Biofizyka 16.11.2009

zaliczenie 7.12.2009 !!

Promieniowanie niejonizujace cd.

Fototeriapia i fotochemioteriapia

fotodynamiczna terapia nowotworow (skory, pecherza moczowego, pluca, mozgu) - zjawisko uczulania fotodynamicznego - syneristyczny efekt dzialania: swiatla(bliska podczerwien), uczulacza (barwnika) fotodynamicznego i tlenu.

U_d(S₀) +hv → U_d(S₁) → U_d(T₁)

U_d(T₁) + ³O₂ → U_d(S₀) + ¹O₂*

Biomolekuly + ¹O₂* → produkty

Cechy uczulacza :

• stabilnosc

• duza selektywnosc retencji w komorkach nowotworowych

• duza wydajnosc fluorescencji

• duza wydajnosc w wytwarzaniu tlenu singletowego

• minimalna toksycznosc w stosunku do zdrowych komorek i szybkie wymywanie go z nich.

Promieniowanie laserowe

Laser → generator spojnych fal elektromagentycznych z zakresu nadfioletu, swiatla i podczerwieni.

Budowa i zasada dzialania lasera

Dzialanie lasera opierasie na dwoch zjawiskach :

• inwersji obsadzie poziomow energetycznych → przewaga liczebna atomow, jonow lucz czasteczek w wyzszym stanie.

• emisji wymuszonej → zachodzi gdy z atomem wzbudzonym zderza się foton o takiej czestotliwosci, ze jego energia kwantu rowna jest roznicy energii poziomow między stanem wzbudzonym a stanem podstawowym.

Foton uderzajacy nie ulega pochlonieciu, le przyspiesza przejscie atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatuja w tym samym kierunku dwa spojne (zgodne w fazie) fotony o tej samej energii i czestotliwosci.

Podstawowe elementy lasera

• osrodek aktywny → zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonow ;

• rezonator optyczny → umozliwia wybraie odpowiednich fotonow;

• uklad pompujacy → dostarcza energie do osrodka czynnego.

Osrodek czynny → (zespol atomow, jonow lub czasteczek )

• gaz, ciecz, cialo stale o odpowiedniej konfiguracji poziomow energetycznych.

Osrodek czynny decyduje o najwazniejszych parametrach lasera : okresla dlugosc emitowanej fali, jej moc, sposob pompowania, mozliwe zastosowania lasera.

Ze względu na rodzaj osrodka czynnego rozroznia się :

• lasery gazowe, cieczowe( laser barwnikowy)

• lasery krystaliczne ( laser rubinowy )

• lasery polprzewodnikowe

• lasery szklane ( laser neodymowy).

Ze względu na charakter pracy lasert można podzielic na :

• lasery pracujace w sposob ciagly ( CW - continuous work ) → emitujace promieniowanie o stalym natezeniu

• lasery pracujace impulsowo ( P - pulse ) → lasery impulsowe umozliwiaja uzyskiwanie olbrzymich mocy swiatla ( ultrakrotkich impulsow gigantycznych).

Uklad optyczny → pelni role sprzezenia zwrotnego dla wybranych czestotliwosci, dzieki czemu laser generuje swiatlo tylko o jednej czestotliwosci.

Uklad opytczny składa się z dwoch zwierciadel, z czego przynajmniej jedno jest czesciowo przepuszczalne.

Zwierciadlo stanowia rezonator dla wybranej czestotliwosci fali i okreslonego kierunku ruchu.

Fotony dla których uklad optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegaja przez osrodek czynny wywolujac emisje kolenych fotonow spojnych z nimi; pozostale fotony zanikaja w osrodku czynnym lub ukladzie optycznym.

Uklad pompujacy → uklad, który wytwarza inwersje obsadzen między stanami zaangazowanymi w przejscie laserowe. Zadaniem ukladu jest przeniesienie jak najwiekszej liczby elektronow w substancji czynnej do stanu wzbudzonego.

Uklad musi być wydajny tak by doszlo do inwersji obsadzen.

Właściwości promieniowania laserowego

• spojnosc ( uporzadkowanie fazowo-przestrzennego) ;

• monochromatycznosc wiazki;

• rownoleglosc;

• duza powierzcniowa gestosc mocy promieniowania 10⁶ - 10⁸ W/cm² ;

Wpływ promieniowania laserowego na organizm zywy

Skutki promieniowania laserowego na tkanki zaleza od:

• dlugosci fali;

• gestosci mocy promieniowania;

• rodzaju tkanki.

Efekty wywołane dzialaniem promieniowania

• efekt fotochemiczny (fotobiochemiczny) → dla promieniowania laserowego o gestosci mocy ponizej 1W/cm², czas oddzialywania powyzej kilku sekund.

np. z zakresu 600-900nm o gestossci mocy 50mW/cm² .

• Wzrost szybkosci wymiany elektrolitow między komorka a jej otoczeniem,

• dzialanie antymutagenne

• przyspieszenie mitozy

• zmiany struktury blon biologicznych

• wzrost aktywnosci enzymow

• zwiaksza synteze ATP i DNA

pochlanianie promieniowania laserowego przez flawiny i cytochromy(skladniki lancucha oddechowego) oraz melanine wywoluja w tkankach efekty biostymulacyjne

• poprawa mikrokrazenia krwi

• pobudzenie angiogenezy

• dzialanie immunomodulacyjne

• wzrost amplitudy potencjalow czynnosciowych wlokien nerwowych

• dzialanie hipokoagulacyjne

• zwiekszenie stezenia hormonow, kinin i autokoidow ;

Waznymi fotoakceptorami są zawarte wewnatrz komorek porfiryny o pasmach absorpcyjnych w zakresie widzialnym. Podobne właściwości wykazuje fotouczulacz pochodnej hematoporfiryny, wprowadzany do organizmu w celach diagnostycznych ( PDD - diagnoza fotodynamiczna) i teraoeutycznych (PTD - terapia fotodynamiczna ) . Gromadzi się on glownie w komorkach nowotworowych.

• efekt fototermiczny → dla promieniowania laserowego o gestosci 1 - 10⁶ W/cm² czas oddzialywania od kilku do tysiecznych czesci sekuny:

Efekt fototermiczny → po absorpcji promieniowania przez tkanke dochodzi do jej nagrzania, denaturacji i odparowania. Efekt ten zalezy od ilosci dostarczonej energii, czasu promieniwania oraz rodzaju tkanki.

37° C - 43 ° C - nie nastepuja nieodwracalne zmiany struktury

43-60° C - uszkodzenie blon komorkowych,czesciowa denaturacja enzymow → fotohipertermia

60-80° C - trwala denaturacja bialek enzymatycznych i strukturalnych (zrywanie wizan odpowiedzialnych za stabilizacje konformacji )

80-100° C - nieodwracalna denaturacja DNA- → fotokoagulacja

100-300° C - wrzenie wody, osuszanie komorek i ich zweglanie → fotokarbonizacja

>300 ° C - odparowanie glownych skladnikow stalych. → fotopiroliza

Ciecie tkanek poprzez szybkie odparowanie wody w warunkach izobarycznych ( separacja przestrzenna) → fotowaporyzacja

• efekt fotojonizacyjny → dla promieniowania laserowego o gestosci mocy 10⁶ - 10¹² W/cm², czas oddzialywnia od nano- do pikosekund

• fotoablacja → nietermiczne rozrywanie wizan chemicznych w materiale biologicznym, prowadzace do powstania lotnych fragmentow zarowno zwiazkow organicznych, jak i nieorganicznych.

• Tworzenie się fal uderzeniowych w niestabilnej plazmie; prowadzi to do fotofragmentacji, a przy wyzszych gestosciach energii fotorozrywania tkanek.

Oddzialywanie promieniowania laserowego w zaleznosci od dlugosci fali

• ultrafiolet C ( 100-280 nm) - dzialanie kancerogenne, uszkodzenie rogowki, rumien.

• ultrafiolet B ( 280 - 315 nm)- uszkodzenie rogowki, przyspiesza starzenie skory

• ultrafiolet A (315 - 400 nm ) - zacma, oparzenia skory, ciemnienie pigmentu

• promieniowanie widzialne → (400-780 nm) - fotochemiczne i termiczne uszkodzenia siatkowki, oparzenia skory

• podczerwien A ( 780-1400 nm) - zacma, oparzenia siatkowki i skory

• podczerwienB ( 1400-3000 nm) - zacma, oparzenia rogowki i skory , przymglenie rogowki

• podczerwien C ( 3000nm - 1 mm) 0 wylacznie oparzenia rogowki i skory

Zastosowanie laserow w medyczynie

• chirurgii

• urologii

• ginekologii

• onkologii

• okulistyce

• dermatologii

• stolatologii

PROMIENIOWANIE JONIZUJACE

promieniowanie jonizujace → kazde promieniowanie zdolne do wywolania jonizacji atomow i czasteczek substancji, na które oddzialuje.

Promieniowanie zarowno :

• falowe ( X, g),

jak i

• korpuskuralne ( a, b, neutrony, protony)

Fizyczny etap absorpcji promieniowania

promieniowanie elektromagnetyczne → pochlanianie jest w jednym z znastepujacych procesow:

• zjawisku fotoelektrycznym,

• efekcie Comptona,

• zjawisku powstawania par elektron-pozyton.

Promieniowanie korpuskularne → czastki promieniowania janizujacego posiadaja duze energie kinetyczne, co umozliwia im jonizacje lub wzbudzanie atomow osrodka pochlaniajacego, z ktorym się zderzaja.

Butowa atomu

liczba masowa → liczba protonow i neutornow zawartych w jadrze ( liczba nukleonow ) - A

liczba atomowa → liczba protonow zawartych w jadrze - Z

Izotopy → atomy, których jadra charakteryzuja się taka sama liczba atomoza Z, a roznia się liczbami masowymia A.

Izotopy dziela się na :

• trwale ( nie ulegaja samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastkow)

• nietrwale zwane izotopami promieniotworczymi ( radioizotopy ) ( ulegaja samorzutnej przemianie na inne izotopy zazwyczaj innego pierwiastka) .

Izotopy promieniotworcze charakteryzuje czas polowicznego rozpadu, tj czas w ktorym zanika polowa jader danego pierwiastka. Czas polowicznego rozpadu nie zalezy od otoczenia chemicznego atomu izotopu.

Rozpady promieniotworcze.

Rozpad a ^A_zX → ^A-4_Z-2 X + ⁴₂ He

Rozpad b ¹₀n → ¹₁ p + ⁰_-1 e + v

^A_zX → ^A_Z+1 X + ⁰_-1 e

¹₁p → ¹₀ n + ⁰₊₁ e + v

^A_zX → ^A_Z-1 X + ⁰₁ e

Rozpad g

^A_zX → ^A_Z X + hv

Przenikanie promieniowania

Promieniowanie alfa, beta, gamma można rozdzielic uzywajac pola magnetycznego. Czasteczki alfa i beta mają przeciwne ladunki - odchlane są w przeciwne strony, promieniowanie gamma nie przenosza ladunku - nie są odchylane.

Podstawowe wielkosci stosowane w dozymetrii promieniowania jonizujace

Aktywnosc promieniotworcza zrodla

• tempo rozpadu jader promieniotworczych

A = dN/dt = - lN [Bq]

1Ci = 3,7·10¹⁰ Bq A=1 Ci posiada ²²⁶Ra

Dawka pochlonieta → ilosc energii przekazanej przez promieniowanie jaonizujace elementowi masy substancji

D = delta E/ delta m [J/kg = Gy ]

1rd ( rad) = 100 erg/g = 0,01 greja

Moc dawki pochlonietej → charakteryzuje szybkosc pochlaniania

P_D = delta D / delta t [Gy / s ]

Rownowaznik dawki pochlonietej → wielkosc okreslajaca implikacje biologiczne spowodowane ekspozycja na promieniowanie ( zroznicowanie efektow biologicznych wywolanych taka sama dawka promieniowania roznego rodzaju.

X= D· QF [Sv]

QF - wspolczynnik jakosci promieniowania zalezny od LET ( liniowej zdolnosci hamowania czastek jonizujacych w substancji), czyli od stosunku start energii delta E na drodze delta x toru czastki do tej drogi.

• dla promieniowania alfa i czastek o wielokrotnym ladunku i o nieznanej energii QF »20

• neutrony i protony o nieznacznej energii QF »10

• dla promieniowania beta, X, gamma - QF »1

Dawka ekspozycyjna → okreslona miara zdolnosci jonizacji promieniowania przenikliwego w powietrzu. Ilosc ladunkow elektrycznych wszystkich jonow jednego znaku wytworzonych przez promieniowanie w jednostkowej masie powietrza ( przy zachowaniu rownowagi elektronowej )

X = delta Q / delta m [C/kg]

1R ( rentgen) = 2,58 x 10^-4 C/kg

Zrodla promieniowania jonizujacego

Naturalne

• radionukliny docierajace wraz z promieniowaniem kosmicznym ( wysokoenergetyczne promieniowanie neutronowe i protonowe - E _Sr - 10¹⁰ eV; E_max - 10²⁰ eV

znaczna role w napromienaniu zywych organizmow odgrywaja :

³H, ¹⁰Be, ²²Na, ¹⁴C

• Radionukliny rozproszone w atmosferze i w skorupie ziemskiej

nuklidy promieniotworcze w skorupie ziemskiej o najwiekszej aktywnosci : uran, tor oraz lzejsze dlugozyciowe nuklidy promieniotworcze : potas i rubid .

Sztuczne

• wykorzystanie energii jadrowej → zaklady produkcji paliwa jadrowego, zaklady przerobu wypalanego paliwa, reaktory jadrowe, awarie urzadzen jadrowych produkcja i probne wybuchy broni jadrowej.

• Zrodla przemyslowe → pozyskiwanie energii z paliw organicznch, wydobycie i wykorzystanie mineralow fosforanowych .

• Zrodla medyczne → w diagnostyce i terapii medyczne mają zastsowanie glownie zrodla promieniowania fotonowego - aparaty rentgenowskie, rentgenowskie tomografy komputerowe, akceleratory liniowe, urzadzenia izotopowe ( bomby kobaltowe i cezowe ) ,diagnostyka przy uzyciu radiofarmaceutykow.

Dzialanie biologiczne promieniowania jonizujacego

Reakcje radiobiologiczne → oparzenia ,wypadanie wlosow, zascma, uszkodzenie ukladow krwiotworczego i limfatycznego, astme, skrocenie czasu zycia, nowotwory, uszkodzenie reakcji genetycznej .

Poziom reakcji radiobiologicznej zalezy od :

• dawki pochlonietej

• obszaru ciala napromieniowanego

• moc dawki ( rozkladu dawki w czasie )

• rodzaju promieniowania

• stanu fizjologicznego obiektu zywego.

---