần Trên sở lý thuyết thực nghiệm ghi nhận được, “Lý thuyết ion màng” chấp nhận có sở vững 5.3.1 Nguồn gốc chất điện tĩnh Theo thuyết ion màng, trình hình thành điện sinh vật ion (đặc biệt ion Na+, K+, Cl-) dịch nội bào bên tế bào đóng vai trị định Theo đó, ta xác định giá trị điện tĩnh tương ứng với phân bố nồng độ ion hai phía màng trạng thái bình thường Thực nghiệm khảo sát phân bố ion ảnh hưởng đến hiệu điện màng mammalian sau: Bảng 5-1 Nồng độ số loại ion tế bào Mamalian Nồng độ ion dịch ngoại bào [ion]0 (μM/cm3) Na+ K+ H+ Khác ClHCO3Khác Điện 145 -5 3,8.10 120 27 Nồng độ ion dịch nội bào [ion]i (μM/cm3) Na+ K+ H+ ClHCO3A- [ion]0/[ion]i εm(mV) 12 155 13.10-5 12,1 1/39 1/3,4 66 -97 -32 155 30 3,7 -90 -32 -90 1/30 -90 Lý thuyết ion màng nhiều khoa học xây dựng nên Bernstein, Boyler Conwey, Goldmann Sau ta xem xét lý thuyết nhà khoa học này: Theo Bernstein Ông người cho rằng, điện tĩnh kết phân bố khơng ion hai phía màng tế bào Ở trạng thái tĩnh, màng tế bào không thấm ion Na+ Cl- mà thấm ion K+ Khi tượng trao đổi chất xảy ra, có phân bố không đồng ion hai bên màng dẫn đến hình thành điện tĩnh Điện tĩnh có giá trị khác tuỳ thuộc vào đối tượng nghiên cứu 86 − Ion hóa phân tử nước: H2O → (H2O)+ + e H+ OH+ H- e- + H2O → (H2O)OH+ Các phân tử trạng thái kích thích H*, OH* dễ kết hợp với tạo sản phẩm hóa học mới: H* + H* → H2* OH* + H* → H2O* OH* + OH* → H2O2 Trong trường hợp tổ chức mơ có chứa nhiều O2, lượng H2O2 sản sinh nhiều theo phản ứng sau: H2O* + O2 → OH* + HO2* Hoặc H* + O2 → HO2 HO2 + HO2 → H2O2 + O2 Nếu nước có chất hịa tan HO2* lấy điện tử chất biến thành HO2rồi tương tác với H tạo thành peroxyd theo phản ứng HO2* + e- → HO2- + H+ → H2O2 H2O2 hợp chất có tính oxy hóa mạnh nên độc phân tử hữu Ngoài ra, gốc tự H*, OH* dễ phản ứng với phân tử hữu gây nên biến đổi tạo gốc kích thích R* RO2* theo chế sau đây: RH + H* → R* + H2 Và RH + OH* → R* + H2O Các gốc R* dễ gây phản ứng hóa học làm cho số lượng phân tử hữu bị tổn thương tăng lên nhiều theo phản ứng dây chuyền sau: R* + O2 → RO2* RO2* + RH → ROOH + R* Hai chế tác dụng trực tiếp tác dụng gián tiếp có giá trị quan trọng 8.3.2 Tổn thương xạ ion hóa a Tổn thương mức độ phân tử Biểu tổn thương phân tử chiếu xạ là: − Giảm hàm lượng hợp chất hữu định sau chiếu xạ − Hoạt tính sinh học phân tử hữu bị suy giảm hẳn cấu trúc phân tử bị phá vỡ bị tổn thương − Tăng hàm lượng số chất có sẵn xuất chất lạ tổ chức sinh học 155 Tổn thương phân tử protein Tác dụng xạ ion hóa phức tạp nhiều biến đổi bên cấu trúc khó phát Một số biến đổi xảy như: − Đứt gãy mạch làm suy giảm trọng lượng phân tử, độ nhớt phân tử − Khâu mạch: khâu mạch diễn bên phân tử phân tử với − Phá hủy cấu trúc thứ cấp, cấu trúc không gian Các cấu trúc trì nhờ liên kết hydro cầu di-sulfua Biểu biến đổi phân tử protein thay đổi tính chất lý hóa độ dẫn điện, độ nhớt, lượng phân tử, tính chất quang phổ, độ hịa tan … Đối với enzyme, quan sát thấy điều kiện in-vitro có giảm hoạt tính sau chiếu xạ; điều kiện in-vivo có tăng tạm thời hoạt tính men thời gian ngắn Tổn thương phân tử nucleic acid Đối với RNA thường bị đứt đoạn ngắn Sự nối lại mạch bị đứt không hoàn toàn trật tự cũ bị phá vỡ làm hoạt tính chức hoạt động bị sai lệch Đối với DNA hai mạch xoắn nên hiệu ứng có nhiều khác biệt, thường có loại tổn thương sau đây: − Tổn thương base gốc đường: làm thay đổi phản ứng sinh tổng hợp base, làm biến đổi cấu trúc tách base khỏi khung ribophosphat DNA Tất mạch nối hydrơ vị trí số đến số gốc đường bị tổn thương − Gãy mạch nối đơn cấu trúc DNA: làm đứt chuỗi polynucleotide, tạo mảnh phân tử DNA Từ tạo tượng khâu mạch, tạo gel, xếp lại nhiễm sắc thể − Phá hủy cấu trúc không gian phân tử DNA: đứt chuỗi polynucleotid, đứt liên kết phosphodieste tạo liên kết hóa học thơng qua tượng kết hợp chéo (cross linking) Các tổn thương phân tử DNA ảnh hưởng đến tính chất di truyền phân tử b Tổn thương mức độ tế bào Khi phân tử cấu tạo nên tế bào bị tổn thương phóng xạ hoạt động chức đời sống tế bào bị ảnh hưởng Chức tế bào bị ảnh hưởng phụ thuộc vào tổn thương phân tử chức năng, chủ chốt DNA lượng hấp thụ để ảnh hưởng đến mức độ tổn thương Một chức quan trọng tế bào chức sinh sản Có hai biểu tổn thương chức sinh sản: − Sự phân bào bị chậm trễ: liều chiếu khoảng vài centi Gy Nguyên nhân giai đoạn G2 bị ách tắc giai đoạn S kéo dài trình tổng hợp DNA bị suy giảm − Tế bào chết: hấp thụ liều từ – Gy, lúc đầu tế bào phân bào chậm sau khả Hiện tượng xảy tế bào bị chiếu xạ đến hệ sau (hình 8-13) Những tế bào chết tổn thương nặng nhân, nhiễm sắc thể Lúc tế bào khả sản xuát enzyme cần thiết cho sống cho phân bào Độ mẫn cảm phóng xạ tế bào bị chiếu xạ, tuân theo nguyên tắc BT (Bergonic Tribondeau) đưa năm 1906: “Độ mẫn cảm phóng xạ tế bào tỷ lệ với hoạt tính phân bào tỷ lệ nghịch với mức độ biệt hóa chúng” Có nghĩa “Tác dụng phóng xạ lớn 156 tế bào phân chia mạnh, tương lai phân bào dài (nghĩa xa giai đoạn cuối trình tái sản sinh tế bào) chức năng, cấu trúc chúng chưa cố định” Hình 8-13 Sơ đồ phân bào tế bào sau bị chiếu xạ Độ mẫn cảm phóng xạ giai đoạn khác khác Ta biết rằng, chu trình sống tế bào chia làm giai đoạn sau: − Giai đoạn thứ (pha G1): Tế bào vừa hình thành, chủ yếu thực trình sinh tổng hợp protein chất chuyển hóa để phát triển thể tích tích lũy chất cần thiết cho trình tổng hợp DNA Giai đoạn chiếm khoảng nửa thời gian chu kỳ sống tế bào − Giai đoạn thứ hai (pha S): tổng hợp DNA, DNA tế bào tăng lên gấp đôi − Giai đoạn thứ ba (pha G2): tổng hợp loại enzyme tham gia trực tiếp vào trình phân bào − Giai đọan thứ tư (pha M): phân chia, thời gian giai đoạn ngắn Ở tế bào, giai đoạn G1, khởi đầu giai S, giai đoạn G2 M nhạy cảm có độ nhạy cảm tương đương Giai đoạn S có độ nhạy cảm c Tổn thương mô quan Tổn thương mô xạ bị ảnh hưởng nhiều yếu tố mà trước hết độ nhạy cảm phóng xạ loại mơ khác Độ nhạy cảm tuân hay độ mẫn cảm mô quan tuân theo nguyên tắc Bergonic – Tribondeau: − Nơi có cường độ trao đổi chất lớn mức độ mẫn cảm với phóng xạ cao − Những mơ tế bào chưa chun hóa có độ mẫn cảm cao chuyên hóa − Cơ thể nấc thang tiến hóa cao mẫn cảm phóng xạ 157 Dựa độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau, phân loại mô: − − − − − Rất nhạy: Tủy xương, tổ chức lympho, tổ chức sinh dục, niêm mạc ruột Nhạy cảm vừa: Da niêm mạc tạng Nhạy cảm trung bình: Mơ liên kết, mao mạch, sụn xương Nhạy cảm thấp: Xương, phủ tạng, tuyến nội tiết Rất nhạy cảm: Cơ bắp, neuron thần kinh Mô tả tổn thương số mô đặc biệt sau: − Máu quan tạo máu: Hình ảnh tủy đồ sớm thay đổi nhiễm xạ sau thay đổi số lượng tế bào máu ngoại vi Ở tủy đồ trước hết người ta quan sát thấy sụt giảm dòng hồng cầu, bạch cầu đa nhân Ở máu ngoại vi thay đổi xảy ngược lại Đầu tiên giảm lượng bạch cầu lymphocyte, bạch cầu đa nhân, tiểu cầu đến hồng cầu Với liều hấp thụ toàn thân Gy có thay đổi khó chữa dẫn đến tử vong biến chứng Nhiễm liều – Gy địi hỏi phải chữa chạy tích cực kể ghép tủy Sự suy giảm tế bào máu gây nên bệnh cảnh suy tủy: giảm tế bào máu (xanh, yếu), giảm sức đề kháng thể, dễ xuất huyết… Khả phục hồi tủy xương điều trị phụ thuộc vào cách điều trị liều lượng hấp thụ từ chùm tia − Bào thai: Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức tổn thương mơ bào thai tuổi Tùy theo giai đoạn phát triển bào thai bị chiếu xạ mà loại tổn thương xảy khác nhau: bào thai chết, quái thai, dị tật bẩm sinh, ảnh hưởng phát triển thai nhi Tất nhiên liều lượng yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến loại tổn thương − Các mô sinh dục: Bức xạ ion hóa tiêu diệt tế bào sản sinh tinh trùng mô sinh dục nam Với liều – Gy gây vô sinh nam giới Liều LD50 nang buồn trứng 0,1 Gy Ngoài việc tiêu diệt tế bào buồng trứng gây vô sinh nữ, xạ ion hóa gây rối loạn hormone tế bào buồng trứng dẫn đến rối loạn kinh nguyệt − Da niêm mạc: Thường xuất sau thời kỳ tiềm tàng từ đến tuần Hay gặp viêm đỏ da niêm mạc Tiếp theo viêm da khơ, lt Trong viêm da khơ, da bị teo, bóng, khơ tiết mồ biến đổi màu sắc tích nhiều sắc tố bề mặt da Trong viêm ướt, tổ chức da bị loét, nhiễm trùng hoại tử tổ chức xuống mô sâu Các tổn thương da phụ thuộc vào liều lượng Liều lượng lần 10 Gy gây viêm đỏ da, liều 15 Gy gây khô liều 30 Gy gây hoại tử da Tùy vị trí niêm mạc bị tổn thương mà có triệu chứng khác nhau: niêm mạc dày, ruột, đường hô hấp Tổn thương niêm mạc gây ảnh hưởng đến việc tiết dịch Liều 25 – 45 Gy gây vết loét dày, ruột Tổn thương viêm loét giác mạc, đục thủy tinh gây hậu mù lòa 158 8.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học xạ ion hóa a Các yếu tố thuộc chiếu xạ Ảnh hưởng chất lượng tia Tác dụng sinh học chùm tia phụ thuộc vào số lượng cặp ion hóa tạo tổ chức sinh học tương tác Khả ion hóa phụ thuộc vào chất tia lượng tia Ở đây, khả ion hóa tia xạ đặc trưng đại lượng truyền lượng tuyến tính LET, giá trị LET lớn số lượng cặp ion hóa nhiều, tác dụng sinh học tia lớn Ngoài ra, tia xạ ion hóa khác lại có khả xuyên sâu qua tổ chức khác Cùng tia lượng tia lớn khả xuyên sâu nhiều, giá trị LET lớn, tác dụng sinh học tia khác Ảnh hưởng liều lượng, suất liều yếu tố thời gian Liều chiếu yếu tố quan trọng định tính chất tổn thương sau chiếu xạ Liều lớn, tổn thương nặng xuất sớm Bảng 8-1 Đáp ứng liều – hiệu ứng sau chiếu xạ toàn thân Liều Hiệu ứng 0,1 Gy Khơng có dấu hiệu tổn thương lâm sàng Tăng sai lạc nhiễm sắc thể phát Gy Xuất bệnh nhiễm xạ số – 7% thể sau chiếu xạ – Gy Rụng lơng, tóc, đục thủy tinh thể, giảm bạch cầu, xuất ban đỏ da Bệnh nhiễm xạ gặp hầu hết đối tượng bị chiếu Tử vong 10 – 30% số thể sau chiếu xạ – Gy Giảm bạch cầu nghiêm trọng, ban xuất huyết, xuất huyết, nhiễm khuẩn, rụng lơng, tóc Tử vong 50% số cá thể sau chiếu xạ Gy Vô sinh lâu dài nam nữ Tử vong 50% số thể bị chiếu, chí trường hợp điều trị tốt Việc phối hợp ảnh hưởng liều lượng yếu tố thời gian có vai trị quan trọng Thực nghiệm cho thấy rằng, chiếu toàn thân chuột liều 25r ta không quan sát thấy tổn thương Nếu chiu liều liên tục 10 ngày đến ngày cuối xuất triệu chứng chiếu lần với liều lượng 250r Nếu giảm liều xuống cịn 5r/lần phải sau 60 lần chiếu thấy tổn thương Như vậy, có tượng tích lũy liều thể chuột để cuối tổn thương xuất tương đương với tổn thương liều tổng cộng Nhưng giảm suất liều xuống 3r/lần 1r/lần khơng thấy tổn thương xuất dù liều tổng cộng lên tới 250r – 300r Như vậy, với liều lượng chia nhỏ rải thời gian dài tác dụng sinh học giảm Đó ảnh hưởng thời gian Suất liều nhỏ thời gian lần chiếu dài tổn thương khả phục hồi lớn 159 Bảng 8-2 Ảnh hưởng tốc độ chiếu đến tác dụng sinh học xạ ion hóa Liều lượng (r) Tốc độ chiếu (r/h) Thời gian chiếu (h) Tỷ lệ chết (%) 772 2539 0,3 50 785 896 0,88 50 800 240 3,3 50 1010 87 11,6 50 1281 37 31,9 50 1658 276 50 2760 4,7 576 50 Tùy mục đích cơng việc, tùy mơ đối tượng nghiên cứu mà người ta lựa chọn liều lượng tổng cộng, suất liều thời gian cách quãng hai lần chiếu thích hợp cơng việc thực tế Trong điều trị chiếu xạ, để đạt tác dụng điều trị định trước cần phải có tổng liều tích lũy đủ lớn suất liều thích hợp thời gian chiếu kéo dài b Các yếu tố gắn với đối tượng chiếu xạ Diện tích chiếu: Mức độ tổn thương sau chiếu xạ cịn phụ thuộc nhiều vào diện tích chiếu, chiếu phần (chiếu cục bộ) hay toàn thể Liều tử vong chiếu xạ toàn thân thường thấp nhiều so với chiếu xạ cục Hàm lượng nước: Trong chế gián tiếp, xạ ion hóa tạo gốc tự OH*, H* chất oxy hóa mạnh H2O2, phản ứng mạnh với phân tử sinh học Ngồi nhờ có nước mà gốc tự H2O2 di chuyển xa, làm cho hiệu ứng sinh học lan rộng Oxy: Tác dụng sinh học xạ ion hóa tăng lên mơi trường có nhiều oxy, lúc lượng chất oxy hóa H2O2 tăng lên ngồi oxy cịn tạo peroxyd hoạt động mạnh (cơ chế gián tiếp có mặt oxy) Cần lưu ý hiệu ứng oxy xuất có mặt lúc chiếu xạ, thời gian tồn gốc tự ngắn Nhiệt độ: Hạ nhiệt độ môi trường, tác dụng sinh học xạ ion hóa giảm gốc tự H2O2 giảm chuyển động nhiệt giảm phản ứng hóa học Hạ nhiệt độ đến đóng băng, tác dụng xạ ion hóa giảm hẳn kể có mặt nước c Các chất bảo vệ Các chất bảo vệ làm giảm tác dụng xạ ion hóa theo chế: − Cạnh tranh lượng chất bảo vệ phân tử cấu tạo tổ chức Năng lượng chùm tia truyền cho phân tử chất bảo vệ, từ chuyển thành dạng lượng nhiệt quang ngồi − Các phân tử cấu tạo hấp thụ lượng bị chuyển thành dạng Ở dạng chúng tương tác với phân tử chất bảo vệ truyền lượng cho chất bảo vệ, trở lại cấu trúc ban đầu − Các chất bảo vệ khử gốc tự tạo thành sau chiếu xạ, làm giảm tác động xạ 160 − Một số chất bảo vệ có tác dụng làm tăng phản ứng tự vệ thể co mạch, tăng cường trao đổi chất, tăng tiết độc tố, tăng phản ứng oxy hóa làm giảm lượng oxy nước tổ chức, bảo vệ thể trước tác dụng độc tố tạo sau bị chiếu xạ Tuy chất bảo vệ khơng có tác dụng với hiệu ứng đột biến thường lại độc với thể 8.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HĨA 8.4.1 Phân tích cấu trúc vật chất tia X a Phân tích cấu trúc vĩ mơ vật chất Nguyên lý ứng dụng − Cơ sở phương pháp phân tích vĩ mơ quy luật hấp thụ tia X phụ thuộc hệ số hấp thụ vào đặc tính cấu trúc vật cần nghiên cứu Nếu chiếu chùm tia X song song có cường độ I0 tới lớp vật chất có bề dày x Cường độ chùm tia lo sau lớp vật chất I Quy luật hấp thụ: 𝐼 = 𝐼0 𝑒 −𝜇.𝑥 Trong e số tự nhiên  hệ số hấp thụ bậc phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc vật chất Hình 7-14 Quy luật hấp thụ − Sơ đồ khối phương pháp phân tích sau: tia X Hình 8-15 Sơ đồ khối phương pháp phân tích cấu trúc vĩ mơ vật chất tia X Khối phát chùm tia X cường độ đồng phủ kính đối tượng nghiên cứu (khối 2) Chùm tia X sau qua đối tượng nghiên cứu, bị hấp thụ khác vùng khác tiết diện, tạo ảnh ẩn cấu trúc bên vật Khối huỳnh quang phim ảnh có nhiệm vụ biến ảnh ẩn thành ảnh hiện, biểu thị cường độ ánh sáng huỳnh quang mức độ sáng tối phim ảnh Phương pháp sở việc chẩn đoán tia Roentgen (chẩn đoán X quang) y tế Bằng thủ thuật khác nhau, người ta làm cho hình ảnh rõ nét, phân tích cấu trúc lớp vật chất nằm song đối tượng nghiên cứu Kỹ thuật chụp cắt lớp tia X (computerized tomography: C.T scanner) ứng dụng nhiều y học để chẩn đoán bệnh Trong C.T Scanner người ta cho chùm tia X chiếu xoay quanh bệnh nhân Khi qua khỏi thể bệnh nhân, chùm tia tiếp nhận phận điện tử có độ nhạy cao gấp 100 lần so với phim X quang Sự di chuyển ngược hướng vận tốc ống phóng tia phim chụp làm cho vị trí phim ảnh điểm thuộc lớp vật giữ ngun Do đó, hình ảnh thu rõ không bị chồng lấn Nhờ hệ thống máy tính thu nhận tái tạo hình ảnh tia X phát bình diện khác thể Do đó, thu hình ảnh khác theo “lớp cắt” dọc, ngang… 161 Phân tích cấu trúc vi mơ vật chất Tia Roentgen (tia X) có chất sóng điện từ sóng ánh sáng nên có tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ giao thoa gặp điều kiện tích hợp Một số vật chất có cấu tạo tinh thể, tức có cấu trúc mạng không gian mà nút mạng nguyên tử ion Khoảng cách ion cạnh khoảng 2,8.10-8cm, tương đương với bước sóng tia X Hình 8-16 Sơ đồ nguyên tắc chụp cắt lớp tia X Năm 1912, Laue Bragg tiến hành thí nghiệm tượng nhiễu vạ giao thoa tia X mạng tinh thể Kết là: - Nếu chiếu chùm tia X đơn sắc song song vào mạng tinh thể nguyên tử nút mạng trở thành trung tâm tán xạ theo hướng (hình 6-.) - Các tia có hiệu số khoảng cách trung tâm tán xạ ảnh số nguyên lần bước sóng tia hình xuất cực đại giao thoa Khi có số lớn trung tâm tán xạ đạt điều kiện cường độ tổng cộng đạt tới giá trị I 𝑛 𝐼 = (∑ 𝐸𝑖 ) 𝑖=1 Ii tỷ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường Ei điểm Hình 8-17 Thí nghiệm tượng nhiễu vạ giao thoa tia X mạng tinh thể (Laue Bragg) Các tia tới 1, song song, tạo tia phản xạ 1’, 2’ từ nguyên tử mặt phẳng mạng cạnh Chỉ tia xác định phương (đặc trưng góc ) có cực đại giao thoa hiệu đường tia phản xạ phát từ nguyên tử số nguyên lần bước sóng  theo hệ thức sau: 162 2𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑘𝜆 Như vậy, để cường độ giao thoa đạt cực đại tiến hành hai cách sau: - Thay đổi liên tục bước sóng  có giá trị  làm cho hệ thức thõa mãn - Quay tinh thể xung quanh trục định để làm cho góc  thay đổi có giá trị thõa mãn điều kiện Dựa vào nguyên tắc đó, ta xác định khoảng cách góc khơng gian phần tử mạng tinh thể Bằng kỹ thuật xác định cấu trúc nhiều phân tử sinh học phức tạp b) a) Hình 8-18 a) Sơ đồ phân tích cấu trúc phân tử DNA; b) Ảnh thu 7.4.2 Ứng dụng đồng vị phóng xạ y sinh học Phương pháp đánh dấu phóng xạ Đây kỹ thuật ứng dụng rộng rãi chẩn đoán điều trị bệnh Cơ sở phương pháp dựa vào đặc điểm sau đây: − Đồng vị phóng xạ đồng vị bền chịu trình sinh lý sinh hóa tổ chức sống − Khối lượng chất đánh dấu thường nhỏ không gây nên ảnh hưởng đến hoạt tính tổ chức sống − Các kỹ thuật áp dụng thường khơng gây thương tổn cao tiêm tĩnh mạch − Liều chiếu dùng cho bệnh nhân thường nhỏ nghiệm pháp tương đương dùng tia X, khảo sát ghi hình nhiều lần với liều chiếu Một chất đánh dấu lý tưởng cần thỏa mãn đặc tính sau: − Có tính chất hồn toàn giống đối tượng cần khảo sát − Được hấp thụ hồn tồn, nhanh chóng riêng mô, quan cần khảo sát − Nồng độ thay đổi chỗ suốt trình khảo sát − Nhanh chóng hồn tồn đào thải sau khảo sát xong − Bức xạ phát dễ dàng ghi đo phương tiện sẵn có − Tạo liều hấp thụ thấp Các ứng dụng phương pháp đánh dấu phóng xạ kể đến là: − Thăm dò chức tế bào, mô, quan hay hệ thống thể sống: Nghiệm pháp bao gồm thăm dò chức hấp thụ, chuyển hóa đào thải; động học q trình tuần hồn, tiết niệu…; hàm lượng nồng độ yếu tố thành phần hợp chất sinh học đối tượng khảo sát Từ giá trị nồng độ cho phép đánh giá chức tổ chức sống hay quan 163 − Định lượng kỹ thuật RIA IRMA: Đây thực chất kỹ thuật thăm dị chức tuyến nội tiết, mơ hay phủ tạng Tuy nhiên, sở khoa học khả ứng dụng mà tách riêng thành nội dung y học hạt nhân Nguyên lý phương pháp khả kết hợp kháng nguyên đánh dấu không đánh dấu với kháng thể Kỹ thuật cho phép định lượng đến cỡ nanogram (10-9g) pictogram (10-12g) − Ghi hình phóng xạ: Kỹ thuật cho phép ghi hình ảnh mô, phủ tạng tổn thương bên thể xạ phát từ chúng Kỹ thuật chụp cắt lớp xạ photon phát từ đồng vị phóng xạ gắn vào đối tượng cần ghi SPECT (Single Photon Emission Computerized Tomography) kỹ thuật chụp cắt lớp chùm positron PET (Positron Emission Tomography) cho thông tin thay đổi chức nhiều cấu trúc đối tượng, cho phép chẩn đoán sớm tượng bệnh lý Phương pháp dùng nguồn chiếu xạ − Dùng nguồn chiếu xạ để chẩn đoán bệnh: phương pháp định lượng yếu tố vi, đa lượng mẫu sinh học cách chiếu tia tạo phản ứng hạt nhân thích hợp Kỹ thuật định lượng kích hoạt neutron (Neutron Activization Analysis) dựa sở biến đồng vị bền thành đồng vị phóng xạ cách bắn neutron thích hợp vào đồng vị bền Từ xác định hàm lượng đồng vị bền cách đo đếm phóng xạ phát từ đồng vị phóng xạ − Dùng nguồn chiếu điều trị: Phương pháp sử dụng tác dụng sinh học xạ ion hóa lên mầm bệnh tế bào bệnh Bao gồm: + Điều trị chiếu (Teletherapy): Với việc sử dụng tia X, tia gamma cứng máy gia tốc để diệt tế bào ung thư + Điều trị áp sát (Brachytherapy): Bao gồm lưỡi dao gamma, nguồn kín nguồn hở sử dụng đồng vị phát bêta cứng gamma mềm Nó bao gồm kỹ thuật đơn giản để trị bệnh da kỹ thuật phức tạp để đưa nguồn xạ vào khối u + Điều trị nguồn hở (Curietherapy): Dựa vào hoạt tính chuyển hóa bình thường thay đổi bệnh lý, người ta cho nguồn hở phóng xạ vào tổ chức đích bị bệnh để điều trị − Dùng nguồn chiếu xạ sinh học: Tiêu diệt nấm mốc, vi sinh vật gây hại; Kích thích trồng, hạt giống gây đột biến gen có lợi để tạo giống 8.5 AN TỒN PHÓNG XẠ 8.5.1 Khái niệm Nguồn xạ tự nhiên: Con người thường xuyên bị chiếu xạ từ xạ vũ trụ, xạ mặt đất chiếu xạ bên chất xạ từ thức ăn, nước uống, khơng khí vào… Nguồn xạ nhân tạo: Ngồi cịn bị chiếu xạ nhân tạo khám X quang, khám điều trị đồng vị phóng xạ, đồng hồ đeo tay có quang, ti vi… Như vậy, xạ ion hóa chất phóng xạ thuộc tính tự nhiên vĩnh viễn mơi trường, nguy liên quan đến xạ dạng bị hạn chế khơng thể loại bỏ hồn tồn Khái niệm an tồn phóng xạ: An tồn phóng xạ việc đảm bảo an tồn cho người sử dụng môi trường phương diện phóng xạ cách áp dụng tiêu chuẩn an tồn phóng xạ thống tồn cầu 164 Nhiệm vụ an tồn phóng xạ: ngăn ngừa hạn chế tác hại tia phóng xạ lên thể tránh làm ô nhiễm môi trường sống việc hiểu nắm vững nguyên tắc an tồn phóng xạ Những ngun lý ICRP INSAG (nhóm tư vấn an tồn hạt nhân) sau: − Những cơng việc tiếp xúc với nguồn xạ, chấp nhận tạo lợi ích đáng kể cho cá thể cho xã hội mà lợi ích nhiều mức độ thiệt hại có xạ gây − Các sở xạ, nguồn xạ phải thiết kế che chắn có biện pháp bảo vệ tốt cho nhân viên, bệnh nhân nhân dân xung quanh nhằm giảm thấp tối đa suất liều chiếu mà đáp ứng yêu cầu ứng dụng − Pháp nhân làm việc liên quan đến nguồn xạ phải chịu trách nhiệm hàng đầu bảo vệ an toàn − Văn hóa an tồn cần nhận thức sâu sắc để đạo thái độ thói quen việc bảo vệ an toàn xạ nhân tổ chức liên quan − Các sở xạ cần có quy định vận hành nguồn, thiết bị để tránh sai sót có biện pháp bảo vệ an toàn − Cần phải quản lý đắn, xác có kỹ thuật hợp lý, bảo đảm chất lượng thường xuyên bổ sung huấn luyện trình độ nhân viên cập nhật với kiến thức giới để đánh giá toàn diện an toàn ý đến học từ kinh nghiệm nghiên cứu 8.5.2 Chiếu xạ nhiễm xạ Nguồn xạ kín: nguồn có kết cấu kín chắn khơng để chất phóng xạ lọt ngồi mơi trường sử dụng, bảo quản vận chuyển nguồn xạ kín nguồn Co60, Cs137, kim Radi để điều trị ung thư Nguồn tập trung sở điều trị ung thư tia xạ… Vấn đề an tồn đề phịng nguy bị chiếu Nguồn xạ hở: nguồn khơng có kết cấu kín dạng nước, dạng bột hay dạng khí Chúng ta tiếp xúc chủ yếu với nguồn phóng xạ hở sở y học hạt nhân Khi làm việc với nguồn phóng xạ hở, ngồi việc đề phịng nguy bị chiếu ngồi cịn phải đề phịng nguy bị chất phóng xạ xâm nhập vào bên thể (nhiễm xạ trong) Chiếu xạ: Chiếu xạ ngồi có nguồn phát xạ rọi vào thể (nguồn kín) Loại xạ xạ nguyên cấp thứ cấp Trong thực tế người vật thể bị chiếu tia X gamma trở thành nguồn phát xạ thứ cấp, giảm yếu tỏa nhiều hướng Nhiễm xạ: xảy chất phóng xạ nguồn khơng đóng kín, rơi vãi môi trường hay bề mặt mà ta khơng muốn có − Nhiễm xạ ngồi xảy chất phóng xạ bám bề mặt thể gây chiếu xạ − Nhiễm xạ chất phóng xạ xâm nhập vào thể gây chiếu xạ 8.5.3 Các nguyên tắc kiểm soát an tồn phóng xạ Để kiểm sốt an tồn phóng xạ, IRCP phân loại thành vùng: − Vùng khơng kiểm sốt: suất liều khơng vượt q 1,0µSv/giờ Nhân viên làm việc 40 tuần 50 tuần năm mà không vượt 2mSv/năm − Vùng giám sát: vùng có suất liều khơng vượt q 1,0µSv/giờ trở lên, nhân viên làm việc khơng vượt 3/10 suất liều giới hạn năm Nhân viên làm việc phải đeo liều kế cá nhân thường xuyên vùng đối tượng để giám sát 165 − Vùng kiểm sốt: vùng có suất liều vượt 3µSv/giờ Nhân viên làm việc vùng kiểm sốt người xếp nhóm A, đối tượng phải giám sát y tế, thường xuyên để máy đo suất liều xạ hoạt động − Vùng cấm: vùng có suất liều 10µSv/ Những đường dẫn vào khu vực phải có biển báo thận trọng phóng xạ đặc biệt, giới hạn thời gian làm việc dùng thiết bị an tồn để bảo vệ có máy đo suất liều hoạt động có nhân viên làm việc Chiếu xạ nghề nghiệp Liều giới hạn 20mSv/năm (cho chiếu xạ chiếu xạ trong) Một số điểm cần lưu ý: − Có thể chấp nhận liều tố đa 50mSv/năm năm năm liên tiếp liều chiếu trung bình phải đảm bảo 20mSv/năm − Đối với công việc cứu chữa khẩn cấp, liều chiếu cho phép 500mSv cho lần suốt trình hoạt động nghề nghiệp − Giới hạn liều khơng khác cho nam nữ Phụ nữ có thai cho bú không tiếp xúc với nguồn xạ hở Liều giới hạn suốt trình mang thai 2mSv Chiếu xạ dân cư Liều giới hạn 1mSv/năm Trong trường hợp đặc biệt chấp nhận tăng liều năm vịng năm phải đảm bảo trung bình 1mSv/năm Các tiêu chuẩn thiết lập liên quan tới chiếu xạ ngồi Trường hợp có nguy chiếu xạ trong, bên cạnh tiêu chuẩn cần xác lập số tiêu chuẩn thứ cấp Các tiêu chuẩn thứ cấp nồng độ tối đa cho phép (NĐTĐCP) Để tính NĐTĐCP cần phải xác định nguồn xạ, đường thâm nhập chất phóng xạ vào thể, xác lập đặc trưng thể người hay số quan đặc hiệu 8.5.4 Các biện pháp đảm bảo an tồn phóng xạ Khi làm việc với nguồn xạ kín Ba biện pháp bảo vệ chống chiếu rọi vào thể − Rút ngắn thời gian tiếp xúc: Là biện pháp đơn giản hiệu đển giảm liều chiếu Biểu thị công thức sau: 𝐿𝑖ề𝑢 𝑐ℎấ𝑝 𝑛ℎậ𝑛 𝑇ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 = 𝑆𝑢ấ𝑡 𝑙𝑖ề𝑢 Thạo nghề yếu tố quan trọng để giảm thời gian tiếp xúc − Tăng khoảng cách với nguồn xạ: Tăng chọn khoảng cách thích hợp để thao tác phương pháp đơn giản để bảo vệ, liều hấp thụ (D) vào thể tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (r) Biểu thị công thức sau: 𝐷1 𝑟12 = 𝐷2 𝑟22 − Bảo vệ che chắn: Theo công dụng, tâm chắn chia làm loại: + Tấm chắn dạng bình (container) chứa: chủ yếu dùng để bảo quản vận chuyển chất phóng xạ trạng thái khơng làm việc + Tấm chắn thiết bị (glove box, hoot): bao bọc toàn nguồn phát trạng thái làm việc + Tấm chắn di động: bảo vệ nơi làm việc nhân viên, thường di chuyển + Tấm chắn phận cơng trình: tường, trần, cửa + Tấm chắn bảo hiểm cá nhân: áo giáp, kính chì, quần áo, găng tay, ủng pha chì … Tùy theo chất xạ, vật liệu chắn lựa chọn sau: 166 + Với tia X gamma, vật liệu tốt chì Để giảm giá thành dùng: gang, bê tông trộn barit, bê tông cốt sắt, nước, gạch + Với tia , vật liệu thường dùng thủy tinh thường, thủy tinh hữu pha chì, chất dẻo, nhơm + Với nguồn neutron mạnh cần vật liệu có chứa số lớn nguyên tử hydro (bê tông, nước) Bor, cadmi, chì Cơng suất liều dạng xạ định chiều dày nguồn nguyên liệu chắn Khi làm việc với nguồn xạ hở Phải thực hai biện pháp: an toàn chống chiều an toàn chống chiều Như vậy, cần thực tất biện pháp với nguồn xạ kín cần lưu ý thêm biện pháp sau đây: − Phân vùng làm việc Nhằm cách li cơng việc có tiếp xúc với nguồn xạ khỏi cơng việc có chức khác Vùng làm việc phân theo nguyên tắc: liều xạ giảm dần từ từ lên − Thơng khí Nhằm giữ cho nơi làm việc có hoạt tính phóng xạ thấp Ngun tắc chung: khơng thổi khí nơi có hoạt tính cao đến nơi có hoạt tính thấp Kết hợp thơng khí với lọc khí để giữ bụi khí có hoạt tính phóng xạ − Thường xun kiểm tra nhiễm phóng xạ Đo nhiễm bề mặt làm việc: Dùng detector GM, nhấp nháy, buồng ion … rà bề mặt làm việc Với tia , máy không cao 5mm tốc độ nhỏ 15cm/s; với tia  khoảng cách 2,5 – 5cm 10 – 15cm/s Đo nhiễm xạ thể: Đo nhiễm xạ ngồi với máy phát phóng xạ rà quần áo, da Đo nhiễm xạ trực tiếp máy đếm toàn thân gián tiếp cách đo hoạt tính vật phẩm sinh học: máu, nước tiểu, mồ … − Xử lý chất thải phóng xạ Đối với chất thải rắn (bơm kim tiêm, dụng cụ thủy tinh đựng chất phóng xạ bị vỡ, giấy, dùng pha chế liều…): thu gom bao bì dẻo đưa vào bể thải ngày Bể thải xây cất riêng biệt, che chắn, bảo vệ chờ phân rã đến mức quy định, chuyển thành rác thường Đối với chất thải lỏng chẩn đoán vào điều trị (dung dịch dược chất phóng xạ thừa, nước rửa dụng cụ, chất thải bệnh nhân, nước giặt…): đưa vào hệ thống cống thải với liều 15mCi Trường liều cao cần đưa vào hố xí có cấu trúc đặc biệt để xử lý riêng Đối với nhân viên xạ − Thực đầy đủ nội quy vệ sinh cá nhân + Khi làm việc phải sử dụng đầy đủ phương tiện phòng hộ cá nhân + Tuân thủ quy định an toàn xạ + Không hút thuốc, ăn uống, trang điểm phịng làm việc có chứa chất phóng xạ + Trước khỏi nơi làm việc có chứa chất phóng xạ phải kiểm tra nhiễm bẩn phóng xạ tay, quần áo Nếu bị nhiễm bẩn phóng xạ phải tẩy xạ theo quy định − Theo dõi liều chiếu cá nhân Liều chiếu nhân xác định hàng tháng hàng quý tính liều tích lũy cho năm, cho suốt trình làm việc với xạ Tùy theo loại xạ mà sử dụng loại liều lượng kế khác Các loại sử dụng: Liều kế dùng phim (0,1mSv – 10Sv), Bút đo liều cá nhân (0 – 2mGy; – 50mGy; – 100mGy), Liều kế phát quang (0,1mSv – 100mSv) − Kiểm tra sức khỏe định kỳ 167 TÓM TẮT CHƯƠNG Những xạ có khả trực tiếp hay gián tiếp gây tượng ion hóa vật chất gọi xạ ion hóa Trong tự nhiên, xạ ion hóa chia thành hai loại: Bức xạ ion hóa có chất sóng điện từ xạ ion hóa có chất hạt Bức xạ ion hóa tác dụng lên vật chất theo chế khác tùy thuộc vào chất lượng tia Để đánh giá tác dụng chùm xạ ion hóa lên vật chất người ta dùng đại lượng liều lượng xạ Trên thực tế, người ta dùng hai loại liều lượng là: liều hấp thụ liều chiếu Bức xạ ion hóa tác dụng lên thể sống theo hai chế: Cơ chế trực tiếp chế gián tiếp Hai chế có giá trị quan trọng Bức xạ ion hóa gây nên tổn thương hồi phục không hồi phục phân tử, tế bào, mô thể sống phụ thuộc vào chất lượng tia, liều lượng, suất liều thời gian chiếu Ngoài ra, mức độ tổn thương phụ thuộc vào yếu tố như: diện tích chiếu, hàm lượng nước, oxy, chất bảo vệ nhiệt độ Các loại xạ ion hóa ứng dụng rộng rãi y sinh học mang lại thành tựu đáng kể phục vụ nhu cầu người Tuy nhiên, thiệt hại chúng gây khơng nhỏ Cho nên cần có ngun tắc biện pháp đảm bảo an tồn phóng xạ hiệu thống tồn cầu CÂU HỎI ƠN TẬP Phân tích đặc điểm nguồn gốc chất loại xạ ion hóa; Phân tích chế tác dụng xạ ion hóa lên vật chất Ý nghĩa chế tương tác gì? Phân tích chế tác dụng xạ ion hóa lên tổ chức sinh học Vai trò chế nào? Liên hệ với chế tác dụng xạ ion hóa lên vật chất Mơ tả tổn thương xạ ion hóa gây nên thể sống mức độ phân tử Vai trò tổn thương nào? Mơ tả tổn thương xạ ion hóa gây nên thể sống mức độ tế bào, mô quan Đặc điểm chung tổn thương gì? Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng sinh học xạ ion hóa Nguyên tắc ứng dụng đồng vị phóng xạ y sinh học? Ý nghĩa Cơ sở phương pháp phân tích cấu trúc vĩ mơ vi mơ vật chất? Các ứng dụng nghiên cứu y sinh học Ý nghĩa Trình bày nguyên tắc biện pháp đảm bảo an tồn phóng xạ 10 Anh chị nhận thức vai trò xạ ion hóa nghiên cứu y sinh học nói chung sống Theo anh chị, cần trang bị kiến thức kỹ để người dân phòng tránh tác dụng xạ ion hóa 168 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Sỹ An (Chủ biên), Lý sinh Y học, NXB Y học, Hà Nội, 2005 Lương Duyên Bình (Chủ biên), Vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội, 2010 Nguyễn Thị Kim Ngân, Nguyễn Văn An, Lí sinh học, NXB Đại học Sư Phạm, Hà nội, 2004 Nguyễn Thị Kim Ngân, Nguyễn Văn An, Thực hành Lí sinh học, NXB Đại học Sư Phạm, Hà nội, 2004 Đoàn Suy Nghĩ (Chủ biên), Ts Lê Văn Trọng Giáo trình Lý Sinh Học NXB Đại học Huế, Huế, 2006 Nguyễn Thị Quỳ, Lý sinh học (Phần thực tập), NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 Bùi Văn Thiện, Nguyễn Quang Đơng, Giáo trình Vật lý – Lý sinh y học, Trường Đại học Y Dược Thái Nguyên, 2011 Nguyễn Văn Út, Lý sinh đại cương, Tủ sách Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh, 1998 Bộ mơn Vật lý, Bài giảng Vật lý – Lý sinh, tập 1, 2, Trường Đại học Y Dược Tp Hồ Chí Minh 10 Vasantha Pattabhi, N Gautham, Biophysics, Kluwer Academic Publishers, New York, London, 2002 11 David L Nelson, Michael M Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition, W H Freeman and Company, 2005 12 Jeremy M Berg, John L Tymoczko & Lubert Stryer, Biochemistry (5th-edition), W H Freeman and Company, 2007 169 ... ion hệ Phần I Trạng thái cuối Cl- K+ K+ R- C1 C1 C2 C2 Cl- K+ C1-x C1-x Màng Trạng thái đầu Phần II K+ Cl- R- C2 + x x C2 Hình 5 -2 Sự phân bố ion trình thiết lập trạng thái cân Gibbs - Donnan... ion dịch nội bào [ion]i (μM/cm3) Na+ K+ H+ ClHCO3A- [ion]0/[ion]i εm(mV) 12 155 13.1 0-5 12, 1 1/39 1/3,4 66 -9 7 - 32 155 30 3,7 -9 0 - 32 -9 0 1/30 -9 0 Lý thuyết ion màng nhiều khoa học xây dựng nên... định nghĩa sau: Độ to log10 W/m2 Ngưỡng chói 10 1 02 1=100 10 -2 1 0-4 Miền nghe 1 0-6 1 0-8 1 0-1 0 Ngưỡng nghe - 12 10 Hz 16 64 25 0 1000 4000 16000 Hình 6-8 Sự phụ thuộc ngưỡng nghe ngưỡng chói vào tần