SKRYPT WYKA
AD  PROMIENIOWANIE JONIZUJ
CE I NIEJONIZUJ
CE- ZMIANY
WYWOA
ANE W UKA
ADACH OŻYWIONYCH
Promieniowanie jest to strumień cząstek lub fal wysyłanych przez ciało.
y
ródła promieniowania:
�� naturalne:
�� promieniowanie kosmiczne
�� promieniowanie emitowane przez pierwiastki zawarte w skorupie ziemskiej
(uran, tor)
�� sztuczne
�� aparatura RTG
�� sztuczne izotopy promieniotwórcze
Rodzaje promieniowania wg F.Jaroszyka
�� Jonizujące
q� Korpuskularne
" promieniowanie ą
" promieniowanie �
" promieniowanie neutronowe
" promieniowanie protonowe
q� Elektromagnetyczne
" promieniowanie RTG lub ł
�� Niejonizujące
q� Elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego
" mikrofale
" ultrafiolet
Promieniowanie alfa
" emitowane przez rozpadające się jądra atomowe, będące strumieniem cząstek alfa
(po dwa protony i neutrony), które są jądrami helu.
" wytwarzane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak uran i rad.
Promieniowanie beta
� emitowane przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej.
� powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów
poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła
Promieniowanie ł
Wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego o energii kwantu
większej od 50 keV. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania
rentgenowskiego y
ródłem promieniowania ł dla celów medycznych są izotopy:
226
ś� Ra
60
ś� Co
137
ś� Cs
Promieniowanie ł nie jest w stanie jonizować ośrodka przez który przechodzi, ale wytwarza
promieniowanie wtórne (elektrony i pozytony), które oddziaływuje z materią
Promieniowanie ą - słabo przenikliwe promieniowanie.
Promieniowanie � - silnie pochłaniane przez materię (blacha aluminiowa)
Promieniowanie ł- wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych, zderzeń jąder lub
cząstek subatomowych, jest słabo pochłaniane przez materię
Oddziaływaniu promieniowania z materią towarzyszą zjawiska fizyczne:
Ciężkie cząstki naładowane (protony, deuterony, cząstki ą) współdziałają z materią w
następujących procesach:
1. Sprężyste zderzenia z atomami lub jądrami atomów (rozpraszanie sprężyste).
2. Niesprężyste zderzenia z elektronami powłok atomów (rozpraszanie
niesprężyste).
3. Reakcje jądrowe (np. rozszczenienie)
Reakcja jądrowa
Reakcji jądrowej może towarzyszyć wydzielanie się energii lub jej pochłanianie. Energię "E
wydzieloną lub pochłoniętą można wyrazić wzorem:
"E = [(m1+ m2)  (m3+ m4)]c2
gdzie: m1  masa spoczynkowa jądra bombardowanego,
m2  masa spoczynkowa cząstki bombardującej,
m3 + m4  suma mas spoczynkowych jąder powstałych w wyniku reakcji.
Jeżeli "E > 0, to reakcja jest egzotermiczna , Jeżeli "E < 0, to reakcja jest endotermiczna
Jonizujące promieniowanie elektromagnetyczne
Fotony jonizującego promieniowania elektromagnetycznego (RTG,ł) współdziałają z
ośrodkiem według trzech różnych mechanizmów:
� zjawiska fotoelektrycznego
� rozproszenia komptonowskiego
� zjawiska tworzenia par elektron - pozyton
Zjawisko fotoelektryczne
" W zjawisku fotoelektrycznym foton o
energii hv wytrąca z atomu elektron i
nadaje mu energię kinetyczną 1/2mv2
" Energia fotonu zostaje zużyta na
przezwyciężenie energii wiązania
elektronu.
" Atom pozbawiony elektronu staje się
jonem dodatnim
" Fotoelektron (wybity elektron) zderza
się z sąsiednimi atomami jonizując je i
traci przy tym swoją energię kinetyczną
Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
Rozproszenie komptonowskie
Energia fotonu jest na tyle duża że po
zderzeniu foton zostaje odrzucony pod kątem
�, elektron zaś uzyskuje pęd mv tworząc kąt ą
z kierunkiem padania fotonu.
Elektron komptonowski jonizuje środowisko
podobnie jak fotoelektron,
Foton rozproszony osiąga energię: hv =
hv- Ee-Be
Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks
Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
Tworzenie par elektron-pozyton
foton (E>1.022MeV) może w polu jądra
atomowego wyzwolić dwa elektrony o
przeciwnych ładunkach elektrycznych
(negaton i pozyton)
hv -1,02 MeV=Ee- + Ee+
Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks
Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
 Reakcja łańcuchowa
Jest szczególnym przykładem reakcji jądrowej. Po zainicjowaniu reakcja przebiega
początkowo tylko w niewielkiej części ośrodka, lecz jej produkty inicjują reakcje w kolejnym
punkcie na skutek czego rozwija się ona lawinowo.
Reakcje jednostkowe współtworzące reakcję łańcuchową dzieli się zwykle na:
o inicjowanie- powstają pierwotne centra reaktywności, od których zaczyna
się cały proces
o propagację- powtarzające się reakcje prowadzące do namnożenia centrów
reaktywności
o terminację- procesy prowadzące do zaniku centrów reaktywności
Po zainicjowaniu reakcja przebiega początkowo tylko w niewielkiej części ośrodka,
lecz jej produkty inicjują reakcje w kolejnym punkcie na skutek czego rozwija się ona
lawinowo.
� Jądro pochłaniające neutron uzyskuje energię równą różnicy energii wiązania jądra
złożonego i jądra pochłaniającego neutron powiększoną o energię kinetyczną
padającego neutronu
� W reakcji rozszczepienia 235U ok. 0,1% masy jądra zamienia się w energię dając ok.
200MeV
Proces jonizacji
Jonizacja zjawisko powstawania kationu bądz
anionu, z obojętnego atomu lub cząsteczki.
Odbywa się na :
" na skutek wzajemnych zderzeń obojętnych atomów
" poprzez wybicie elektronu z powłok atomowych w wyniku absorpcji kwantu
promieniowania elektromagnetycznego
" w wyniku wyrzucenia z atomu elektronu
W jaki sposób może jonizować promieniowanie ?
ś� bezpośrednio- tworzy strumienie cząstek naładowanych (elektrony, protony,
deuterony) , które są w stanie oddziaływać w sposób ciągły z elektronami, obecnymi
w środowisku przez które przechodzą
ś� pośrednio- wytworzenie promieniowania wtórnego, składa się z obiektów
nieposiadających ładunku elektrycznego (promieniowanie RTG i ł)
Promieniowanie jonizujące i jego wpływ na organizm biologiczny
Efekt biologiczny promieni jonizujących
� Efekt promieniowania ujawnia się w miejscu absorpcji tego promieniowania - na
podstawie tzw. teorii trafień i teorii tarczy.
lub
� miejsce absorpcji energii nie musi być identyczne z miejscem ujawnienia się reakcji
.W tym przypadku zachodzi pośrednie działanie promieniowania - poprzez niektóre
produkty radiolizy wody ustrojowej (rodniki H , OH , HO2 oraz H2O2).
Prawo osłabiania
Natężenie wiązki promieniowania maleje w miarę wnikania jej w głąb środowiska.
Biofizyka Podręcznik Dla Studenta -
Feliks Jaroszyk - Wydawnictwo
Lekarskie PZWL Warszawa
Jeśli na drodze wiązki promieniowania o natężeniu Io umieścić substancję pochłaniającą o
grubości x to w wyniku absorpcji i rozproszenia części fotonów natężenie promieniowania po
przejściu warstwy zmniejszy się i będzie wynosiło I. Zwiększenie grubości x o dx spowoduje
zmniejszenie natężenia I o dI.
Straty jonizacyjne energii
Promieniowanie przechodząc przez ośrodek traci część swojej energii powodując jego
jonizację. Straty energii cząstek jonizujących wyraża się przy pomocy liniowej zdolności
hamowania LET (ang. linear energy transfer)
LET= dE/dx
dE- strata energii jonizacji,
dx- droga jonizacji
Wielkością charakteryzującą zdolność jonizowania ośrodka jest jonizacja właściwa
dJ- średnia liczba par jonów przypadająca na jednostkę długości toru
dx- droga jonizacji
w- średnia praca jonizacji
dE/dx- LET (dE- strata energii jonizacji, dx- droga jonizacji)
Różne rodzaje promieniowania jonizującego w organizmach żywych mogą powodować
ilościowo podobne efekty, natomiast wydajność indukowania zmian biologicznych pozostaje
zależna od
a) liniowego transferu energii LET,
b) rodzaju tkanki i narządu
Proces radiolizy -efekt oddziaływania pośredniego jonizacji
Radioliza ogół przemian chemicznych i fizykochemicznych procesów zachodzących w
obiekcie pod wpływem promieniowania jonizującego; najważniejsza jest radioliza wody.
Produkty radiolizy wody mogą uszkadzać substancje pełniące ważne funkcje biologiczne
(kwasy nukleinowe, białka, lipidy).
� Po pochłonięciu kwantu promieniowania (hv) przez cząsteczkę wody następuje jej
jonizacja:
H2O + hv H2O+ + e-
� lub wzbudzenie i rozpad na rodniki:
H2O + hv H2O* H" + OH"
� Jony H2O+ ulegają rozpadowi na jony i rodniki H2O+ H+ + OH" lub H2O+ H" +
OH+
� Następnie powstałe produkty reagują z tlenem tworząc kolejne RFT.
rodnik organiczny (R ) utlenia się: R + O2 ROO (nadtlenek organiczny)
Woda w wyniku absorpcji promieniowania rozpada się na: rodnik hydroksylowy (OH.)
wzbudzony atom wodoru (H.) oraz uwodniony elektron (e-aq). Następnie powstałe produkty
reagują z tlenem tworząc kolejne RFT.
Stres oksydacyjny
Wytwarzanie reaktywnych form tlenu (RFT) jest nieodłącznym elementem tlenowego
metabolizmu komórek. Są one jego naturalnymi produktami i w stężeniach fizjologicznych
odgrywają ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu wielu procesów komórkowych. Stres
oksydacyjny można określić jako zaburzenie równowagi między natężeniem procesów
oksydacyjnych, które indukują powstawanie reaktywnych form tlenu (RFT) i
przeciwdziałającym systemem obronnym  antyoksydacyjnym. U podłoża większości stanów
patologicznych chorób leżą przewlekłe zmiany związane z kancerogennym działaniem
wolnych rodników tlenowych. Reaktywne formy tlenu mogą powodować utlenienie tłuszczów,
białek, DNA i w następstwie przyczynić się do uszkodzenia tkanek. Toksyczne produkty
reakcji utleniania działają cytostatycznie na komórkę uszkadzając błony komórkowe oraz
prowadząc komórkę do śmierci na drodze apoptozy lub nekrozy. Stan równowagi komórek
utrzymuje się przez enzymy antyoksydacyjne, takie jak: dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza,
transferaza S-glutationowa oraz inne substancje, jak np. glutation czy witaminy E, C i A.
Związki te umożliwiają usuwanie nadmiaru RFT z komórek.
D. Ścibior-Bentkowska, H.Czeczot,  Komórki nowotworowe a stres oksydacyjny Postepy Hig
Med Dosw. 2009; 63: 58-72
Skala czasowa procesów indukowanych promieniowaniem jonizującym
Procesy fizyczne i radiochemiczne (10-16-10-0s)
10-16s jonizacja cząsteczek w wyniku pochłonięcia energii, radioliza wody
10-16-10-13s utrata energii przez elektrony wtórne i redukcja do energii termalnej
10-9-10-0s reakcje wolnorodnikowe, uszkodzenia DNA, peroksydacja lipidów
Wczesne efekty biologiczne 101-106s
101-105s transdukcja sygnałów w komórce, zatrzymanie cyklu komórkowego, naprawa DNA, mutacje,
śmierć komórki
105-106s utrwalenie efektów genetycznych, śmierć komórki
Póz
ne efekty biologiczne
Miesiące- lata transformacja i karcenogeneza, procesy degeneracyjne, starzenie organizmu
Uszkodzenia radiacyjne białek
W wyniku oddziaływania OH* z białkiem powstaje rodnik białkowy posiadający
niesparowany elektron, zlokalizowany na atomie od którego oderwano atom wodoru
B-H + OHŁ ą� B Ł + H2O B (białko)
W warunkach tlenowych do rodnika białkowego może przyłączyć się cząsteczka tlenu w
wyniku czego powstaje rodnik nadtlenku białka
BŁ + O2 ą� B-OOŁ
Zmiany zachodzące w białkach dotyczą:
�� utleniania grup tiolowych
�� utleniania aminokwasów (aromatycznych oraz siarkowych)
�� oddziaływań cytoszkieletu komórki
�� konformacji białek
�� agregacji
�� fragmentacji
Uszkodzenia radiacyjne lipidów
� Pod wpływem RFT powstają rodniki wielonienasyconych kwasów tłuszczowymi
alkilowy (L.), alkoksylowy (LO.), nadtlenkowy (LOO.), które reagują na drodze
różnych reakcji (cyklizacji, �- rozszczepienia) reagują z następnymi RFT
� Produkty peroksydacji lipidów to np. dialdehyd malonowy czy S-koniugat glutationu.
Przebieg procesu peroksydacji lipidów można przedstawić w trzech etapach:
�� inicjacja:
LH + HO. L" + H2O
�� propagacja:
L" + O2 LOO"
LOO" + L,H LOOH + L"
LOOH LO" + " OH
�� terminacja:
L" + L" L-L
L" + LOO" LOOL
LOO" + LOO" LOOL + O2
W wyniku peroksydacji lipidów pojawia się wiele cytotoksycznych produktów ubocznych
charakteryzujących się wysoką dyfuzyjnością, są to:
�� wodoronadtlenki lipidów
�� aldehydy lipidów
�� endoperoksydy
�� epoksydy
W wyniku działania promieniowania może dochodzić także do:
�� fragmentacji łańcuchów węglowodorowych
�� sieciowania lipidów
�� sieciowania kompleksów białko-lipid
�� rozerwanie podwójnych wiązań w kwasach tłuszczowych i wytworzenie toksycznych
nadtlenków i rodników
Uszkodzenia radiacyjne lipidów przez produkty peroksydacji
Modyfikują właściwości fizyczne błon komórkowych: wprowadzenie polarnych grup:
nadtlenkowych, ketonowych, aldehydowych, do rejonów cząsteczek fosfolipidów :
Efekt:
�� obniżenie właściwości hydrofobowe wnętrza błon komórkowych, zmiana ich
organizacji
�� zwiększenie przepuszczalność błon dla jonów H+ i innych cząsteczek polarnych,
zaburzenia transportu błonowego
�� zmniejszenie różnic potencjałów elektrycznych po obu stronach błon
�� zaburzenie asymetrii lipidowej błon
�� zahamowanie enzymów błonowych i białek transportujących Ca2+/Mg2+ ATP-azy
�� utrata integralności błon wewnątrzkomórkowych i plazmatycznych
Promienioczułość komórek ssaków
Jest proporcjonalna do szybkości podziałów komórkowych i odwrotnie proporcjonalna do
stopnia ich zróżnicowania (prawo Bergonie i Tribondeau):
Promienioczułymi są więc :
� szpik i tkanka limfatyczna,
� komórki płciowe i nabłonka jelit;
Mniej wrażliwe są:
� komórki mięśniowe,
� narządy miąższowe (jak wątroba), tkanka nerwowa i łączna.
Wpływ promieniowania na organizm żywy
Efekty zachodzące wewnątrz komórki wywoływane przez promieniowanie to m.in.
ś� brak reakcji
ś� przejściowe zmiany czynnościowe lub morfologiczne
ś� zmiany trwałe
ś� śmierć nekrotyczną komórki w wyniku uszkodzeń błony komórkowej lub
samobójczą śmierć komórki zwaną apoptozą
Czynniki mające wpływ na efekt napromieniowania żywego organizmu
" wielkość pochłoniętej energii na jednostkę masy ciała
" rozkład dawki w czasie
" rodzaj promieniowania
" wielkość napromienionego obszaru ciała
" rodzaj napromienienia: zewnętrzne czy wewnętrzne
" wiek, płeć i stan zdrowia
Efekt - wydajność indukowania zmian biologicznych jest zależna od LET (liniowy transfer
energii) jaki i rodzaju tkanki
Podstawowe jednostki charakteryzujące promieniowanie
Jednostka Dawna nazwa jednostki Rodzaj dawki jaką dana jednostka charakteryzuje
Grej (Gy) = [J/kg] rad (1rd = 1cGy = 0,01Gy) dawkę pochłoniętą
Siwert (Sv) rem (1rem = 10mSv) równoważnik dawki oraz dawkę równoważną
Kolumb na rentgen (1R = 2,58*10-4 C/kg) dawkę ekspozycyjną
kilogram (C/kg)
Dawka pochłonięta D
Średnia energia, jaką traci promieniowanie, a pochłania ośrodek, przez który promieniowanie
przechodzi, przypadająca na jednostkę masy tego ośrodka
dE- średnia energia, jaką traci promieniowanie a pochłania ośrodek
dm- jednostkę masy tego ośrodka
Dawka skuteczna (efektywna) E
Suma dawek równoważnych pochodzących od zewnętrznego i wewnętrznego narażenia
wyznaczona z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych narządów lub
tkanek, obrazuje narażenie całego ciała
H1,2& -równoważnik dawki pochłoniętej dla tkanki
WT1,T2& współczynnik wagowy tkanki
Równoważnik dawki H
Opisuje napromieniowanie pojedynczego narządu. Jest to dawka pochłonięta w tkance lub
narządzie z uwzględnieniem skutków biologicznych jakie wywołują różne rodzaje
promieniowania. Zależy nie tylko od ilości dawki pochłoniętej ale także od rodzaju
promieniowania LET
D- dawka pochłonięta
Q- współczynnik jakości promieniowania
Dawka równoważna HT
Dawka pochłonięta w tkance lub narządzie (uwzględnia rodzaj i energię promieniowania
jonizujcącego)
Dawka ekspozycyjna
Pomocna do oceny narażenia na promieniowanie X lub ł. Oznacza sumę ładunków
elektrycznych wszystkich jonów jednego znaku wytworzonych przez
promieniowanie (dQ) w masie powietrza (dm)
Dawki LD50 i LD100
Dawka LD50, 50% letal dose - dawka równoważna prowadząca do zgonu 50%
napromienionej populacji organizmów żywych danego gatunku, w przeciągu 30 dni od
ekspozycji. Dla człowieka LD50 ocenia się na 4-4,5 Sv.
Dawka LD 100 (letalna), 100% letal dose - najmniejsza dawka równoważna prowadząca do
zgonu 100% populacji organizmów żywych (danego gatnku), w 30 dni od ekspozycji
jednorazowej. Dla człowieka LD100 ocenia się na 6-7 Sv
Moc dawki
y
ródła medyczne promieniowania jonizującego
� aparaty rentgenowskie
� tomografy komputerowe
� akceleratory liniowe
� bomby kobaltowe
Dlaczego ważna jest moc dawki w terapii?
� W medycynie prawidłowa moc dawki ( w przedziale 1-10 Gy/min) prawidłowy efekt
mocy dawki  pominięcie efektu odwrotnej zależności od mocy dawki 
niedoszacowanie ryzyka skutków niepożądanych radioterapii
� Wczesne zmiany (duża dawka równoważna > 1Sv) to:
" ostre popromiennne zapalenie skóry,
" wyłysienie,
" niedobór limfocytów i zaburzenia odporności,
" niedokrwistość,
" ostre zapalenie jelit, krwawienia i utratę płynów.
� Odległe (póz
ne) skutki napromieniowania dużymi dawkami, to
" nowotwory złośliwe i białaczki,
" skrócenie czasu życia,
radionadwrażliwość (low dose hyper-radiosensitivity); HRS)
� Zastosowanie małych dawek (0,3 Gy) o dużej mocy (>1Gy/min)- HRS np. na ludzkie
komórki glejaka  odwrócony efekt mocy dawki zwiększona śmiertelność komórek lub
przejście w radiooporność
� Efekt ten związany jest z zatrzymaniem komórek guza w fazie G2/M cyklu  naprawa
komórek z uszkodzonym DNA, niewrażliwość na małe dawki promieniowania - wzrost
przeżywalności guza
Powstawanie promieniowania jonizującego w lampie rentgenowskiej:
1. W lampie RTG elektrony emitowane są z katody
2. Uzyskują dużą energię kinetyczną istniejącą między katodą i anodą poprzez
umieszczenie ich w silnym polu elektrycznym (10V)
3. Elektrony przyśpieszone w silnym polu elektromagnetycznym przenikają w pobliże
anody
4. W wyniku działania pola elektrycznego jądra zostają zahamowane-> uwolnienie
energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego
Promieniowanie emitowane przez lampę rentgenowską ma widmo ciągłe, czyli jest
szerokim pasmem fal elektromagnetycznych o różnych długościach fal.
Dodatkowo może powstawać także widmo charakterystyczne i jest ono zależne od
pierwiastka z jakiego została wykonana anoda.
Wykorzystanie promieniowania RTG w medycynie
Wykorzystywane m.in. w:
� diagnostyce złamań kości
� diagnostyce chorób płuc
� rentgenowskiej tomografii komputerowej
� SPECT (komputerowa tomografia emisyjna pojedynczego fotonu)
Radioterapia nowotworów
Promieniouleczalność komórki zależy od:
" promieniowrażliwości nowotworu
" wielkości nowotworu
" obecności narządów krytycznych
" stosowanych jednoczasowo systemowych metod leczenia przeciwnowotworowego
Promieniotwórczość naturalna wpływ na organizm żywy
ś� Izotopy- atomy tego samego pierwiastka (oznaczone tym samym symbolem)
różniące się liczbą masową, czyli liczbą neutronów
ś� Izobary- jądra atomowe o tej samej liczbie nukleonów, a różnej liczbie atomowej
ś� Izotony- posiadają taką samą liczbę neutronów (N), a posiadają różne liczby Z i A
ś� Izomery- jądra o tych samych wartościach liczb A i Z, ale różniące się energią, czyli
właściwościami promieniotwórczymi
Promieniotwórczość naturalna
Samorzutne przemiany jądrowe zachodzące w przyrodzie. Jądra atomów pierwiastków o
liczbach atomowych Z większych od 83 są nietrwałe. Rozpadając się przeobrażają się w
jądra innych pierwiastków emitując cząstki promieniowania.
Naturalne izotopy promieniotwórcze
Izotopy promieniotwórcze występujące w środowisku naturalnym:
" 238U, 226Ra, 232Th, 222Rn  emitują promieniowanie ą
3
" H, 14C, 40K, 24Na, 32P, 198Au- emitują promieniowanie �
99
" Te, 60Co, 137Cs- emitują promieniowanie ł
Naturalne pierwiastki promieniotwórcze występujące w organizmie człowieka:
" 3H,
14
" C,
" 40K,
59
" Fe
Promieniotwórczość sztuczna
To rozpad trwałych pierwiastków chemicznych wywołany w sposób sztuczny poprzez ich
napromieniowywanie neutronami w reaktorze jądrowym lub przez "zbombardowanie
ciężkimi cząstkami, takimi jak protony, cząstki alfa i inne.
Sztuczne izotopy promieniotwórcze
Powstają w wyniku reakcji jądrowych. Pierwsza reakcja jądrowa została przeprowadzona
przez Rutherforda:
Do sztucznych radioizotopów możemy zaliczyć np: 24Na, 26Mn
Ważniejsze radionuklidy stosowane w diagnostyce medycznej:
60
" Co powstający z 59Co
" izomer technetu 99mTc
Przykłady zastosowań izotopów promieniotwórczych
RADIONUKLID ZASTOSOWANIE
Ameryk 241Am Czujki dymu
Chrom 51Cr Badania krwi
Fosfor 32P Biologia molekularna, badania krwi
Jod 123I Diagnostyka chorób tarczycy
bomba kobaltowa do naświetleń komórek nowotworowych, sterylizacja narzędzi
Kobalt 60Co
chirurgicznych, konserwacja żywności
Rad 226Ra radioterapia z zastosowaniem igieł radowych
Rozpad promieniotwórczy
Rozpady promieniotwórcze można podzielić na:
�� spontaniczne- rozszczepienia ciężkich jąder
�� wymuszone- reakcje jądrowe
�� termojądrowe- reakcje zachodzące w gwiazdach
Podczas rozpadu zachowane są następujące prawa:
�� prawo zachowania ładunku
�� prawo zachowania energii
�� prawo zachowania pędu
Podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego
Liczba jąder rozpadających się w jednostce czasu dN/dt jest proporcjonalna do liczby jąder
N, które nie uległy jeszcze rozpadowi. .
Po scałkowaniu równania otrzymujemy wzór:
N=N0e-t
Czas połowicznego rozpadu
Czas po jakim aktywność (ilość jąder) danego radionuklidu spadnie do połowy swej
początkowej wartości.
Na szybkość rozpadu nie mają wpływu następujące czynniki zewnętrzne:
" temperatura
" ciśnienie
" światło
" rodzaj związku, w którym pierwiastek promieniotwórczy występuje
N=N0e-t
No/2= Noe  t1/2
Po zlogarytmowaniu obu stron równania otrzymujemy
wzór:
T �= 0,693/
Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
Rozpady promieniotwórcze
Do rozpadów promieniotwórczych zaliczamy:
�� rozpad ą
�� rozpad �
ś� rozpad �-
ś� rozpad �+
�� wychwyt elektronu orbitalnego
�� przemiana ł
Rozpady promieniotwórcze
Rozpad ą
Podczas rozpadu powstają cząstki ą czyli jądra helu. Po rozpadzie powstaje nowe jądro o
liczbie masowej A zmniejszonej o 4 oraz liczbie atomowej Z zmniejszonej o 2
Charakterystyka rozpadu ą:
�� Energia kinetyczna emitowanych cząstek mieści się w granicy 2-9 MeV
�� Rozpadowi alfa ulegają najczęściej ciężkie pierwiastki promieniotwórcze oraz niektóre
izotopy pierwiastków ziem rzadkich (lantanowce, aktynowce)
�� Prawdopodobieństwo rozpadu jest tym większe im większa jest liczba Z
Rozpad �-
�� Po rozpadzie powstaje nowe jądro o liczbie masowej A takiej samej oraz liczbie
atomowej Z powiększonej o 1
�� Rozpad poprzedzany jest przemianą neutronu w proton i elektron i antyneutrino
�� Podczas tego rozpadu z jądra wyrzucana jest cząsteczka �- czyli elektron.
�� Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta minus: Co60, Na24, C14, H3
Rozpad �+
�� Po rozpadzie powstaje nowe jądro o liczbie masowej A takiej samej oraz liczbie
atomowej Z zmniejszonej o 1
�� Przy rozpadzie z jądra emitowane są pozytony. Jest to możliwe dzięki przemianie
protonu w neutron, pozyton oraz neutrino
�� Emitowana jest cząstka �+ (e+ zwana także pozytonem) oraz neutrino elektronowe
�� Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta plus: 11C, 13N, 15O, 18F i 22Na
Rozpad �- charakterystyka
�� Cechą charakterystyczną rozpadów � jest to, że energia kinetyczna emitowanych
cząstek nie jest stała
�� Stała jest suma energii emitowanych cząstek. Jest ona równa różnicy energii jądra w
stanie wzbudzonym i w niższym stanie energetycznym
Wpływ promieniowania jonizującego na organizm człowieka - efekt scholastyczny
�� Jest widoczny po napromieniowaniu i niezależny od dostarczonej dawki (np.
nowotwór).
�� Wraz ze wzrostem dawki wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia efektu
�� Nie można wskazać progu (>0), poniżej którego efekt nie wystąpi
�� Uszkodzenia komórek nie są poddawane naprawie  wchodzą na ścieżkę apoptozy
Wpływ promieniowania jonizującego na organizm człowieka  efekt deterministyczny
v� Uszkodzenie komórek nie jest tak duże jak w przypadku efektów stochastycznych i
może dojść do ich naprawy
v� Stopień nasilenia efektu jest wprost proporcjonalny do dawki.
v� Występuje próg dawki promieniowania powyżej którego wystąpi efekt
Promieniowanie niejonizujące i jego wpływ na organizm biologiczny
Promieniowanie niejonizujące
Nie powoduje jonizacji ośrodka. Jest to promieniowania elektromagnetycznego z zakresu
optycznej części widma tego promieniowania :
" promieniowanie nadfioletowe (ultrafioletowe-UV)
" promieniowanie mikrofalowe
" promieniowanie radiowe
" światło
" promieniowanie podczerwone
Wytwarzanie promieniowania niejoniozującego
y
ródłem promieniowania niejonizującego są atomy i cząsteczki we wzbudzonych stanach
elektronowych (znajdujących się na wyższych poziomach energetycznych). Przejście na
niższy poziom energetyczny powoduje emisję fotonów o energii równej różnicy poziomów
energetycznych.
W zależności od rodzaju czynnika, który przeprowadza elektrony na wyższe poziomy
energetyczne rozróżniamy:
�� promieniowanie/swiecenie termiczne (wzbudzenie termiczne)
�� zjawisko luminescencji (wzbudzanie nietermiczne)
W zależności od czynnika wzbudzającego:
o katodoluminescencję (elektrony)
o elektroluminescencję (pole elektryczne)
o bioluminescencję (świecenie niektórych bakterii, grzybów)
o fotoluminescencję (fotony)
Oddziaływanie promieniowania niejonizującego z materią
� Pierwotnym zjawiskiem oddziaływania promieniowania niejonizującego z
cząsteczkami jest absorpcja fotonów promieniowania o odpowiednich energiach.
� W wyniku absorpcji fotonów światła cząsteczki (M) przechodzą do stanów
wzbudzonych (stanu wzbudzenia elektronowego M*) zapisywanego symbolicznie:
M ą� M*
Badanie struktura energetyczna cząstki- spektroskopia
Jest opisana za pomocą stanów singletowych i stanów tripletowych. Spin elektronów w
stanie wzbudzonym może być skierowany antyrównolegle ( 1a) - stan singletowy) lub
może być ustawiony równolegle (1b)
Rodzaje energii cząstki
Każda cząsteczka posiada
A) energię elektronową,
B) oscylacyjną
C) rotacyjną.
Energia elektronowa informuje o położeniu elektronów oraz mówi o rodzajach utworzonych
wiązań i odległościach między jądrami atomów.
Energia oscylacyjna związana jest z poruszaniem molekuł, czyli ich zbliżaniem i
oddalaniem się od siebie.
Energia rotacyjna cząsteczki odpowiada ruchom obrotowym molekuł.
� Cząsteczka przebywając we wzbudzonym stanie oscylacyjnym, pozbywa się
nadmiaru energii i powraca do stanu podstawowego S1/S2->S0
poprzez
� konwersję wewnętrzną (IC od ang. internal conversion), która to zachodzi bez emisji
energii promienistej na drodze S1->S0. np fluorescencja (F)
� przejścia interkombinacyjne (ISC od ang. intersystem crossing) polegają na
bezpromienistym transferze energii między stanami o różnej multipletowości (np. S1-
> T1 lub T1->S0). Zatem towarzyszy im zmiana spinu elektronów.
Oddziaływanie promieniowania niejonizującego z materią - schemat Jabłońskiego
1. Absorpcja fotonu (A) - wzbudzenie
elektronowe cząsteczki z
singletowego stanu podstawowego
S0 do stanu wzbudzenia (S1/S2) -
>relaksacja wibracyjna (VR)  -
energia jako ciepło.
2. Przejście cząstki wzbudzonej ( IC)
S1ą� So. fluorescencja  F
3. Przejścia cząstki wzbudzonej (ISC)
T1->So-fosforescencja  P
Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
Oddziaływanie promieniowania niejonizującego z materią  przekazywanie energii
Szczególnym zjawiskiem dzięki, któremu wzbudzone cząsteczki pozbywają się energii jest
zjawisko przekazywania energii na inną znajdująca się w pobliżu cząsteczkę. Energia może
być przekazywana na odległość między cząsteczkami dochodzące do 10nm.
hv + M ą� 1M*(wzbudzenie singletowe) + A ą� M + 1A*
M- cząsteczka donora
A- cząsteczka akceptora
Promieniowanie podczerwone IR
Fale elektromagnetycznych o (ang. infrared, IR)  o długości fal pomiędzy światłem
widzialnym a falami radiowymi (780 nm do 1 mm. )
� Naturalne z
ródło promieniowania: Słońce,
� Sztuczne z
ródła promieniowania: ciała będące z
ródłami ciepła.
Ważniejsze właściwości fizyczne IR:
zdolność przenikania przez do tkanek na głębokość do 20 mm, wywołując wzrost
temperatury.
przez skórę przenikają głównie fale w zakresie
600-1200nm.
Leczenie światłem podczerwonym
Leczenie podczerwienią ma głównie zastosowanie w fizykoterapii, gdzie wykorzystuje się
światło o długości od 720 do 15000 nm
wykorzystuje się podstawową cechę podczerwieni czyli działanie rozgrzewające.
Do emisji stosuje się lampę sollux,
� promieniowanie penetruje
� na małą głębokość tkanek,
� powoduje ich rozgrzanie,
� rozszerzenie naczyń krwionośnych - wzmożenie ukrwienia i przemiany materii,
zmniejszenie napięcia mięśni.
Promieniowanie mikrofalowe
Mikrofale stanowią część widma elektromagnetycznego o długości fali od 1 mm do 1 m, co
odpowiada częstotliwości 300 300 GHz. Mikrofale wykorzystuje się w:
o telefonii komórkowej
o radarach
o łączności satelitarnej
o celach naukowych: medycznych i przemysłowych
o technice radiowej
Światło widzialne
�� Fala elektromagnetyczna o zakresie długości 380-780 nm.
�� Fale o najmniejszej częstotliwości, czyli najdłuższe fale widzialne to światło czerwone.
Światło, zachowuje również wszystkie właściwości fal:
" ugięcie,
" dyfrakcję,
" odbicie,
" załamanie,
" jak też jest również cząsteczką
"
Długość
Barwa Zastosowanie w medycynie
fali [nm]
�� stymulacja krążenia i metabolizmu
czerwona 630-780
�� stomatologia
pomarańczowa 590-630
żółta 560-590 �� okulistyka
�� koagulacja siatkówki oka,
zielona 490-560
�� terapia znamion naczyniowych
�� zmiany barwnikowe i naczyniowych na
niebieska 440-490 skórze
�� chirurgia
�� łuszczyca
fioletowa 380-440
�� wspomaganie gojenia się ran
Fototoksyczne działanie porfiryn  porfiria
� Zakłócenie metabolizmu niektórych białek (hemoglobiny, peroksydaz, cytochromów) -
wzrost stężenia porfiryn we krwi, absorbujących światło - odkładają się one w skórze
� Wrażliwość na światło słoneczne z zakresu fioletu (400-450 nm) - porfiryny działają
jako fotodynamiczne uczulacze (efekt fotoutleniania skóry tlenem singletowym
1
O2 *)
P (porfiryna) +hv -> 3P*+ 3O2 ->P + 1O2 *
� zaczerwienienie, obrzęki i blizny.
Fotodynamiczna terapia nowotworów (PDT)
W przypadku fotodynamicznej terapii efekt terapeutyczny - niszczenie komórek guza w
reakcji utleniania tlenem singletowym - jest efektem synergistycznym jednoczesnego
działania trzech czynników:
� światła
� uczulacza fotodynamicznego (Ud)
� tlenu
Ud +hV ->Ud(S1)-> Ud(T1) + 3O2*
Uczulacz jest to barwnik stosowany w terapii fotodynamicznej powinien cechować się:
� stabilnością
� dużą selektywnością
� dużą wydajnością fluorescencji
� możliwą najniższą toksycznością
Lasery . Promieniowanie laserowe
Termin LASER pochodzi od angielskiego określenia Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation - Światło Wzmocnione poprzez Wymuszoną Emisję Promieniowania
Typ lasera, warunkuje długość fali emitowanego promieniowania (zakres ultrafioletu,
światło widzialne i podczerwieni),
I ze wg na z
ródło emisji podział laserów na:
1. stałe lub jonowe
2. gazowe
3. półprzewodnikowe
4. barwnikowe
5. Organiczne
Ze wg wg. mocy lasera:
1. lasery małej mocy (1 do 6 mW),
2. lasery średniej mocy (6 do 500 mW),
3. lasery dużej mocy (500 mW).
Laser jest z
ródłem promieniowania elektromagnetycznego powstałego z promieniowania
elektrycznego po przekształceniu jej przez generator przy wykorzystaniu:
� efektu wzmocnienia promieniowania w ośrodku czynnym lasera
� oraz sprzężenia zwrotnego w postaci rezonatora
Zastosowania laserów - kryteria wyboru urządzenia
długość impulsu laserowego - określającego typ oddziaływania z tkanką - przewaga
efektów fototermicznych czy fotojonizacyjnych
długość fali promieniowania - określająca współczynniki absorpcji i powiązaną z nim
głębokość wnikania promieniowania
gęstość energii - określająca poziomy progowe różnych typów oddziaływania oraz jego
zasięg.
Biostymulacja laserowa
Promieniowanie laserowe o małej mocy (4-5 mW) o długości fal 650 - 1000 nm tj. w zakresie
minimalnej absorpcji wody, melaniny i hemoglobiny .Wnikanie do tkanek na głębokość ok. 4
cm. Pobudzają funkcje organizmu człowieka (biostymulacja) przez ogrzanie.
Do biostymulacji używa się kilka typów laserów
1. neodymowe-YAG
2. argonowe
3. rubinowe
4. Półprzewodnikowe
Efekty biologiczne wywołane promieniowaniem laserowym małej mocy
Na poziomie komórki stwierdzono m.in. :
�� wzrost syntezy ATP
�� stymulację syntezy kwasów nukleinowych i białek
�� zmiany strukturalne i czynnościowe błon komórkowych
�� zwiększenie aktywności niektórych enzymów
�� wpływ na fagocytozę
�� wpływ na rozmnażanie i ruchliwość komórek
Na poziomie tkankowym wykazano m.in.:
�� działanie angiogenetyczne
�� wzrost mikrokrążenia
�� regeneracja nerwów
�� działanie przeciwbólowe -> zmniejszenie przewodnictwa nerwowego
Promieniowanie ultrafioletowe UV (120-400 nm)
Rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali od 10 nm do 400 nm.
Naturalne z
ródło promieniowania: Słońce, ale tylko fale o długości 2,9*10-7m dochodzą
do powierzchni Ziemi. Fale od nich krótsze są pochłaniane przez górne warstwy atmosfery.
Sztuczne z
ródła promieniowania: lampy kwarcowe, ksenonowe.
Zdolność przenikania przez materię, jak i efekty oddziaływania z nią zależne są od energii
kwantów promieniowania nadfioletowego (długość fal). Wyróżnia się;
�� UV-A- (320-400 nm) jest stosunkowo przenikliwy, odgrywa istotną rolę w
pigmentacji skóry
�� UV-B- (280-320nm) używane w terapii świetlnej do leczenia krzywicy
�� UV-C- (200-280nm) mniej przenikliwy, pochłaniane przez naskórek.
Wykazuje działanie bakteriobójcze
Promieniowanie UV wykazuje także wiele właściwości istotnych z punktu widzenia biochemii:
�� rozkład aminokwasów
�� rozkład kwasów nukleinowych
�� denaturacja białek
DNA najsilniej pochłania promieniowanie z zakresu 250-265 nm. Głównym efektem
działania promieni UV na DNA jest tworzenie dimerów pirymidynowych C-C, C-T a
zwłaszcza dimerów T-T Wynikiem tej reakcji jest powstanie pierścienia cyklobutanowego,
który powoduje:
� zbliżenie sąsiadujących pirymidyn
� odkształcenia w szkielecie cukrowofosforanowym DNA
Fotomedycyna
Dział medycyny zajmujący się terapeutycznym zastosowaniem promieniowania
niejonizującego, a także patofizjologicznych następstw jego działania.
Fototerapie:
" fototerapia i fotochemioterapia
" fototerapia żółtaczki u noworodków
" fototerapia związana z pośrednim działaniem światła
Patologiczne następstwa oddziaływania światła i UV:
" Fotokancerogeneza  działanie UV na skórę
" fototoksyczne działanie porfiryn - porfirie
Fototerapia i fotochemioterapia
Fotochemioterapia  tak zwana PUVA- jest to terapia polegająca na działaniu na skórę
psoralenów (8-metoksypsoralen czy 5-metoksypsoralen) i promieniowania UV-A.
Stosowana w leczeniu:
� atopowego zapalenia skóry
� łuszczycy
Reakcje fotochemiczne
Pod wpływem działania promieniowania UV może dochodzić do wytwarzania witaminy D3 z
prowitaminy D3 jest 7-dehydrocholesterol, Pod wpływem promieniowania UV-B następuje
rozerwanie wiązania kowalencyjnego C-C pomiędzy 9 i 10 atomem węgla.
Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa
Literatura:
1. Biofizyka Podręcznik Dla Studenta - Feliks Jaroszyk - Wydawnictwo Lekarskie PZWL
Warszawa