2014. március 28., péntek

A sugárzás hatásának egy lehetséges modellezése. III. Rész: A légutakban kiülepedett radioaktív izotópok kölcsönhatása a sejtekkel

Jelen bejegyzésben két biológiai végpontnak, nevezetesen a sejthalálnak és a sejttranszformációnak a szimulációjáról lesz szó. Az előző két posztban láthattuk, hogy a rüvid felezési idejű radon leányelemek lokális légúti terhelése függ azok kiülepedési helyétől tisztulásától. A kiülepedett és még ki nem tisztult rövid felezési idejű alfa-bomló izotópok ha elbomlanak, akkor a kiülepedés helyéhez közeli sejteket alfa-találat érheti. E sejtekben energialeadás történik, melynek biológiai következményeit modellezhetjük. Ehhez ismernünk kell a bomlás során keletkező alfa-részecske kezdeti energiáját, a sejtekben egységnyi úthosszon leadott energiát, valamint  a sejtszerkezetet. A rövid felezési idejű radon bomlástermékek közül a 218Po és a 214Po alfa-aktívak. Míg az előbbi egy 6 MeV-es, addig az utóbbi egy 7,69 MeV-es alfa-részecskét bocsát ki. A kibocsátás egyforma eséllyel történhet a tér bármely irányában, ezért a légutak falára kiülepedett alfa-bomló izotóp által kibocsátott alfa-részecske vagy behatol a szövetbe, vagy átrepül a légúton (a légút belsejében lévő levegőn) és a "túloldalon" csapódik be és lépik be a légúti hámsejtekbe. A levegőben leadott energia viszonylag kicsi a szövetben elnyelthez képest. A sejteken áthatoló alfa-részecske az energiáját nem egyenletesen adja le, hanem a Bragg-törvény szerint, vagyis minél mélyebben hatol be, annál több energiát képes leadni egységnyi úthosszon, mígnem energiája teljes elvesztésének közelében hirtelen lecsökken ezen érték.
A sejtekben a sugárzás hatására végbemenő folyamatok nagymértékben függnek attól, hogy mekkora energia (és dózis, ami energia/tömeg) nyelődött el bennük. Ez attól függ, hogy az eltalált sejtet mekkora úthosszon (húrhossz) metszi az alfa-nyom (alfa-részecske pályája) és mekkora ott az egységnyi úthosszra jutó leadott energia. Ennek kiszámításához modellezhetjük a tüdő hámszövetének sejteloszlását. Az irodalmi adatok alapján a sejtstruktúrát 3D számítógépes módszerekkel rekonstruálhatjuk. Két különböző típusú sugárérzékeny sejttípus eloszlását az alábbi ábrán láthatjuk. E sejtek a jobb oldalon lévő hámrétegben helyezkednek el, mely közvetlenül a bal oldalon megjelenített légút falához tapad.

 
Ha kiszámítottuk a sejtdózist, illletve annak eloszlását, akkor megbecsülhető a sejthalálban és a sejttranszformációban kifjezett biológiai hatás. A besugárzott sejt túlélési valószínüsége exponenciálisan csökken a dózissal. Ennek megfelelően, a sejthalál valószínűsége nő a kapott dózissal. Ezért, ha a dózist a modelljeinkkel jól becsöljük, akkor a sejthalál és annak térbeli és időbeli eloszlása is meghatározható. A transzformáció a rák felé vezető út egy fontos állomása. A sejt ezen állapotba jutása arányos a kapott dózissal, feltéve hogy a sejt túléli a sugárterhelést. Megjegyzem, hogy transzformáció valószínűsége sokkal kisebb, mint a sejthalálé. És akkor ennyi elmélet után lássunk egy-két eredményt. Elsőként egy sejthalál grafikont mutatok, ahol a vízszintes tengelyen a besugárzás időtartama látható, ami a dózissal arányos. Ennek függvényében, a függőleges tengelyen annak esélye szerepel, hogy a sejt elpusztul. A három görbe mutatja azt az esetet, amikor a légúti radioaktív részecske-kiülepedés homogén (zöld háromszögek), inhomogén és nincs tisztulás (kék négyzetek), illetve inhomogén és tisztulás is jelen van (piros pöttyök). 


Látható, hogy a sejthalál esélye a dózissal nő, illetve az is, hogy az inhomogén kiülepedés forró területén (elágazás csúcsa, ahol sok részecske kiülepszik) a sejthalál valószínűsége erősen megnő. Ugyanezen az ábrán szépen látszik a tisztulás kárcsökkentő szerepe is.

Ha most a sejttranszformációt vesszük alapul, akkor a neki megfelelő grafikon a következő lesz:

 
Az ábrán az látható, hogy a transzformáció esélye miként nő, ugyancsak az eltelt idő függvényében, a fenti három esetben (egyenletes kiülepedés, inhomogén depozíció tisztulás nélkül és egyenletlen kiülepedés tisztulással) ha a radon aktivitás koncentrációja 50 Bq/m3. Láthatjuk, hogy a transzformáció valószínűsége is nő a dózissal (besugárzási idővel), de az értéke sokkal kisebb, mint a sejthalálé. Megjegyzendő, hogy a fenti két ábrán csak a direkt hatások (csak az a sejt károsodik, amelyik a dózist kapja) vannak feltüntetve. A sejt-sejt kommunikáció miatt az  indirekt hatások is szerepet kaphatnak és akkor a fenti görbék is módosulhatnak. Számos indirekt hatást ismerünk, például a gén instabilitás, a bystander hatás, az indukált apoptózis stb. Ezekbe most nem mennék bele, csupán annyit, hogy e hatások is modellezhetők, én példáil kifejlesztettem egy indukált apoptózis modellt.