Giáo trình Cơ sở Lý Sinh: Cơ sở sinh học bức xạ

Giỏo trỡnh C s Lý Sinh C s sinh hc bc x C s sinh hc bc x Sinh hc bc x kho sỏt tỏc dng ca bc x lờn c th sng. Cỏc kin thc sinh hc bc x l cn thit cú th s dng bc x mt cỏch hiu qu trong cỏc ng dng y t, c th l trong x tr v chn oỏn vi bc x ion húa, cng nh phũng trỏnh tỏc hi ca bc x. Trong phn ny, chỳng ta s xem xột cỏc quỏ trỡnh xy ra theo trỡnh t thi gian t lỳc bc x i vo c th ngi. Cỏc yu t chớnh v cỏc yu t ph cú nh hng n tỏc dng sinh hc s c trỡnh by. Cui cựng, quan h gia nh lng gia tỏc dng sinh hc v liu hp th s c xem xột. Đ1. Cu to t bo ca sinh vt V cu to, t bo gm mt nhõn t bo (nucleus) gia, mt cht lng bao quanh gi l bo tng (cytoplasma). Trong bo tng cú cỏc thnh phn ca t bo nh protein, ribosome, v.v Bc quanh bo tng l mt mng gi l mng t bo (membrane). Mi b phn thc hin nhng chc nng riờng r. C th con ngi v cỏc sinh vt khỏc cu to t cỏc c quan (organ) nh tim, phi, nóo v.v Cỏc c quan cu to t cỏc mụ (tissue) nh mụ m, mụ da, mụ xng v.v Cỏc mụ cu to t cỏc t bo (cell). T bo l n v sng c bn. Tng tỏc gia bc x v c th sng s gõy nờn nhng thay i trong t bo, lm cht t bo hay lm cho chỳng hot ng bt bỡnh thng, chng hn phỏt trin nhanh chúng mt cỏch hn lon v to nờn ung th. nhõn ( ) bo tng ( ) 1 voứng xoaộn keựp noỏi base Mng t bo lm nhim v trao i cht vi mụi trng ngoi. Bo tng l ni xy ra cỏc phn ng húa hc, b góy cỏc phõn t phc tp thnh cỏc phõn t n gin v ly nng lng nhit ta ra (d húa: catabolism), tng hp cỏc phõn t cn thit cho t bo (anabolism). Cũn nhõn l ni iu khin quỏ trỡnh tng hp ú. Trong nhõn cú ADN (deoxyribonucleic acid) l mt i phõn t hu c cha cỏc thụng tin quan trng thc hin s tng hp cỏc cht. Trong hỡnh bờn l mụ hỡnh cu to ca phõn t ADN. Cỏc t bo cú thi gian sng nht nh. Cỏc t bo khỏc nhau cú thi gian sng khỏc nhau. Cỏc t bo cng cú kh nng phõn chia to thnh t bo mi. ú l c ch duy trỡ s tn ti v phỏt trin ca c th ngi. ADN Dr. rer.nat. Nguyn ụng Sn Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ chứa các thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. Thông thường, những tác dụng sinh học của bức xạ lên phân tử là do sự phá hỏng ADN của tế bào. Sau đây chúng ta sẽ xem xét chuỗi quá trình từ lúc bức xạ bắt đầu đi vào cơ thể cho đến khi xuất hiện những hiệu ứng quan sát được về mặt sinh học và xem xét những yếu tố ảnh hưởng đến các hiệu ứng này. §2. Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu từ những tương tác vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, đến những quá trình sinh học có thể âm ỷ hàng chục năm. Các quá trình này có mối quan hệ nhân quả, theo một qui luật vừa mang tính chặt chẽ, vừa mang tính thống kê, mà cho đến nay vẫn chưa được nhận thức đầy đủ. Bảng dưới đây tóm tắt các quá trình đó. Bảng 1 Tóm tắt các quá trình xảy ra Trực tiếp Gián tiếp Giai đoạn vật lý (10 s -16 -10 -13 s) Năng lượng được hấp thụ trong các phân tử sinh học kích thích / ion hóa Năng lượng được hấp thụ trong nước hay vùng phụ cận kích thích / ion hóa Giai đoạn hóa lý (10 s -13 – 10 -2 s) Các gốc tự do sơ cấp (OH•, H•, e- tương đương) và Peroxide (H O ) 2 2 Các gốc sinh học (R•, RO•2) Hồi phục Giai đoạn sinh hóa (giây – giờ) Thay đổi các phân tử sinh học (ADN, màng, v.v ) Hồi phục Giai đoạn sinh học (mức dưới tế bào) (giờ - năm) Biến dị ↔ biến đổi sự trao đổi chất ↔ tổn thương dưới mức tử vong/ tổn thương gây tử vong Hồi phục Mức tế bào (thấy được) Hiệu ứng di truyền Tổn thương cấp tính và lâu dài Tế bào bị chết Cơ quan bị chết Trong các quá trình nói trên, quá trình vật lý là được hiểu biết đầy đủ và chi tiết hơn cả. Càng về sau, mức độ phức tạp càng tăng lên và mức độ chính xác của dự đoán càng giảm xuống. Nguyên nhân nằm ở chỗ người ta chưa có những dữ liệu thống kê đầy đủ, cũng như do sự khác biệt rất lớn giữa các cá thể nên không thể thực hiện những phép đo lặp lại được như trong vật lý. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 2 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Sau đây chúng ta sẽ trình bày từng bước một trong chuỗi quá trình đó. Ở mỗi bước, chúng ta sẽ nhấn mạnh các yếu tố có vai trò quan trọng trong việc gây nên tác dụng sinh học. 1. Giai đoạn vật lý (10 -16 s – 10 -13 s) Giai đoạn vật lý là bước đầu tiên của chuỗi quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào vật chất. Nhờ những tiến bộ trong sinh học phóng xạ, người ta ngày càng nhận thức rõ hơn ảnh hưởng của giai đoạn vật lý lên các quá trình tiếp theo. Điều này đã dẫn đến những yêu cầu nghiêm ngặt trong các phép đo lường vật lý trong xạ trị. Sau đây chúng ta sẽ xem xét một số đặc điểm chung của giai đoạn vật lý. Đặc điểm quan trọng nhất có liên quan đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng cục bộ mà bức xạ truyền cho môi trường. Điều này sẽ được xem xét trong phần tiếp theo. Khi đi qua môi trường vật chất, bức xạ có thể tương tác với của nguyên tử như một toàn bộ, với một electron của nguyên tử, hoặc với hạt nhân của nguyên tử. Thông qua đó bức xạ truyền năng lượng cho môi trường. Quá trình vật lý này xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn, từ 10 -16 s đến 10 -13 s. Đó là thời gian để bức xạ (photon, electron) đi qua cấu trúc chịu tương tác (phân tử nước, ADN). Trong các ứng dụng y tế, năng lượng bức xạ truyền cho môi trường chủ yếu gây nên sự ion hóa và sự kích thích. Quá trình này đã được khảo sát chi tiết trong phần trên. Sự ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của tế bào. Các tổn thương này càng nhiều và càng nghiêm trọng nếu lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong tế bào càng lớn. Do đó, tác dụng sinh học của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ bỏ ra trong một đơn vị khối lượng môi trường. Đại lượng này chính là liều hấp thụ D. Các cấu trúc chịu sự ion hóa hay kích thích có thể là ADN, ARN, các axít amin, các protein, các enzym hay một phần của màng tế bào, và chủ yếu là các phân tử nước, vốn chiếm một tỉ lệ khối lượng khoảng 80% trong tế bào. Quá trình ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của các đại phân tử sinh học trong tế bào. Hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua việc gây tổn thương cho ADN, phân tử mang thông tin di truyền của tế bào. Những tổn thương gây ra trên các màng và các ống vi mô cũng có thể là những cơ chế bổ sung làm tế bào bị nhiễm độc. Các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nó. Đó là tác dụng trực tiếp . Phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hóa các phân tử nước trong vùng lân cận nó. Khi đó, các phân tử nước sẽ bị phân ly (sự thủy phân do bức xạ) và dẫn đến việc hình thành các gốc tự do và hydroxyl. Các gốc tự do và hydroxyl công phá các phân tử ADN. Khi một ADN bị tổn thương, ta không thể phân biệt được là nó chịu tác dụng trực tiếp hay gián tiếp, nhưng do tế bào chứa khoảng 80% nước và dưới 1% ADN, nên người ta cho rằng tác dụng gián tiếp đóng vai trò quan trọng. Các phép đo cho thấy rằng đối với bức xạ có LET bé như electron hay photon, tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số các thương tổn, phần còn lại là do hiệu ứng gián tiếp. Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn quá trình này trong giai đoạn hóa lý. Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng lượng từ hàng chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến hàng chục Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 3 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ MeV (trong xạ trị). Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình *) . Tác dụng gián tiếp Tác dụng trực tiếp Như vậy, trong sự hấp thụ năng lượng từ bức xạ ion hóa, viên gạch nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử đã bị phá vỡ. Sự ion hóa và kích thích (chủ yếu trên các phân tử nước) là những bước đầu tiên dẫn đến quá trình công phá các phân tử sinh học, đặc biệt là ADN. Năng lượng hấp thụ từ những tác nhân vật lý không ion hóa khác có thể gây nên sự kích thích phân tử, nhưng nguyên tử vẫn còn nguyên vẹn. Chính sự khác biệt này sẽ giải thích tại sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác. 2. Giai đoạn hóa lý (10 -13 s đến 10 -2 s) Giai đoạn hóa lý mở đầu bằng việc hình thành các gốc tự do và kết thúc bằng những thay đổi cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học có trong tế bào. Như đã nói trên, bức xạ có thể tương tác trực tiếp với ADN hay gián tiếp, thông qua việc ion hóa hay kích thích phân tử nước. Trong cả hai trường hợp, năng lượng của bức xạ được hấp thụ trong các phân tử hữu cơ cũng như vô cơ. Tiếp sau quá trình tương tác đó là quá trình phân tán năng lượng đã hấp thụ từ bức xạ cho vùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thông qua sự truyền năng lượng nội phân tử (xảy ra bên trong một phân tử ) hay từ phân tử này sang phân tử khác. Quá trình trao đổi nội phân tử có thể làm thay đổi cấu trúc hay phá hủy phân tử sinh học, do việc tách *) Chẳng hạn, có thể ước lượng được rằng một electron có năng lượng 1 MeV có khả năng ion hóa 3,3.10 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. Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào. Một liều toàn thân 2,4 mGy (= 2,4 mJ/kg) gây ra trong cơ thể một người nặng 70 kg khoảng 3,5.10 16 cặp ion. Giá trị được chọn trong ví dụ trên là liều trung bình một người nhận được hàng năm do bức xạ tự nhiên. Con số rất lớn cặp ion xuất hiện ở trên cho thấy rằng trong cơ thể người có một cơ chế tự sửa chữa tác hại của bức xạ. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 4 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ các nhóm chức năng hay làm đứt vỡ những phân tử có dạng chuỗi. Quá trình trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra chủ yếu là sự tương tác giữa phân tử nước. Đó là quá trình hình thành và khuếch tán của các gốc tự do. Các gốc tự do này được hình thành do sự thủy phân của nước dưới tác dụng của bức xạ. Các gốc tự do công phá các phân tử sinh học. Chúng sẽ xem xét quá trình này kỹ hơn dưới đây. a. Sự hình thành các gốc tự do Các gốc tự do được hình thành do sự thủy phân do bức xạ. Quá trình này xảy ra sau khi phân tử nước hấp thụ năng lượng từ bức xạ. Đầu tiên là sự ion hóa: HOH + + e - : một cặp ion H 2 O + γ → Sau quá trình này, một số phản ứng có thể xảy ra. Một là, cặp ion có thể tái hợp lại để trở thành một phân tử bình thường. Khi đó không có tổn hại nào xảy ra. Hai là, electron có thể gắn vào một phân tử nước trung hòa và tạo ra một loại ion thứ ba H 2 O + e HOH → Ba là, e - có thể được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước và hình thành nên e - eq (gọi là tương đương electron). Các ion HOH + và HOH không bền vững lắm và có thể bị tách thành các phần tử nhỏ hơn HOH + H + + OH • → HOH OH + H • → • • được gọi là các gốc tự do (free radicals)OH và H . Thời gian hình thành các gốc tự do là vào khoảng 1 μs. Vậy kết quả của sự xạ phân do bức xạ là sự hình thành các ion H + , OH và các gốc tự do OH • • và H và e - eq . Tương đương electron e - eq cũng có tác dụng như một gốc tự do. Do đó OH • • và H và e - eq được gọi chung là các gốc tự do sơ cấp. Các ion H + và OH có thể tái hợp mà không gây tổn hại sinh học nào. Các loại ion này cũng thường xuất hiện trong nước. Ví dụ Na + và Cl khi hòa muối vào nước. Ngay cả khi không bị chiếu xạ, trong nước cũng có các ion H + và OH . Các gốc tự do là những phân tử trung hòa có một electron không ghép cặp ở vỏ ngoài cùng. Do đó chúng có hoạt tính hóa học rất mạnh. Chúng cũng không bền, thời gian sống vào khoảng 1 μs. Tuy nhiên trong khoảng thời gian ấy, nó có thể khuếch tán và gây tương tác tại một vị trí cách nơi hình thành khoảng một vài nanomnet. Các gốc tự do tương tác với các phân tử khác theo phản ứng oxy hóa-khử. Chúng có thể công phá phân tử ADN, bẻ gãy các liên kết của phân tử đó và do đó gây ra một tổn thương điểm ở một nơi xa điểm hình thành gốc tự do. Các gốc tự do cũng có thể tạo ra hydrogen peroxide, H 2 O 2 , rất độc đối với tế bào. Hydrogen peroxide có thể được hình thành bằng nhiều cách. Với bức xạ có LET cao, do mật độ gốc tự do cao, hai gốc tự do OH • có thể kết hợp lại để hình thành H 2 O 2 . • • OH + OH H 2 O 2 → Hay trong trường hợp có nhiều oxy, hydrogen peroxide được hình thành theo chuỗi sau • • H + O 2 HO 2 → • • Các gốc tự do Hydroperoxyl HO 2 không bền, có thể kết hợp với nhau hay với H để tạo thành hydrogen peroxide: Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 5 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ 2 HO • 2 → H 2 O 2 + O 2 HO • 2 + H • → H 2 O 2 H 2 O 2 , OH • , H • và e - eq được xem là sản phẩm gây hại chính của quá trình xạ phân, nó là chất độc của tế bào. Hai loại gốc tự do khác cũng có thể hình thành. Một số phân tử hữu cơ khác, ký hiệu RH, có thể trở thành các gốc tự do: RH + γ → RH • → H • + R • Khi có oxy, một loại gốc tự do khác cũng hình thành như sau: R • + O 2 → RO 2 . Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và hoạt động của các gốc tự do: * Hiệu ứng oxy: càng nhiều oxy thì khả năng hình thành gốc tự do càng cao, đặc biệt việc hình thành các gốc peroxide H 2 O 2 , do đó tác dụng sinh học càng lớn (2-3 lần đối với bức xạ có LET bé). * Sự phụ thuộc vào LET: LET càng cao thì mật độ OH • cao, càng nhiều H 2 O 2 hình thành theo OH • + OH • → H 2 O 2 , do đó tác hại càng mạnh. Thực nghiệm cho thấy với LET cao, sự hình thành H 2 O 2 không phụ thuộc vào lượng Oxy, do đó hiệu ứng oxy mất tác dụng. Khi LET cao, lượng gốc tự do H • cũng nhiều, làm cho sự tái hợp H • + H • → H 2 cũng mạnh theo, do đó hiệu suất hình thành gốc tự do giảm. * Hiệu ứng nhiệt độ: nhiệt độ càng thấp, phạm vi khuếch tán của các gốc tự do càng bé, do đó tác dụng gián tiếp càng bé. * Tác dụng của một số chất hóa học: Một số chất có thể làm tăng hay giảm hoạt động của các gốc tự do (chất bảo vệ phóng xạ và tăng cường phóng xạ). Để có thể phát huy tác dụng, các chất này phải có mặt ngay khi chiếu bức xạ c. Tác dụng của các gốc tự do lên ADN Các gốc tự do sẽ khuếch tán ra chung quanh vùng chúng hình thành, tập trung quanh những phân tử nước hay tương tác với các phân tử sinh học và làm thay đổi cấu trúc hóa học của chúng. Thường thì các gốc tự do lấy đi các nguyên tử hidro của các phân tử sinh học, chẳng hạn lấy hidro của cầu nối hidro trong ADN. Các gốc tự do này có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên không thể đi xa được. Do đó chúng chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng ½ đường kính của thớ của nhiễm sắc thể (Chromatin fibrillar). Thời gian sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi có mặt oxy hay các phân tử 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. Những bức xạ có khả năng ion hóa mạnh như neutron hay hạt nặng mang điện tạo ra trên đường đi của chúng một vệt ion hóa đậm, do đó nếu nó đi băng qua một ADN thì có thể gây nên hiệu ứng trực tiếp, ngay cả khi không có oxy. Chúng cũng có nhiều khả năng gây nên những đứt gãy không hồi phục được trên chuỗi xoắn kép của ADN. Do tác dụng của trực tiếp hay gián tiếp, ADN có thể chịu các tổn thương sau: – Đứt một nhánh – Đứt hai nhánh Đối với bức xạ có LET bé, tỉ lệ giữa tổn thương 1 nhánh và hai nhánh là 20:1. Số lượng đứt một nhánh tăng tỉ lệ bình phương liều hấp thụ: ~ D 2 Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 6 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Số lượng đứt hai nhánh tăng tỉ lệ liều hấp thụ: ~ D. 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 sai hỏng base, do chỉ được hấp thụ trong các base Thymin và Cytosin. − Tổn thương base: làm thay đổi base hay thay đổi liên kết giữa các base. Sự tổn thương của base có thể dẫn tới việc đứt mối liên kết hidro giữa hai base, hay làm biến đổi cấu trúc hoá học của base, làm mất một base, làm 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 (T) hay Cytosin (C). Sự nhị trùng hóa này xảy ra chủ yếu khi ADN bị chiếu bởi tia tử ngoại. − Nối giữa các phân tử trong ADN − Nối giữa ADN và protein − Tổn thương bội (bulky lession). Thuộc loại tổn thương gây tử vong (lethal damage). Không sửa chữa được. Loại tổn thương Số tổn thương trên mỗi tế bào ứng với 1 Gy (LET bé) Đứt nhánh đơn 1 000 Tổn thương base 500 Đứt nhánh đôi 40 Nối giữa DNA và protein 150 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, nghĩa là 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. 3. Giai đoạn hóa sinh – Quá trình sửa chữa tổn thương của ADN Quá trình hóa sinh kéo dài từ 10 -2 s đến nhiều giờ. Ở đầu giai đoạn này ta có ADN bị tổn thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là những tổn thương không hồi phục được. a. Cơ chế sửa chữa Trong quá trình tiến hóa của loài người, do thường xuyên bị bức xạ chiếu và do sự biến dị tự phát, trong các tế bào đã hình thành nên một cơ chế sửa chữa rất hiệu quả. Cơ chế này nhận biết những biến đổi phân tử của ADN và trong phần lớn trường hợp có thể sửa chữa lại chúng bằng những quá trình điều khiển bởi enzym. Trong bào tương cũng có những chất có thể trung hòa các gốc tự do trước khi chúng kịp công phá ADN hay các bào quan. Hiệu quả hoạt động của các cơ chế sửa chữa và bảo vệ này phụ thuộc vào pha của tế bào trong chu kỳ, vào hàm lượng năng lượng của tế bào, vào mật độ của các enzym sửa chữa cũng như của các chất bảo vệ có mặt trong bào tương cũng như vào nhiệt độ. Các cơ chế này chịu trách nhiệm việc tiêu diệt những thay đổi về cấu trúc và thông tin của tế bào gây bởi bức xạ hay bởi các tác nhân hoá học khác, để cho tế bào sau khi bị chiếu bởi một liều không cao lắm, có thể hồi phục trở lại. b. Quá trình sửa chữa Một số công việc sửa chữa được điều khiển bởi enzym có thể được tiến hành ngay sau khi xuất hiện các tổn thương và có thể kết thúc trong vòng vài phút hay vài giờ. Nếu nó Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 7 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ xảy ra trước khi nhân đôi ADN và trước khi phân bào, thì người ta gọi là sự sửa chữa trước nhân đôi. Quá trình diễn tiến của các sửa chữa trước nhân đôi là khác nhau, tùy theo nguyên nhân và loại tổn thương ADN. Nếu tổn thương của ADN xảy ra ngay trước hay trong khi nhân đôi ADN và không kịp sửa chữa trước phase mitose, thì quá trình sửa chữa sau nhân đôi sẽ vào cuộc. Một số sửa chữa cần có năng lượng ánh sáng, được gọi là sửa chữa quang (photorepair). Các loại sửa chữa còn lại sử dụng năng lượng dự trữ trong tế bào và không cần ánh sáng. Nếu quá trình phân bào xảy ra càng nhanh, thì về trung bình, thời gian để sửa chữa trước nhân đôi càng bé, khi đó sự sửa chữa càng kém hiệu quả. Điều này giải thích tại sao các tế bào có tốc độ phân bào càng cao thì càng nhạy đối với bức xạ. Trong tế bào ung thư, bên cạnh tốc độ phân bào cao, bộ máy sửa chữa và các enzym sửa chữa của chúng cũng bị những sai sót, do đó chúng nhạy với bức xạ hơn tế bào lành. c. Phân loại các tổn thương do bức xạ Các tổn thương do bức xạ lên tế bào có thể được chia thành 3 loại: − Tổn thương gây chết (lethal damage): không hồi phục được, sẽ dẫn đết chết tế bào. Các tổn thương bội thuộc loại này. − Tổn thương dưới mức chế (sublethal damage): có thể sửa chữa trong vài giờ, trừ khi bị thêm những tổn thương dưới mức chết khác, dẫn đến tổn thương gây chết. − Tổn thương có khả năng gây chết (potentially lethal damage): có thể sửa chữa nếu tế bào được duy trì trong trạng thái không phân bào. 4. Quá trình sinh học – Từ vài giờ đến nhiều năm – Từ mức tế bào đến mức mô Bắt đầu: các ADN bị tổn thương không hồi phục được; kết thúc: tế bào chết, xảy ra đột biến, ung thư, các hiệu ứng sớm và muộn. a. Ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể (NST) Nếu tổn thương do bức xạ gây nên trên ADN là đủ lớn, thì có thể quan sát thấy những rối loạn của nhiễm sắc thể (chromosome aberration), như hình vẽ dưới. Rối loạn nhiễm sắc thể xảy ra khi một đoạn dài của ADN bị thay đổi, nó bao gồm: nhân đôi (duplication), bị cắt bỏ (deletion), thêm vào một đoạn gen (inversion), chuyển đoạn gen sang nhiễm sắc thể khác (translocation). Rối loạn nhiễm sắc thể xuất hiện ở hai giai đoạn, ở giai đoạn đầu, xuất hiện một đứt nhánh đôi không hồi phục được hoặc một sự mất ổn định hoá học trong nhiễm sắc thể có thể dẫn đến sự phân rã của nhiễm sắc thể, ở giai đoạn sau, là sự nối lại các nhánh bị đứt. Người ta phân biệt sự rối loạn nội nhiễm sắc thể (xảy ra bên trong một NST và rối loạn giữa các NST (do sự trao đổi các nhánh của các NST khác nhau). Những rối loạn NST rất tiêu biểu do tác dụng của bức xạ là sự hình thành NST hai tâm (dicentric) và NST vòng. b. Các tác dụng của bức xạ lên tế bào Ở cấp tế bào, ba hiệu ứng chính có thể quan sát được từ sự chiếu xạ ADN là sự chết của tế bào (cell death), và sự đột biến dẫn đến bệnh ung thư ác tính (malignant disease) hay tổn thương di truyền (genetic damage). c. Sự chết của tế bào Sự chết của tế bào có thể chia làm hai loại: chết giữa phase (interphase death) và chết khả năng sinh sản (reproductive cell death). Một liều rất cao (vài trăm Gy) có thể hủy hoại mọi hoạt động của tế bào và làm tế bào chết giữa pha. Một liều thấp hơn (vài Gy) sẽ Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 8 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ a b c d e f g h i a) NST bình thường. b) trái: đứt ở cuối; phải: đứt một khe. c) rối loạn NST, trái: mất một khoảng ở giữa; phải mất ở cuối. d) hai đoạn của nhánh này bị cắt và nối sang nhánh khác. e) NST bị nối thành vòng. f) hai nhánh bị cắt nối thành vòng. g) một cặp NST bình thường. h) Hai NST dính lại thành một NST hai tâm + hai đoạn đứt hỗn hợp. i) Hai NST trao đổi các đoạn cho nhau. Từ b-f: nội NST. Trường hợp h + i: giữa các NST. d. Sự đột biến Những thay đổi không được phục hồi của thông tin di truyền được gọi là sự đột biến (mutation). Nếu sự đột biến đó chỉ gặp ở tế bào thân, thì người ta gọi đây là đột biến cá thể (somatic mutation). Nó không di truyền cho thế hệ con cháu. Nó có thể dẫn đến những thay đổi có tính chất ác tính của tế bào, phá hủy hoạt động của enzym hay thay đổi sự trao đổi chất của tế bào. Nếu đột biến xảy ra ở tế bào sinh dục thì nó có thể di truyền cho thế hệ sau. Người ta gọi đây là đột biến gen (genetic mutation). Đa phần các đột biến loại này có tính lặn (recessive), nghĩa là nó thường tác dụng tới kiểu di truyền (genotype) mà không tác động tới kiểu hình (phenotype) của các thể bị biến dị đó. Đột biến điểm: nếu sự biến đổi chỉ xảy ra trên một gen. Khi đó sự tổng hợp một protein bị thay đổi. Sự thay đổi này chỉ ảnh hưởng đến tế bào và cơ quan, nếu đoạn gen này của ADN là hoạt động (active). e. Sự hồi phục ở mức toàn thân Ở mức độ toàn thân (whole-body level), sự hồi phục khỏi những tổn thương do bức xạ được hỗ trợ thông qua sự tái tạo dân số (repopulation) của những tế bào sống sót. Nếu một mô nhận một liều đủ lớn, nó sẽ đáp ứng bằng cách co kích thước lại. Đây được gọi là sự thu nhỏ (atropy). Nguyên nhân là vì một số tế bào bị chết, bị loại ra (disintegrated) và bị mang đi nơi khác như những chất thải. Nếu có một số tế bào đủ lớn sống sót do chỉ nhận những liều dưới mức tử vong, thì những tế bào này có thể tăng trưởng và tái tạo số tế bào của cơ quan bị chiếu xạ. Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 9 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Các quá trình tổ hợp của sự sửa chữa và sự tái tạo đóng góp vào sự hồi phục khỏi các tổn thương do bức xạ. Sự hồi phục = các sửa chữa bên trong tế bào + sự tái tạo tế bào 5. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ lên tế bào Mức độ tác dụng sinh học của bức xạ được quyết định chủ yếu bởi liều hấp thụ. Bên cạnh đó, còn có những yếu tố khác có thể có ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ. Các yếu tố này có thể được phân làm 2 loại: các yếu tố vật lý và các yếu tố sinh học. Các yếu tố vật lý là LET, lượng Oxy, nhiệt độ (đã nói ở trên) hay suất liều, sự phân liều (sẽ nói sau). Còn sau đây chúng ta sẽ xét đến các yếu tố sinh học. a. Độ nhạy bức xạ của các tế bào khác nhau - Các định luật Bergonie & Tribondeau Vào năm 1906, hai nhà khoa học người Pháp là Bergonie và Tribondeau lần đầu tiên đã thiết lập được mối quan hệ giữa độ nhạy bức xạ và mức độ trưởng thành và mức độ trao đổi chất của tế bào. Các quan hệ này được phát biểu thành các định luật Bergonie và Tribondeau như sau: 1. Các tế bào mầm (stem cell) rất nhạy đối với phóng xạ. Tế bào càng trưởng thành, độ kháng tia càng cao. 2. Các mô và cơ quan càng trẻ thì càng nhạy bức xạ. 3. Mức độ trao đổi chất càng cao thì độ nhạy càng cao 4. Khi tốc độ tăng trưởng (proliferation rate) của các tế bào và tốc độ phát triển (growth rate) của các mô càng cao thì độ nhạy phóng xạ càng cao. b. Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào chu kỳ tế bào Đối với những tế bào thuộc cùng một loại, kỹ thuật in vitro cũng cho phép khảo sát độ nhạy bức xạ vào các giai đoạn khác nhau của chúng. Một chu kỳ tiến hoá của tế bào có khả năng sinh sản có thể được chia làm 4 giai đoạn, căn cứ vào cấu trúc của nhiễm sắc thể (chromosome) chứa DNA. − M (phân chia tế bào: mitosis) − G 1 (chuẩn bị tổng hợp: 1 st growth) − S (tổng hợp: synthetic) − G 2 (tăng trưởng: 2 nd growth) Độ nhạy của tế bào đối với bức xạ trong các giai đoạn này là không như nhau. Thực nghiệm cho thấy tế bào nhạy nhất đối với bức xạ khi nó đang ở giai đoạn G2, kém nhạy hơn khi đang ở giai đoạn S, kém hơn nữa khi ở giai đoạn G1 và ít nhạy bức xạ nhất khi ở giai đoạn M (hình bên). (giữa pha: interphase) §3. Phân loại các tác dụng của bức xạ ở mức lâm sàng 1. Tác dụng cá thể (somatic) và tác dụng di truyền (genetic) Các tác dụng sinh học của bức xạ có thể được phân loại theo cách thể hiện tác dụng đó. Những hiệu ứng chỉ xảy ra trong một cá thể được gọi là tác dụng somatic, còn những tác dụng xảy ra ở các thế hệ sau được gọi là tác dụng genetic (di truyền). Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 10 [...]... trong lâm sàng và trong các nghiên cứu cơ bản cho thấy, với bức xạ có LET thấp, sự phụ thuộc bậc hai vào D chiếm ưu thế, và với bức xạ có LET cao, sự phụ thuộc bậc một vào D chiếm ưu thế Điều đó có nghĩa là sự sửa chữa của tế bào chỉ có hiệu quả với bức xạ có khả năng ion hóa bé /Sauer/ Dr rer.nat Nguyễn Đông Sơn 15 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ 1 Tỉ lệ sống sót α/β bé α/β lớn 0,1... nhiều lý thuyết khác nhau đã được đề xuất Có thể phân loại hai nhóm lý thuyết: lý thuyết bia (target theory) và mô hình nhiều thành phần Trong những năm gần đây, mô hình nhiều thành phần, mà chủ yếu là mô hình tuyến tính-bậc hai đã được áp dụng rộng rãi Chúng ta sẽ xem xét qua các lý thuyết này Dr rer.nat Nguyễn Đông Sơn 14 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ c Lý thuyết bia Theo lý thuyết.. .Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ 2 Tác dụng ngẫu nhiên (stochastic) và tác dụng tất nhiên (deterministic) Các tác dụng sinh học của bức xạ cũng có thể được phân loại theo quan hệ giữa liều và đáp ứng Người ta gọi những tác dụng xảy ra một cách ngẫu nhiên là tác dụng stochastic Tính chất ngẫu nhiên thể hiện ở chỗ là khi một cá thể bị chiếu xạ thì cá thể đó có thể... một liều hấp thụ, tác dụng sinh học của bức xạ còn phụ thuộc vào phương thức chiếu Có 3 phương thức chiếu được áp dụng trong xạ trị là chiếu một lần duy nhất trong một thời gian ngắn (suất liều cao), chiếu lần duy nhất trong một thời gian dài (suất liều thấp) và chiếu nhiều lần với các phân liều nhỏ Dr rer.nat Nguyễn Đông Sơn 17 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ Chúng ta sẽ xem xét ảnh... sót α/β bé α/β lớn 0,1 0,01 0 5 Dr rer.nat Nguyễn Đông Sơn 10 15 Liều hấp thụ (Gy) 20 16 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ e Các mô đáp ứng sớm và muộn Về mặt thời gian, đáp ứng của các mô đối với bức xạ có thể chia làm hai loại: sớm và muộn Nói chung các mô ung thư có tốc độ đáp ứng sớm đối với bức xạ Một số loại mô lành có đáp ứng sớm và một số có đáp ứng muộn Đối với các mô lành, khoảng... thư ngực + Tổn thương mô cục bộ: da; tuyến sinh dục mắt + Giảm tuổi thọ + Tổn thương di truyền Tổn thương tế bào di truyền Giảm liều gấp đôi Giảm liều có ý nghĩa về di truyền + Hiệu ứng đối với bào thai Chết trước khi sinh Chết trong khi sinh Bị bệnh bẩm sinh Bị u ác tính lúc còn trẻ Chậm lớn, chậm phát triển 11 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ §4 Quan hệ liều-đáp ứng ( Radiation Dose-Response... liều nhỏ Phương pháp ngoại suy thông dụng nhất là ngoại suy Dr rer.nat Nguyễn Đông Sơn 12 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ §5 Quan hệ giữa liều hấp thụ và số lượng tế bào sống sót Các đường cong đáp ứng ở trên mô tả xác suất xảy ra một hiệu ứng sinh học quan sát được khi liều hấp thụ thay đổi Trong xạ trị người ta cũng thường diễn tả số lượng tế bào có khả năng sống sót theo liều hấp thụ... chung Các phép đo này cho thấy nói chung đường cong sống sót của động vật có vú có một vùng “vai” (shoulder) trước khi giảm theo hàm mũ (hình dưới) Dr rer.nat Nguyễn Đông Sơn 13 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ vùng “vai“ vùng hàm mũ giảm Liều, đơn vị tính cGy Đường cong sống sót của tế bào động vật có vú theo liều hấp thụ Đường cong sống sót dạng này có thể được đặc trưng bởi 3 tham... dụng sinh học cụ thể là một hàm của liều hấp thụ Trong biểu diễn toán học, quan hệ này được gọi là quan hệ liều-đáp ứng (Radiation Dose-Response Relationship, viết tắt là RDRR) Mục đích của hầu hết các nghiên cứu sinh học bức xạ là thiết lập các quan hệ này Đó là một hàm toán học mô tả quan hệ giữa liều bức xạ với các mức độ của các tác dụng quan sát được RDRR có hai ứng dụng quan trọng: Để lập qui trình. .. chiếu xạ có thể bị những tác dụng cấp tính hay không (tùy theo liều), nhưng luôn luôn có nguy cơ bị các tác dụng muộn stochastic Bảng dưới tóm tắt các tác dụng của bức xạ trên cơ thể người Tác dụng sớm Tóm tắt các hiệu ứng của bức xạ trên cơ thể người Tác dụng muộn + Hội chứng cấp tính: huyết học dạ dày và ruột thần kinh trung ương + Tổn thương mô cục bộ: da tuyến sinh dục tứ chi + Suy giảm huyết học . Giỏo trỡnh C s Lý Sinh C s sinh hc bc x C s sinh hc bc x Sinh hc bc x kho sỏt tỏc dng ca bc x lờn c th sng. Cỏc kin thc sinh hc bc x l cn thit cú th s dng bc x mt. R. Hendrickson, H. Rodney Withers: Principles of Radiation Oncology, from American Cancer Society Textbook of Clinical Oncology, Arthur I. Holleb et. al. (Ed.), 1991. 2. Gunderson, LL and. khi sinh Chết trong khi sinh Bị bệnh bẩm sinh Bị u ác tính lúc còn trẻ Chậm lớn, chậm phát triển Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn 11 Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ ( ) §4.