ảnh hưởng của các tương tác vật lý vi mô đến tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TƯƠNG TÁC VẬT LÝ VI MÔ ĐẾN TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HÓA Nguyễn Đông Sơn Phân viện Vật Lý Y Sinh Học 1. Mở đầu Để có thể vận dụng tốt nhất những ưu điểm của bức xạ trong việc tiêu diệt tế bào ung thư (trong xạ trị) cũng như để phòng chống hiệu quả nhất những tác hại của bức xạ (trong an toàn bức xạ) cần hiểu rõ tác dụng sinh học của bức xạ, tức là những tác dụng bức xạ gây nên cho tế bào, phần tử cơ bản nhất của cơ thể sống. Trong xạ trị, tác dụng sinh học của bức xạ được đánh giá qua liều hấp thụ: đó là năng lượng được cơ thể hấp thụ trong một đơn vị khối lượng cơ thể. Đơn vị đo của nó trong hệ SI là gray (Gy), 1 Gy = 1 J/kg. Trong an toàn bức xạ, tác dụng sinh học của bức xạ được đánh giá qua liều tương đương, đó là tích giữa liều hấp thụ và một hằng số, đặc trưng cho loại bức xạ gây nên liều hấp thụ đó. Như vậy tác dụng sinh học cũng được qui về việc đo liều hấp thụ trong cơ thể. Đại lượng liều hấp thụ, theo định nghĩa, cũng như trong các phép đo đạc, là một đại lượng vĩ mô: nó cho biết năng lượng hấp thụ trung bình trong một đơn vị khối lượng cơ thể /1/. Trong các phép đo liều, kích thước được đo là hữu hạn. Tại các trung tâm xạ trị các kỹ sư y vật lý chuẩn liều của thiết bị chiếu xạ bằng cách đo liều hấp thụ tại một vị trí xác định trong phantom nước. Các đầu dò được sử dụng có thể tích nhạy khoảng 1 mm 3 . Giá trị đo được của liều hấp thụ đóng vai trò trung tâm trong các tính toán về liều tuyệt đối sẽ cấp cho khối u. Như vậy việc đánh giá liều hấp thụ trong cơ thể là hoàn toàn vĩ mô, sự hiểu biết về quá trình vi mô xảy ra trong cơ thể là không được xét đến. Tuy nhiên tác dụng sinh học của bức xạ lại phụ thuộc vào các tương tác vi mô, xảy ra ở những kích thước khoảng dưới 1 µm trong cơ thể. Điều này là do đặc trưng tập trung năng lượng của bức xạ ion hóa; của tính chất gián đoạn của các mức năng lượng của nguyên tử, phân tử; của sự kiện là tác dụng của bức xạ lên tế bào xảy ra chủ yếu qua việc gây tổn thương ADN; và cũng do khả năng hồi phục những tổn thương nhỏ của ADN. Để có thể đánh giá được tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa, cần hiểu rõ vai trò của quá trình tương tác vi mô giữa bức xạ ion hóa và cơ thể sống. Bài báo này cố gắng làm rõ vai trò đó, thông qua việc xem xét chi tiết quá trình tương tác giữa bức xạ ion hóa và cơ thể sống. Việc xem xét quá trình tương tác này sẽ giúp hiểu biết rõ hơn vai trò của các yếu tố như oxy, nhiệt độ, tuổi của tế bào, v.v đến tác dụng sinh học. Những yếu tố này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định liệu pháp điều trị của các bác sĩ ung bướu xạ trị. Nó cũng giúp ta hiểu rõ phạm vi áp dụng của khái niệm liều hấp thụ, hay giải thích tại sao với cùng năng lượng hấp thụ, bức xạ ion hóa có tác hại lớn hơn hàng nghìn lần, so với các loại tác nhân độc hại khác. 2. tóm tắt các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể Các biểu hiện lâm sàng của tác dụng bức xạ lên cơ thể sống là kết quả của một chuỗi các quá trình vật lý, hóa lý, hóa sinh và sinh học, diễn ra trong cơ thể sống từ mức nguyên tử, phân tử vô cơ, đại phân tử sinh học, tế bào và mức mô. Trong đó, các tương tác vật lý ban đầu xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, nhưng lại đóng vai trò quyết định đối với chuỗi quá trình hóa sinh có thể âm ỷ hàng chục năm sau đó. 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. Tuy nhiên hiện nay người ta có thể hình dung quá trình này như sau. Giai đoạn vật lý là bước đầu tiên của chuỗi quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào vật chất. Giai đoạn này cực kỳ ngắn ngủi, kéo dài từ 10 -16 s đến 10 -12 s, đó là thời gian để bức xạ (photon, electron) đi qua cấu trúc chịu tương tác. 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. Các bức xạ được sử dụng trong ứng dụng y tế (electron, photon) mất năng lượng chủ yếu do sự ion hóa và sự kích thích. Trong trường hợp ion hóa, các electron được giải phóng khỏi nguyên tử có thể có động năng đủ lớn để tiếp tục ion hóa và kích thích các nguyên tử lân cận. Như vậy năng lượng mà bức xạ bỏ ra do ion hóa một nguyên tử sẽ được dùng để ion hóa và kích thích nhiều nguyên tử, phân tử có mặt trong lân cận quĩ đạo của bức xạ. Số nguyên tử bị ion hóa tỉ lệ với năng lượng bức xạ bỏ ra trong vật chất. Các cấu trúc chịu sự ion hóa hay kích thích có thể là ADN, ARN, protein, 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. Tuy nhiên hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua việc gây tổn thương cho DNA, phân tử mang thông tin di truyền của tế bào (lý thuyết bia). 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 /2/. 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 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 OH • , H • và hydroxyl H 2 O 2 . Các gốc tự do và hydroxyl công phá các phân tử ADN, thường bằng cách lấy đi nguyên tử hydro trong các liên kết của ADN. Đây là quá trình hoá lý, xảy ra trong khoảng thời gian từ 10 -12 s đến 10 -2 s sau khi bức xạ đi qua tế bào /3/. Kết quả của các tác dụng (trực tiếp cũng như gián tiếp) là sự tổn thương của ADN. Các tổn thương này có thể là đứt nhánh đơn, đứt nhánh đôi, tổn thương base hoặc những tổn thương bội, trong đó có thể gồm cả đứt nhánh và đứt nhiều liên kết base. Sau quá trình hoá lý là quá trình sửa chữa của ADN, được điều khiển bởi các enzym sửa chữa đặc hiệu (quá trình hoá sinh). Khả năng sửa chữa các tổn thương phụ thuộc vào loại và mức độ tổn thương, vào thời điểm xảy ra tổn thương trong chu kỳ của tế bào. Quá trình sửa chữa tổn thương về cơ bản chấm dứt sau khoảng 8 giờ. Những tổn thương không hồi phục được sẽ có thể làm trì hoãn quá trình phân bào, làm chết tế bào, hay gây nên những đột biến trong các tế bào con cháu. Ở mức mô, các tế bào chết có thể được bù đắp bằng sự tái tạo tế bào. Đây cũng được xem là sự hồi phục, ở mức mô. Những tổn thương lớn ở mức mô sẽ biểu hiện bằng các hiệu ứng lâm sàng mà chúng ta sẽ không xét đến ở đây. Sau đây chúng tôi sẽ xem xét vai trò của tương tác vi mô trong việc gây nên tác dụng sinh học thông qua việc xem xét các giai đoạn từ vật lý đến giai đoạn hóa sinh. Tương tác vi mô được hiểu là những tương tác xảy ra ở mức nguyên tử, phân tử, hay những quá trình xảy ra trong phạm vi kích thước dưới µm. Việc khảo sát tác dụng sinh học của bức xạ được giới hạn trong phạm vi những tổn thương gây nên cho ADN, các quá trình hồi phục ở cấp mô sẽ không được xét đến. 3. ảNH HƯởNG CủA CÁC TƯƠNG TÁC VI MÔ ĐếN TÁC DụNG SINH HọC CủA BứC Xạ ION HÓA a. Giai đoạn vật lý Vai trò của tương tác vi mô thể hiện rõ nhất trong giai đoạn vật lý, khi bức xạ ion hóa và kích thích các nguyên tử của môi trường. Đặc điểm quan trọng nhất trong giai đoạn này có liên quan đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng ở cấp vi mô mà bức xạ truyền cho môi trường. Điều này liên quan đến tính chất gián đoạn (lượng tử) của các mức năng lượng của nguyên tử và phân tử, do tính chất tập trung cục bộ của năng lượng mà môi trường hấp thụ từ bức xạ, do vai trò trung tâm của ADN trong việc duy trì sự tồn tại của tế bào, cũng như do khả năng tự sửa chữa những tổn hại bé của ADN. Về nguyên tắc, để mô tả chi tiết quá trình ion hóa, người ta phải dùng lý thuyết lượng tử về tương tác giữa bức xạ và vật chất của Bethe-Bloch. Tuy nhiên ở đây chúng ta sẽ chỉ dừng ở những đánh giá năng lượng trung bình. Tính chất gián đoạn của các mức năng lượng của nguyên tử và phân tử khiến cho tồn tại một ngưỡng ion hóa. Chỉ khi năng lượng bức xạ truyền cho nguyên tử lớn hơn một mức nào đó thì mới xảy ra sự ion hóa. Trong các nguyên tử, phân tử riêng lẻ, năng lượng liên kết trung bình của các electron hóa trị là 15 eV. Tuy nhiên các phép đo cho thấy để tạo ra một cặp ion, trung bình bức xạ phải bỏ ra khoảng 30 eV /4/. Giá trị này được gọi là năng lượng ion hóa trung bình. Như vậy năng lượng ion hóa trung bình có giá trị lớn gấp hai lần năng lượng cần thiết để ion hóa nguyên tử. Phần năng lượng còn lại (khoảng 15 eV) không dùng để gây ion hóa, có thể dùng để kích thích nguyên tử hay làm bẻ gãy liên kết phân tử. Năng lượng liên kết hóa học càng thấp, năng lượng cần thiết để bẻ gãy phân tử càng bé. Trong các phân tử hữu cơ, liên kết cộng hóa trị có năng lượng liên kết lớn nhất (khoảng 150-400 kJ/mol /5/, tương ứng với khoảng 1,5- 4 eV/liên kết), do đó chúng có độ bền cao đối với sự công phá của bức xạ. Loại mối nối thứ hai là liên kết hidrô, có năng lượng liên kết khoảng 0,2-0,4 eV/liên kết, dễ dàng bị bẻ gãy hơn, ngay cả với bức xạ không ion hóa như tia tử ngoại. Trong phân tử ADN các nhánh chính có liên kết cộng hóa trị, còn các base nối với nhau bằng liên kết hydro. Điều này khiến cho ADN tương đối vững bền với các tác nhân có năng lượng thấp, nhưng lại dễ dàng bị đứt gãy do các bức xạ ion hóa. 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 1 . Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng lượng từ vài chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến vài chục MeV (trong xạ trị). Năng lượng này cao hơn nhiều so với năng lượng ion hóa trung bình, do đó chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình 2 . Ảnh hưởng của mức độ tập trung của năng lượng mà môi trường hấp thụ được từ bức xạ lên tác dụng sinh học có thể thấy rõ khi so sánh tác dụng sinh học của các hạt nặng mang điện (proton, hạt alpha) và các hạt nhẹ (electron, photon). Các hạt nặng mang điện, khi bỏ ra trong cơ thể cùng một năng lượng như electron, sẽ gây nên một tác hại hàng chục lần lớn hơn. Lý do là vì các hạt nặng mang điện bỏ năng lượng trong một thể tích bé (tập trung), còn hạt electron bỏ ra năng lượng trên một thể tích rộng (phân tán). Điều này liên quan đến khả năng ion hóa riêng của từng loại bức xạ, nghĩa là số cặp ion được tạo ra trên một đơn vị chiều dài của môi trường mà bức xạ đi qua. Các hạt nặng mang điện có khả năng ion hóa riêng rất lớn, do đó mất năng lượng rất nhanh và chỉ đi được một quãng ngắn, trong khi gây ra trên đường đi của mình rất nhiều cặp ion. Một hạt α có động năng 1 MeV chỉ đi được khoảng 6 µm trong mô của cơ thể người /4/, xấp xỉ kích thước của nhân tế bào, và gây ra khoảng 5.500 cặp ion/µm. Trong khi đó các electron khả năng ion hóa riêng bé, nên có quãng chạy lớn hơn nhiều. Một electron có động năng 1 MeV có quãng chạy khoảng 4000 µm trong mô /7/, lớn hơn khoảng 670 lần so với quãng chạy của hạt α, gây ra khoảng 8 cặp ion/µm. Bên cạnh khả năng ion hóa riêng bé của electron, năng lượng mà electron truyền cho môi trường còn bị phân tán do sự phát bức xạ hãm (Bremstrahlung). Do có khối lượng nhỏ, trong các tương tác với hạt nhân nguyên tử của môi trường, electron bị đổi hướng rất mạnh. Khi đó theo điện động học, nó sẽ phát ra 1 Một ví dụ cụ thể: một người 70 kg, khi bị chiếu xạ toàn thân và nhận một năng lượng khoảng 70 calories, sẽ có nguy cơ 50% sẽ bị chết, mặc dù năng lượng cơ thể hấp thụ trong quá trình đó chưa bằng năng lượng cơ thể nhận được khi uống một ngụm cà phê /2/. Ví dụ này cho thấy sự khác biệt to lớn giữa tác dụng của bức xạ so với các tác dụng nhiệt. 2 Chẳng hạn, người ta tính được rằng một electron có năng lượng 1 MeV có thể ion hóa khoảng 3,3.10 4 nguyên tử và kích thích khoảng 10 6 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 /6/. Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào /2/. bức xạ hãm: một phần động năng của được biến thành bức xạ điện từ (photon). Các photon này thường có một quãng chạy dài trong vật chất trước khi bị hấp thụ. Do đó có thể xảy ra tình trạng là electron mất năng lượng chỗ này, nhưng môi trường nhận được năng lượng ở một chỗ khác (hấp thụ xa). Bức xạ hãm đóng góp chủ yếu vào sự hấp thụ xa, đặc biệt khi electron có năng lượng lớn, như trong xạ trị. So sánh quãng chạy của các loại bức xạ trong các ví dụ trên cho thấy, với cùng một năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong vật chất, sự phân bố năng lượng này là rất khác nhau. Trong trường hợp hạt α nói trên, năng lượng 1 MeV mà bức xạ bỏ ra sẽ tập trung trong một kích thước nhỏ, xấp xỉ bằng kích thước tế bào. Khi đó tổn thương sẽ rất nghiêm trọng và chắc chắn tế bào sẽ chết. Còn đối với electron, năng lượng 1 MeV này sẽ được phân chia cho khoảng 100 tế bào, do đó mỗi tế bào sẽ chịu một số lượng tổn thương ít hơn, so với trường hợp trên. Nhờ có cơ chế tự sửa chữa (sẽ xem xét ở dưới) nên các tế bào có thể hồi phục được những tổn thương nhỏ. Do đó trong trường hợp bức xạ là electron, tác hại sẽ ít hơn do hạt α. Ví dụ trên cho thấy tác dụng sinh học của bức xạ không chỉ phụ thuộc vào tổng năng lượng bức xạ bỏ ra trong vật chất, mà còn phụ thuộc vào phân bố vi mô của năng lượng bức xạ bỏ ra. Cùng một lượng năng lượng hấp thụ, nếu được hấp thụ trong một thể tích càng bé thì tác hại của nó càng lớn 3 . Để đặc trưng cho tính chất tập trung của năng lượng mà môi trường hấp thụ được từ bức xạ, trong y sinh học người ta dùng khái niệm hệ số truyền năng lượng tuyến tính (linear energy transfer: LET). Theo định nghĩa của ủy ban quốc tế về đơn vị đo bức xạ (ICRU), hệ số truyền năng lượng tuyến tính của các hạt mang điện trong một môi trường là tỉ số LET = L ∆ = (dE/ds) ∆ , trong đó dE là năng lượng mà hạt mất do va chạm trên quãng đường ds, mà trong mỗi va chạm đó, năng lượng bức xạ mất đi nhỏ hơn một giới hạn cho trước ∆. Việc phải đưa vào một giới hạn năng lượng ∆ là để bảo đảm rằng năng lượng mà bức xạ bỏ ra sẽ được hấp thụ dọc theo quĩ đạo của hạt, chứ không được chuyển đi xa do bức xạ hãm. Thường người ta chọn ∆ khoảng từ 10 keV đến 20 keV /8/. Các hạt nạng mang điện có LET lớn, khoảng trên 10 keV/µm, còn electron cũng như photon có khả năng ion hóa yếu, dưới 3,5 keV/µm. Vậy tính chất cục bộ của sự hấp thụ năng lượng thể hiện ở chỗ bức xạ có LET càng cao thì tác dụng sinh học càng lớn. Điều này có thể được giải thích như sau. Như đã đề cập ở trên, điều này có liên quan đến sự kiện là bức xạ gây tổn hại cho tế bào chủ yếu thông qua việc công phá ADN, và do khả năng sửa chữa những tổn thương nhỏ của ADN. Thật vậy, với bức xạ có LET bé, mật độ các cặp ion hóa là bé, nên xác suất trúng ADN thấp, do đó tổn thương là nhẹ. Còn khi LET cao, mật độ các cặp ion hóalà lớn, nên xác suất trúng ADN cao, do đó tổn thương là nặng. Các tổn thương nhẹ sẽ dễ được phục hồi hơn các tổn thương nặng, dẫn đến khả năng chết của tế bào càng cao khi LET càng lớn (sẽ trình bày dưới đây). 3 Điều cũng đúng cho khi so sánh tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa và không ion hóa: bức xạ ion hóa, do tính chất tập trung năng lượng của nó, có “hiệu suất” gây tác dụng sinh học lớn hơn những tác nhân không ion hóa khác. Sự khác biệt tác dụng sinh học của các bức xạ có LET khác nhau trong thể hiện qua sự kiện là trong an toàn bức xạ, khi xem xét tác dụng sinh học của nhiều loại bức xạ khác nhau, người ta dùng khái niệm liều tương đương thay vì dùng liều hấp thụ. Đại lượng này khác với liều hấp thụ ở chỗ: cùng một liều hấp thụ như nhau, nhưng từ những bức xạ có LET cao thì có liều tương đương lớn hơn. Các phân tích trên cũng cho thấy vai trò hạn chế của khái niệm liều hấp thụ. Cũng như mọi đại lượng được lấy trung bình từ nhiều sự kiện ngẫu nhiên, độ thăng giáng tương đối của liều hấp thụ sẽ càng lớn khi số sự kiện xảy ra càng bé. Do kích thước nhỏ của nhân tế bào nơi chứa ADN (khoảng 8µm), số lượng bức xạ đi băng qua nhân thường là khá bé. Trong xạ trị dùng tia gamma từ máy Cobalt, với một liều tiêu biểu khoảng 1 Gy, có khoảng một ngàn tia đi qua một nhân. Con số này đủ lớn để sự thăng giáng của liều là bé. Tuy nhiên trong trường hợp liều thấp như trong trường hợp X quang chẩn đoán, chỉ có khoảng mGy /4/, thì chỉ một vài tia đi ngang qua tế bào. Khi đó sai số mắc phải khi dùng liều để đánh giá tác dụng sinh học của bức xạ có thể sẽ trở nên rất lớn /9/. Phạm vi áp dụng hạn chế của khái niệm liều hấp thụ cũng có thể được thấy trong y học hạt nhân, khi bệnh nhân được điều trị bởi các dược chất phóng xạ phát electron Auger hay phát tia β năng lượng thấp. Quãng chạy của các electron này ngắn đến nỗi chúng chỉ có thể gây tác dụng sinh học nếu các phân tử của dược chất ở lân cận ADN, mà sự phân bố của các phân tử này trong tế bào là không đồng đều, phụ thuộc vào tính chất hóa sinh của chúng. Do đó trong trường hợp này, việc đánh giá tác dụng sinh học của bức xạ dựa trên liều hấp thụ có thể dẫn đến sai sót /9/. Chúng ta tiếp tục xét xem các tương tác vi mô có vai trò gì trong giai đoạn hóa lý. b. Giai đoạn hóa lý: 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. Việc ion hóa hay kích thích phân tử nước sẽ dẫn đến một loạt các phản ứng hóa học, làm xuất hiện các chất có khả năng công phá trực tiếp ADN. Các chất này là các gốc tự do như OH • và H • : những phân tử trung hòa nhưng có hoạt tính hóa học rất mạnh; hay tương đương, e - eq (một electron được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước); hoặc các phân tử hydrogen peroxide H 2 O 2 , hay các gốc tự do hữu cơ R • , RO 2 . Số lượng gốc tự do này tỉ lệ với liều hấp thụ 4 . Các gốc tự do này sẽ công phá các phân tử sinh học. Ở cấp độ vĩ mô có thể thấy mức độ tổn thương của ADN do các gốc tự do là tỉ lệ với số lượng gốc tự do được tạo ra. Tuy nhiên, ở cấp độ vi mô, điều này còn phụ thuộc vào vị trí hình thành của các gốc tự do. Nguyên nhân là vì các gốc tự do có thời gian sống chỉ khoảng vài µs nên không thể đi xa được và chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng đường kính của một nucleosome. Như vậy, chỉ trong trường hợp bức xạ ion hóa hay các electron thứ cấp do chúng gây ra đi băng qua ADN thì các gốc tự do mới phát huy tác dụng. Việc xem xét quá trình hình thành gốc tự do có thể giải thích hiệu ứng oxy. Đối với bức xạ có LET bé (electron, tia X), sự có mặt của Oxy trong tế bào sẽ làm tăng tác dụng sinh học của bức xạ có thể đến 3 lần, so với khi không có oxy /2/. Điều này được giải thích qua việc tăng cường khả năng hình thành hydrogen peroxide H 2 O 2 theo chuỗi phản ứng sau H • + O 2 → HO • 2 , 2 HO • 2 → H 2 O 2 + O 2 HO • 2 + H • → H 2 O 2. Sự tăng thêm mật độ H 2 O 2 khi có oxy dẫn đến xác suất công phá ADN tăng lên. 4 Bức xạ từ nguồn Co-60 sẽ sinh ra khoảng 7gốc tự do/100 eV /Krieger/. Một liều 2 Gy tạo nên trung bình 1µmol gốc tự do/dm 3 /10/. Do thời gian sống ngắn của các gốc tự do, nên oxy chỉ phát huy tác dụng khi có mặt trong nhân lúc bị chiếu. Việc bổ sung thêm oxy ngay cả khoảng 1µs sau khi bị chiếu cũng không gây nên sự tăng độ nhạy tia, điều này đã được xác nhận trong các phép đo in vivo. Trên cơ sở xem xét vai trò của các chất tự do, ta cũng có thể giải thích tại sao hiệu ứng oxy giảm tác dụng đối với bức xạ có LET cao. Thật vậy, khi đó, một mặt, như đã đề cập trong giai đoạn vật lý, xác suất gây ion hóa trực tiếp trên ADN cao hơn làm cho vai trò của tác dụng gián tiếp giảm vai trò, mặt khác, càng nhiều H 2 O 2 hình thành theo sơ đồ OH • + OH • → H 2 O 2 ; nên nếu có thêm sự hình thành H 2 O 2 do oxy, thì sự bổ sung này cũng ít có ý nghĩa. Hiệu ứng nhiệt độ của tác dụng sinh học cũng được giải thích thông qua sự hình thành và hoạt động của các gốc tự do. Khi nhiệt độ càng cao, phạm vi khuếch tán của các gốc tự do càng lớn, khả năng tiếp cận ADN càng cao, do đó tác dụng của bức xạ càng mạnh. Thời gian sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi có mặt một số chất hóa học 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. Điều này giải thích tác dụng của các chất làm tăng cường hay giảm thiểu tác dụng của bức xạ. Cũng như đối với oxy, các chất này chỉ phát huy tác dụng khi có mặt trong tế bào lúc được chiếu xạ. Khác với tác dụng gián tiếp, xác suất xảy ra tác dụng trực tiếp là không phụ thuộc vào mật độ vật chất trong tế bào, vì sự tương tác giữa các phân tử không đóng vai trò gì trong sự tương tác giữa bức xạ và phân tử ADN riêng lẻ đang xét. Xác suất này cũng không phụ thuộc vào sự có mặt của những chất khác trong tế bào như oxy, nước, chất bắt gốc tự do hay chất tăng độ nhạy phóng xạ. Xác suất này cũng không phụ thuộc nhiệt độ, vì nó không phụ thuộc vào mức độ khuếch tán của các gốc tự do hay sự vận chuyển năng lượng nhiệt (vốn phụ thuộc nhiệt độ) /Krieger/. Tuy nhiên nó lại phụ thuộc vào LET. Các thí nghiệm cho thấy đối với bức xạ có LET bé, khoảng 1/3 tổn thương của ADN là do tác dụng trực tiếp, 2/3 còn lại do tác dụng gián tiếp. Đối với bức xạ có LET càng cao, phần đóng góp của tác dụng trực tiếp càng cao /10/. Như vậy, trong giai đoạn hóa lý, các quá trình vi mô xảy ra trong phạm vi kích thước dưới một µm sẽ có vai trò quyết định trong tác dụng của bức xạ ion hóa lên tế bào. Sau đây, chúng ta tiếp tục xem xét giai đoạn hóa sinh. Trong giai đoạn này, các tổn thương của ADN được sửa chữa. Việc khảo sát khả năng sửa chữa các tổn thương sẽ một lần nữa cho thấy vai trò của sự hấp thụ năng lượng cục bộ trong tế bào. c. Giai đoạn hóa sinh: Cả hai tác dụng trực tiếp hay gián tiếp đều dẫn đến sự tổn tương trên ADN. Các loại tổn thương của ADN có thể chia làm 6 loại: 1. Đứt một nhánh, 2. Đứt hai nhánh 5 , 5 Các thí nghiệm in vivo cho thấy đối với bức xạ có LET bé, tỉ lệ giữa tổn thương một nhánh và hai nhánh là 20:1. Số lượng đứt một nhánh tăng tỉ lệ bình phương liều hấp thụ, trong khi đó số lượng đứt hai nhánh tăng tỉ lệ liều hấp thụ /10/. 3. Tổn thương base 4. Nối giữa các phân tử trong ADN, 5. Nối giữa ADN và protein, 6. Tổn thương bội (bulky lession). Tổn thương của base có thể là sự đứt mối liên kết hidro giữa hai base, sự biến đổi cấu trúc hoá học của base, sự mất một base, sự 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 hay Cytosin. 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 nhị trùng hóa. 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. 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 /2/. Bảng dưới đây cho thấy các tổn thương ADN ứng với một liều làm chết 63% số tế bào, gây bởi bức xạ ion hóa và các tác nhân độc hại khác. So với tia tử ngoại hay các chất độc hóa học, tổng số tổn thương của ADN gây bởi bức xạ ion hóa là thấp hơn nhiều. Ta cũng thấy tổn thương base không phải là trầm trọng lắm đối với ADN. Nguyên nhân của sự chết tế bào có lẽ phải được tìm trong sự đứt nhánh chính của ADN hay do các tổn thương bội. Số lượng tổn thương ADN trong mỗi tế bào, làm chết khoảng 63% tế bào trong thí nghiệm in vitro. Bức xạ ion hóa gây nên một số ít đáng kể tổn thương ADN so với các nhân tố độc hại khác. Nguyên nhân là vì nó có thể tạo ra những tổn thương không sửa chữa được, như tổn thương bội “bulky lession”. /10/ Nhân tố gây tổn thương Loại tổn thương ADN Số tổn thương ở mỗi tế bào ứng với D 37 bức xạ ion hóa đứt một nhánh đứt hai nhánh tổn thương base nối giữa Protein và ADN tổn thương bội 1000 50 200 150 450 tia tử ngoại nhị trùng T=T đứt một nhánh nối giữa Protein và ADN 400.000 100 ? aflatoxin, Benzpyren, Acetylaminofluoren, Methy- nitrosohamstoff, H 2 O 2 ở 0 o C. từ 10.000 đến 2.600.000 D 37 là liều để giảm số tế bào sống sót xuống còn 37% Như ta thấy, vai trò của các tổn thương khác nhau đối với sự sống còn của tế bào là khác nhau. Điều này được giải thích là vì khả năng sửa chữa chúng khác nhau. Hiện nay chưa có những số liệu đáng tin cậy về khả năng sửa chữa các loại tổn thương này, nhưng người ta tin rằng các tổn thương đứt nhánh đôi là khó hồi phục hơn đứt nhánh đơn, còn các tổn thương bội là thuộc loại không hồi phục được. Do đó tác dụng sinh học sẽ càng lớn nếu càng nhiều các tổn thương bội hay các đứt nhánh đôi. Xác suất xảy ra tổn thương đứt nhánh đôi và tổn thương bội là phụ thuộc vào độ tập trung của năng lượng quanh ADN. Điều này giải thích tại sao các tương tác vi mô lại có ảnh hưởng lớn đến tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa. 4. KếT LUậN Việc xem xét sự hấp thụ năng lượng trong vật chất sống cho thấy các tương tác vi mô có vai trò quan trọng đối với tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa. Nó giải thích được các hiệu ứng oxy, hiệu ứng LET, hiệu ứng nhiệt độ. Nó cũng cho thấy giới hạn áp dụng của khái niệm liều hấp thụ như một đại lượng vĩ mô, đặc biệt khi tính toán an toàn bức xạ trong X quang chẩn đoán cũng như trong một số trường hợp của y học hạt nhân. Trong trường hợp này, cần phải thực hiện những phép tính thống kê, trong đó xác suất xảy ra các sự kiện riêng lẻ cần phải được tính đến. TÀI LIệU THAM KHảO: 1. JunIchiro Tade, On the Definitions of Dosimetric Quantities, ICRU News, 2003. 2. 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. 3. Gunderson, LL and Tepper, JE (eds): Clinical Radiation Oncology. Churchill Livingstone, Harcourt Health Sciences, Philadelphia, 2000. 4. Krieger Hanno: Strahlenphysik, Dosimetrie und Strahlenschutz, Band 1, B.G. Teubner, 4. Auflage, Stuttgart, 1998. 5. N.L. Glinka, Hóa học đại cương, T.1, Nxb. Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1988. 6. Josef Lissner und Ulrich Fink (Hrsg.): Radiologie I, 4. Auflage, Stuttjgart 1992. 7. Herbert Reich, Dosimetrie ionisierender Strahlung, Stuttgart, 1990. 8. Faiz M. Khan, The Physics of Radiation Therapy, 2 rd Ed., 1992, 9. André Wambersie, Paul M. DeLuca, Jr., Absorbed-Dose Specification in Nuclear Medicine, ICRU News (Internet Edition www.icru.org) 2002-11. 10. Sauer Rolf: Strahlentherapie und Onkologie fr MTA, Urban & Schwarzenberg, 3. Auflage, 1998. . ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TƯƠNG TÁC VẬT LÝ VI MÔ ĐẾN TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HÓA Nguyễn Đông Sơn Phân vi n Vật Lý Y Sinh Học 1. Mở đầu Để có thể vận dụng tốt nhất những ưu điểm của bức. tại sao các tương tác vi mô lại có ảnh hưởng lớn đến tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa. 4. KếT LUậN Vi c xem xét sự hấp thụ năng lượng trong vật chất sống cho thấy các tương tác vi mô có. sánh tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa và không ion hóa: bức xạ ion hóa, do tính chất tập trung năng lượng của nó, có “hiệu suất” gây tác dụng sinh học lớn hơn những tác nhân không ion hóa