A sugárzás hatásának egy lehetséges modellezése. I. Rész: A radioaktív izotópok útja és kiülepedése a légutakban

A következőkben egy 3 részesre tervezett modellezésről szóló izelítő első részéről olvashattok/olvashatnak. Ennek során áttekintem miként modellezhető a légzőrendszerbe jutó izotópok transzportja és kiülepedése. A folytatásban a kiülepedett radioaktív részecskék tisztulásáról lesz szó, majd a harmadik részben a radioaktív részecske-sejt kölcsönhatás szimulációját mutatom be.

 

A természetes háttérsugárzásból származó radioaktív sugárterhelés több mint felét a radon leányelemeitől kapjuk. A radon gáz bomlása során 218Po keletkezik, mely alfa-aktív és nagyjából 3 perces felezési idővel 214Pb-re bomlik, majd a 214Bi-en keresztül a 214Po-hoz jutunk, ami szintén alfa-aktív. Elbomlása során 210Pb keletkezik, amely már nem rövid felezési idejű. A pontos bomlási lánc az alábbiakban látható.

A fenti radontermékek vízmolekulákkal együtt, vagy a légköri aeroszolokra tapadva vannak jelen a levegőben, ahonnan belélegezzük őket. A légzőrendszerben kitapadva elbomolhatnak és károsíthatják a sejteket/szövetet. A kár szempontjából leginkább az alfa-bomló izotópok a figyelemre méltóak (218Po, 214Po). A belélegzett izotópok légúti kiülepedését és bomlását matematikai/fizikai modellekkel tudjuk leírni. Ehhez modelleznünk kell azok pályáit, amint a levegőárammal repülnek, majd esetleg a légút falának ütköznek. A levegő és részecskeáramlást modellezhetjük idealizált, vagy CT képekből rekonstruált háromdimenziós légutakban is. Rekonstruált felső (bal oldal) és centrális (jobb oldal) légúti geometriák digitális modelljei az alábbiakban láthatók.

 

A levegő áramlási tere e geometriákban igen bonyolult, de a légutakban áramló levegő sebessége és nyomása numerikus áramlástani módszerrel kiszámítható. Ilyen sebességteret szemléltet az alábbi ábra. A kék jelenti a kis, a piros pedig a nagy sebesség értékeket. A számításokat a FLUENT nevű CFD (computational fluid dynamics, numerikus áramlástan) szoftverrel végeztem.

 

A kiszámított levegőáramlási térbe részecskéket helyezve követhető, hogy azok hol csapódnak a légutak falának. A kicsapódó részecskék beleragadnak a légutak falát borító nyákba. Az 1 és 10 mikrométeres részecskék kiülepedési mintázatát az alábbi ábrán láthatjuk nyugodt légzésnek megfelelő áramlási viszonyok (térfogatáram = 18 liter/perc) mellett. A kiülepedéseloszlás erősen inhomogén, melynek következtében egyes területek nagyobb sugárterhelést kapnak ha a kiülepedett részecskék elbomlanak.

 

 

A kiülepedett rövid felezési idejű izotópok ha elbomlanak, akkor a kiülepedés helyéhez közeli sejteket alfa-találat érheti, azokban energialeadás történik, melynek biológiai következményeit szintén lehet modellezni. De még mielőtt e fontos lépést bemutathatnám, fontos megjegyezni, hogy a fenti ábrán látahtó kiülepedési képeket módosíthatja még a mukociliáris tisztulás is, melynek modellezéséről a következő bejegyzésben lesz szó. Azt követi majd a részecske-élő anyag interakció modellezésének bemutatása.





Rendhagyó bejegyzés Mexikó kapcsán

Bár közeleg az év vége, így jöhetne egy rendkívüli bejegyzés, mégsem ez szolgáltatja az apropót, hanem egy Mexikóból érkezett hír.

 

Röviden: Mexikó egyik városában december 2-án elloptak egy teherautót, ami radioaktív kobalt-60-as izotópot szállított. A sugárforrás egy kórházból származott, ahol azt sugárterápiás kezelések során használták. A szállítmány a lerakóba tartott, de a tudósítások szerint az autó sofőrje egy benzinkútnál pihenőt tartott. A fegyveresek itt támadtak rá és vitték el a teherautót. Valószínüleg tudomásuk sem volt a sugárforrásról. Később azt ki is dobták, de előtte még kibontották a rakományt és a védőpajzsot is.

 

Néhány sajtócím:

 

"Mind meghalnak: sugárzó anyagot loptak el egy teherautóval"

ma.hu

"Elloptak egy radioaktív anyagot szállító teherautót Mexikóban – jelentette a Nemzetközi Atomenergia-ügynökség. A járművet aztán szállítmányával együtt alig két kilométerrel arrébb megtalálták. A sugárzó anyag csomagolását a tolvajok megbontották – a hatóságok szerint halálos dózist kaphattak"

atv.hu

„Amikor a teherautót ellopták, az anyag megfelelő védelemmel volt ellátva. Ugyanakkor, ha eltávolítják a pajzsokat, vagy azok megsérülnek, rendkívül veszélyesek lehetnek”
IAEA (International Atomic Energy Agency) álláspont.

 

Mivel ez a blog a radioaktív sugárzással és annak emberre gyakorolt hatásával foglalkozik, gondoltam kicsit számolok, hogy megtudjam tényleg kaphattak ilyen nagy dózist a tolvajok vagy sem.  Az ehhez szükséges legtöbb ismeret már az előző bejegyzésekben szerepel, de akkor most újra felidézzük és alkalmazzuk azokat "élesben".

A 60Co bomlási sémája és információk a forrásról

Látható, hogy a bomlás során két különböző energiájú gamma keletkezhet. Ezek átlagenergiája 1.25 MeV. Fontos információ még, hogy 1 gr 60Co aktivitása nagyjából 44TBq (~1100 curie). [1Bq = 1 bomlás másodpercenként]. A szóban forgó forrás úgy 2500-3000 curie aktivitású volt. Ez körülbelül 110 TBq aktivitásnak felel meg.

A kapott dózis kiszámítása

Az aktivitás és a dózis között a kapcsolat nem triviális. Az elbomló atommagtól való távolság, az expozíció szöge, a lehetséges árnyékolás és természetesen az expozíció idejőtartama is befolyásolja a dózist. Ökölszabályként, 1 mSv dózist az 1 méterre lévő 60 mikrogramm 60Co okoz 1 óra alatt. Ezek alapján, ugyancsak egy óra alatt, 40 Sv dózist szenvedne el egy ember, ha a mexikói forrástól 1 méterre tartózkodna. Látható, hogy ez a halálos dózis 5-szöröse. Ha tehát valaki 12 percet tölt a forrás mellett, megkapja a halálos dózist, ha 6 percet, akkor a félhalálos dózist és így tovább. Ha valaki fogja a forrást (pl. leemeli a teherautóról), akkor a távolság 1 méternél kisebb, mondjuk a fele. Ilyen esetben a dózis nem duplája, hanem még annál is több, mert a forrás több mint kétszeres térszögben "látja" az illetőt.

Pontos információ hiányában a fenti becslések igencsak megközelítőek, de látható, hogy ezúttal a média nem biztos, hogy sokat túlozott és tényleg fennáll a veszélye, hogy életveszélyes dózist szenvedtek el a tolvajok.

Megjegyzés1: A fenti dózisok egésztest dózisok. Lokálisan ennél sokkal nagyobb dózist is kaphattak. Az elnyelt dózist úgy kapjuk, hogy az elnyelt energiát elosszuk a tömeggel. Látható, hogy mondjuk ha megfogták a forrást, akkor a kézdózis a fentieknek sokszorosa lehet, mivel annak tömege kicsi az egész testhez képest, ráadásul a forrás nagyon közel van a kézhez.

Megjegyzés2: A mai számítógépek lehetőséget nyújtanak arra, hogy sokkal pontosabban és elegánsabban számítsunk dózist. Persze az expozíció körülményeire így is szükség van. Ha valaki ügyes, írhat egy programot és kiszámolhatja, hogy a teljes térszögből a forrás körül mennyi jut az emberre, mennyi energiát nyel el a levegő és mennyit az ember, mindezt akár 3D-ben.

 

 

Irodalom

http://en.wikipedia.org/wiki/Cobalt-60

http://index.hu/tudomany/2013/12/05/ezert_ne_lopj_radioaktiv_izotopot/

http://www.popularmechanics.com/science/energy/nuclear/mexican-truck-thieves-and-cobalt-60-explained-16236157

http://en.wikipedia.org/wiki/Curie



---------------------------------------------------------- 



VÉGEZETÜL, MINDEN KEDVES OLVASÓMNAK KÍVÁNOK SIKERES, BOLDOG ÚJ ÉVET!

 





A sugárzások biológiai hatásának vizsgálati módszerei

A mai bejegyzésben a sugárzások hatásának leggyakoribb vizsgálati módszereit veszem számba, röviden ismertetve azokat, majd megemlítve ezek néhány előnyét és  hátrányát. E módszerek az in vivo és in vitro besugárzások, az epidemiológia és a modellezés. E módszerek egymásnak nemcsak konkurensei, de kiegészítői is.
 

Emberi besugárzások

Induljunk ki abból az alapvető etikai szabályból, hogy szándékosan, kutatási vagy egyéb célból, embereket besugározni tilos.
Ettől még persze mindenkit ér sugárzás, ha nem más, akkor a természetes háttérsugárzás. De ezen kívül, az orvosi diagnosztika egyre több olyan módszert, eszközt használ, melyek révén növekszik a sugárterhelés, főleg a fejlett országokban. Itt most csak egyet említenék, a CT-t (computer tomography), ami egy egyre elterjedtebb orvosi képalkotó technika és eszköz. Egy átlagos mellkas CT során úgy 7 mSv, egy koponya CT alkalmával pedig megközelítőleg 2 mSv effektív dózist (korábbi bejegyzésben definiáltam) kapunk. Emlékeztetőül, átlagosan egy ember a háttérsugárzásból egy év alatt 2,5 mSv effektív dózist kap. Ennél sokkal nagyobb dózisokat kapnak a betegek a sugárterápia során.
Egy másik lehetséges sugárterhelés, ami a sugárbalesetek során ért embereket. E balesetek egy csokorba szedve, igényesen bemutatva magyarul is megjelentek Somlai János Esetek-sugárbalesetek című könyvében
http://www.libri.hu/konyv/esetek-sugarbalesetek.html
Mindezen sugárterhelések hatását tanulmányozni lehet és tanulmányozza is a szakma.

Állatkísérletek

Ha már tilos embereken kísérletezni, akkor első megközelítésben kézenfekvő lenne az ismert biológiai rendszerek közül az emberhez felépítésében és működésében leginkább hasonlító

állatokat besugarazni, majd vizsgálgatni. Azonban az álatkísérleteket szabályozó rendelkezések az idő teltével egyre szigorodnak. A legtöbb besugárzásos kíséreletet patkányokon és egereken végzik. Az eredmények értékelésekor mindíg fennállnak az állatról emberre történő extrapolálás nehézségei  (különböző komplexitás, különböző radioszenzitivitás stb).

 

Epidemiológia

Az epidemiológia eredetileg járványok terjedésével foglalkozott, de mára jelentése kiszélesedett. Ma egy adott, jól definiált populációban valamilyen betegség vagy egészségügyi állapot eloszlásának, okának, következményeinek vizsgálatát jelenti. A sugárepidemiológia természetesen a sugárzásnak kitett populációval foglalkozik. Tipikus példája, amikor egy populációban a dózis és az egészségügyi hatás közötti összefüggést vizsgáljuk, mint például a Japánra ledobott atombombák túlélőinél a leukémia vagy tüdőrák előfordulási gyakoriságának a vizsgálata, de az uránbányászokat, sőt az átlagpopulációt is sokat vizsgálják.

 

Sejtbesugárzási kísérletek

A sugárbiológia egyik leggyakoribb módszere, hogy tenyésztett sejtvonalakat tezsnek ki különböző típusú és erősségű sugárzásnak, majd követik annak hatását, valamilyen jól definiált biológiai végpontra (sejthalál, mutáció stb.). Ezen kísérletek ellenőrzött körülmények között történnek, így bizonyos paraméterek hatása kizárható, másoké jól vizsgálható. Sajnos egy ilyen in vitro rendszer sok tekintetben másképp viselkedik, mint a szövetbe, szervekbe, szervezetbe rendezett sejtek.

 

Modellezés

A számítógép kapacitások folyamatos növekedése és a numerikus eljárások fejlődése és novekvő hozzáférhetősége kedvez a számítógépes modellezés elterjedésének. Így van ez a sugárbiológia területén futtatott szimulációkkal is. Ezen módszerek viszonylag olcsók, reprodukálhatók és számos olyan paraméter módosítható tetszőlegesen, ami a gyakorlatban nem, vagy csak nehezen lenne megvalósítható. A modellezés eredményére viszont mindíg szkeptikusan kell tekintenünk és ahol lehet, a modellt validálnunk kell az elérhető kísérleti eredményekkel.
A modellezésről még sok szó fog esni, mivel jómagam is elsősorban e területen vagyok érdekelt, de végezetül még vázlatosan összeírtam a fenti módszerek néhány előnyét és hátrányát.

 

Emberi besugárzások

Előny

• valós emberi szervezettel van dolgunk, így az eredmény a leghitelesebb/relevánsabb.

Hátrány

• etikai korlátok

Állatkísérletek

Előny

• nem kell embereket sugarazni

Hátrány

• általában tilos (egér, patkány a leggyakoribb)
• állat-ember extrapollálás (különböző radioszenzitivitás) nehézségei

Epidemiológia

Előnyök

• valós embereken valós hatásokat vizsgál, anélkül, hogy besugaraznánk

 Hátrányok

• kis dózisokra szór (rossz statisztika)
• populációra vonatkozik, nem adott egyénre
• nem ad információt a mechanizmus(ok)ról

Sejtbesugárzási kísérletek

Előnyök

• ellenőrzött körülmények
• bizonyos paraméterek rögzíthetők
• jól tanulmányozhatók a mechanizmusok

Hátrányok

• drágák (modellezéshez képest)
• in vitro-in vivo extrapolálási dilemmák
• idealizált rendszer és körülmények

Modellezés

Előnyök

• olcsó
• könnyű a paraméterekkel manipulálni
• reprodukálható
• akárhányszor megismételhető, módosítható
• bármikor továbbfejleszthető
• olyan tartományolban is működik, ami a kísérletekkel nem megvalósítható

Hátrányok

• egyszerűsített valóság
• az eredmények sokszor nehezen ellenőrízhetők
• a modellparaméterek valós értékeit sok esetben nem ismerjük 

Egy kis segédanyag a sugárzás utáni események jobb megértéséhez

Mivel a legutóbbi bejegyzés (Mi történik a besugárzott élő szervezetben?) a szokásosnál egy picit hosszabb és töményebb volt, gondoltam relaxálásul ajánlok néhány multimédia anyagot az ott leírtakkal kapcsolatosan. Van köztük egészen elemi, de tudományosabb is. Csak egy csipetnyi abból, amit a világhálón találhatunk a témában. Aki kitartóan keres könnyen találhat hasonló, vagy még ennél is relevánsabb anyagokat. Élvezzék/élvezzétek!

Kezdetnek egy kis “laza” 3D animáció

http://www.youtube.com/watch?v=z3zBJp-RI64

Szabad gyökök elemi bemutatása

http://www.youtube.com/watch?v=bmAMtPEv-0M&list=PL0CC25A3928C8E5AF

A víz besugárzása (prezentáció, tudományosabb)

http://www.slideserve.com/libitha/motivation-for-using-radiation-chemistry-to-study-free-radicals

Mutációk keletkezése

http://www.youtube.com/watch?v=5h-4mU8pyFc&list=PL63DFB301B196D7AC

http://www.youtube.com/watch?v=rkq3fCI191s

DNS sérülés és kijavítás

http://www.youtube.com/watch?v=wLQImnAcYoA

http://www.youtube.com/watch?v=zX2Wt7TGGVo

Mi történik a besugárzott élő szervezetben?

Az előző bejegyzésekben láthattuk, hogy a különböző sugárzások hogyan hatnak kölcsön az anyaggal. Annak ellenére, hogy e kölcsönhatásokat ma eléggé jól ismerjük, a sugárzás biológiai hatásának megértése mégsem triviális. Az egészségügyi hatások, mint az élő anyag és a sugárzás találkozásának következményei, egy felépítésében és működésében is igen összetett rendszerben (élő szervezet) jelentkeznek és számos folyamattól és paramétertől függnek. A hatás megértését az is bonyolítja, hogy az nem azonnali, ugyanis a sugárzás indukálta biológiai változások csak percek, órák, vagy évek múlva detektálhatók, vagyis csak egy látens idő elteltével jelentkeznek. Már az is egy jó kérdés, hogy mit nevezünk biológiai hatásnak, ugyanis az élő szervezetnek különböző szerveződési szintjei vannak, amikben a sugárzás valamilyen elváltozást okozhat különböző időskálákon.

Az atomokkal történő kölcsönhatást már jól ismerjük az élettelen anyagok esetéből. Ezek a hatások a sugárzás milyenségétől (alfa, béta, gamma stb.), annak energiájától, az atomok rendszámától, koncentrációjától stb. függnek. Általánosan azt mondhatjuk, hogy a sugárzás hatására egy bizonyos kölcsönhatás valamekkora valószínűséggel lejátszódik. Az élő anyagban leginkább víz és biomolekulák (pl. fehérje, zsír, poliszacharid) vannak, melyekben gerjesztés (az atom vagy molekula magasabb energiaszintre kerül) és ionizáció (az atom vagy molekula pozitív és negatív töltésű ionokra „bomlik”) játszódik le. Ezeket a jelenségeket a fizikai jelenségek csoportjába soroljuk és nagyon gyorsan (tipikusan 10^-15 s alatt) lezajlanak.

A sugárzást követő 10^-15-10^-12 s időtartamban a fizikokémiai jelenségeké a főszerep. Megtörténhet például, hogy a sugárzás a szervezetben bőségesen jelenlévő vízmolekulákkal lép kölcsönhatásba. A gerjesztett vízmolekula többletenergiával rendelkezik, ezért vagy relaxál, vagy önionizálódik (H₂O⁺ és e^- keletkezik), vagy pedig kötések bomlanak fel. Ez utóbbi jelenséget szakszóval disszociációnak nevezzük. Az ionizált vízmolekula szintén disszociálhat, az ionizáció során keletkezett elektron pedig termalizálódhat, vagyis elemi kölcsönhatások révén leadja energiáját, míg az meg nem közelíti a környező szabad elektronok energiaszintjét. A disszociáció az úgynevezett disszociációs sémák szerint megy végbe. A sugárzást követő 10^-12 másodpercig gerjesztett atomok és molekulák, ionok és hidratált elektronok keletkeznek (pl. ^*OH, ^*H, ^*O, H₂, H₂O₂, H₃O⁺, e_aq). Innentől kezdve az ú.n. kémiai fázisba lépünk.

A fent leírt folyamatok során keletkezett és termikus egyensúlyba jutott „termékek” diffundálni kezdenek és kémiai reakciókban (gyök-gyök, gyök-DNS, gyök-gyökfogó) vesznek részt. E jelenségek megközelítőleg a sugárzást követő 10^-12-10^-6 s időtartamban játszódnak le és olyan paraméterekkel jellemezhetők, mint a diffúziós együttható, vagy a reakcióráta.  

 

E jelenségek következménye lehet a DNS és más molekulák sérülése, amely nagyságrendileg 10^-6 másodperc alatt következik be. Az atomi kölcsönhatások és a molekulák sérülése között legalább két kapocs létezik. Ha a sugárzással kölcsönható atom egy biomolekula alkotója, akkor egyenes út vezet a molekula sérüléséhez, de a kár indirekt módon is bekövetkezhet. Ez utóbbi az odavándorolt (diffundált) és a gyökfogók (radical scavengers) által nem semlegesített szabad gyökök és a biomolekula közötti kölcsönhatás következménye. És itt átlépünk a biokémia/biológia területére, ahol a dolgok egyre bonyolultabbá válnak.

A DNS-ben keletkező kár sokféle lehet, annak függvényében, hogy milyen típusú és mennyiségű sugárzásról beszélünk, a sugárzás direkt vagy indirekt (szabad gyökök) módon éri a DNS-t, illetve, hogy annak mely része károsul. Ezekre mind nem térnék itt ki, mert többek között feltételezi a DNS szerkezeti felépítésének ismeretét, amit most nem célom részletesen bemutatni. Csupán a DNS szál töréseket említeném meg, melyek a kettős-spirál egyik (egyszálú törés), vagy mindkét (kettős-törés) szálát érinthetik. Ez utóbbiból kevesebb van, de ez a veszélyesebb. Rögtön megjegyezném, hogy DNS károsodás spontán (endogén) módon is bekövetkezik, nemcsak külső tényező (exogén, pl. sugárzás) hatására. Amint a kár bekövetkezett, a DNS kijavító mechanizmusai aktiválódnak és elkezdődik a javítás. A kijavítás a kár helye, milyensége, mértéke alapján, vagy aszerint, hogy a sejtet az életciklusának mely szakaszában érte a sugárzás többféle lehet. Amit fontos megjegyezni, hogy bizonyos esetekben téves kijavítás (missrepair) is előfordulhat. E folyamatok igen bonyolultak és perceket, órákat vesznek igénybe.

Ha a méretben elindulunk felfelé és az időben előre, akkor a sugárzás indukálta rendellenességek a kromoszómák (ebbe tömörül a DNS), sőt a sejt szintjén is megjelennek. A sejt elpusztulhat vagy mutálódhat (állandósult kár), sőt transzformálódhat. A mutációk a genetikai állományban bekövetkező tartós változások, míg a transzformációt a rák felé vezető út fontos állomásának tartják, de nem azonos a rákkal. Ha a kár tartós, érzékeny területet érint és progresszál, valamint a kijavító/védekező mechanizmusok nem képesek visszafordítani/megszüntetni, akkor idővel (évek, vagy évtizedek) kiterjedhet a szerv/szervezet szintjére és szerencsétlen esetben olyan változásokat idézhet elő, melyek összeegyeztethetetlenek az élettel.

A fent leírtakból látható, hogy egyetlen besugárzás milyen mennyiségű eseménysorozatot indíthat el a szervezetben (a fentiekben a biológiai folyamatoknak csak egy kis szelete van megemlítve). Nem csoda tehát, hogy ezek pontos végkimenetelét nehéz megbecsülni. Ha a sugárzás dózisa kicsi, a bizonytalanságok a biológiai választ illetően olyannyira megnőnek, hogy gyakorlatilag sztochasztikus hatásokról beszélhetünk.

A fent említett, sugárzást követő eseményeket egy diagram közepén foglaltam össze. Hogy fogalmunk legyen adott dózisú sugárzás indukálta jelenségek számosságáról, a diagram bal oldalán az egy sejtmagot ért 1 Gy dózis esetében bekövetkező események hozzávetőleges számát is feltüntettem. A jobb oldalon az eseményeknek megfelelő időskála látható, illetve, hogy klasszikusan milyen jelenségek csoportjába soroljuk őket.

Nagyobb kép: http://img21.imageshack.us/img21/9859/16ns.gif

Látható, hogy míg a bejegyzés kezdetén az egzakt leírásra törekedtem, addig a vége felé egyre kevesebb dolgot definiáltam pontosan vagy magyaráztam meg tudományosan. Ennek több oka is van: egyrészt csak annyit szerettem volna elmesélni, ami a továbbiak megértéséhez feltétlenül szükséges, másrészt a mai tudásunk messze nem teljes, harmadrészt fizikusként a mai biológiai tudásnak is csak igen kis töredékét ismerem. Remélem, hogy ennek ellenére sikerült kicsit tágítani az olvasó tudáshorizontját és egy kis fényt csempészni a sugárzás okozta hatásokról alkotott képünk sokszor csak alig derengő miliőjébe. Legközelebb innen folytatjuk, addig se feledjétek/feledjék, hogy a fentiekkel kapcsolatosan is sok csemege található a világhálón, amihez kitartó böngészést, hatékony tanulást és jó szórakozást kívánok!

Kis dózis, nagy dilemma

Egy kis szünet után, folytatjuk barangolásunkat a sugárzások világában. Láthattuk legutóbb, hogy ha a sugárdózis nagy, akkor ok-okozati összefüggés van az embert ért dózis és a kóros elváltozások között. A Japánra ledobott atombombák túlélői között pár év után megjelent a leukémia, majd a pajzsmirigyrák, de később (15-30 év múlva) a tüdőrák is sokkal gyakoribb volt náluk, mint az átlagos populációban. Az atombombák túlélőire vonatkozó statisztikai adatok jelentik még ma is a sugárvédelemben használt dózis-kockázat összefüggés becslésének legszilárdabb alapját. Egy másik sokat tanulmányozott csoportot az egykori uránbányák dolgozói képezik. Az általuk kapott dózisok már jóval kisebbek voltak. A harmadik és egyben legnagyobb csoport a háttérsugárzásnak kitett népesség, aminek gyakorlatilag mindenki tagja. Megfigyelhető viszont, hogy ezen epidemiológiai kutatások esetében, ahogy jövünk lefele a kapott dózissal, a hatások annál bizonytalanabbak, az eredmények egyre jobban szórnak és a nagyon kis dózisok esetében (úgy 50 mSv effektív dózis alatt) semmilyen törvényszerűség nem fedezhető fel. Ennek az lehet az oka, hogy a betegségek nemcsak radioaktív sugárzás hatására alakulnak ki és olyan sok tényező befolyásolja őket, hogy a paraméter rengetegben a dózis „elvesztődik”. Csak bizonyítottan karcinogén anyagból 50-100 féle van, nem beszélve a több száz potenciálisan karcinogénről. Ezek külön-külön is karcinogének, de együttes (szinergisztikus) hatásuk nem egyenlő a külön-külön hatások összegével, hanem ezek valamilyen bonyolult kombinációja. De nemcsak kémiai paraméterek vannak, amitől a rák kialakulása függ, hanem egyéb fizikai, biológiai stb. paraméterek is. Az, hogy a sugárzás és egyéb hatások eredményeként a rák végül kialakul-e nagyon sokmindenen múlik. Elég, ha csak a genetikai adottságra, az életmódra, az étkezésre, a stresszre, vagy az immunrendszer állapotára gondolunk. Ezek mellett, ha még van egy kis dózisú sugárzás is, akkor az növelheti a kockázatot, de a kockázatnövekedés (ha egyáltalán nő) pontos értékének becslése roppant nehéz. Az egyik lehetőség a fent említett epidemiológiai tanulmányok finomítása, a másik a sugárbiológiai kísérletek, a harmadik a modellezés lehet. Jelenleg mindegyik irányban történnek erőfeszítések a világ számos részén. Az USA-ban például nagyságrendileg évi százmillió dollárt fektetnek ilyen jellegű kutatásokba, de érthető módon Japánban is nagyon intenzíven foglalkoznak a témával. Európában a kisdózis kutatások elsősorban a MELODI (Multidisciplinary European Low Dose Initiative) szervezet ernyője alatt folynak, melynek konkrét kutatási stratégiája van az elkövetkezendő évtizedekre.

A fentiekből is látható, hogy a kis dózis problémát fontosnak tartják szerte a világban. Elég ha csak arra gondolunk, hogy manapság euromilliárdokat költenek a sugárzásszint csökkentésére ott, ahol az magasabb. Ha a kis dózis nem káros, akkor e pénzt fölöslegesen költik, de ha károsabb, mint jelenleg gondoljuk, akkor például a sugárzással járó orvosi eljárások gyakoriságát is újra kellene gondolni.

Ma itt megállunk, de miután e kitekintőt megtettük, legközelebb már kicsit tudományosabb vizekre evezünk és megnézzük, hogy konkrétan melyek azok a fizikai, kémiai és biológiai folyamatok, amelyek az emberi szervezetben a sugárzás hatására lezajlanak és ezek milyen időskálán történnek?

Dózis-hatás, avagy mennyi a káros?

Induljunk ki Paracelsus (1493-1541) állításából, melynek különböző fordításait itt láthatjuk.

"Minden anyag méreg, ha önmagában nem is az; csupán a mennyiség teszi hogy egy anyag nem méreg."

„A dózis különbözteti meg a mérget a gyógyszertől”

„Dózis teszi a mérget”

Lássuk, mit is jelent ez? Érvényes lehet általánosan is (nemcsak kémiai anyagokra)?

Kiengedem a napra a gyerekem, mert a D vitamin háztartásban fontos szerepet játszik, de nem engedem sokáig, mert félek a bőrráktól. Megiszom egy-két pohár bort, mert tudom és érzem, hogy jó hatása van, de az egy-két liternek már biztosan nem pozitív a hatása. Sportolok valamennyit, de nem hajtom következetesen túl magam, mert azt látom, hallom, hogy a túlzottan sok sport is káros. Ezek mind-mind azt sugallják, hogy ami kis mértékben jótékony, ugyanaz nagy dózisban káros. De vajon, ez sugárzás biológiai hatására is érvényes?

Mielőtt válaszolni tudnánk, röviden nézzük meg mi is az a dózis. A köznyelvben egy adagot jelent valamiből. Gyógyszerek esetében például lehet a tabletták száma, vagy a gyógyszer tömege. Nos, a sugárzás az élő szervezettel kölcsönhatva, annak energiát ad át. Az egészségügyi hatás szempontjából viszont nem közömbös, hogy a leadott energia mekkora tömegre jut. Ezért, a leadott energiamennyiség és a tömeg arányát elnyelt dózisnak, röviden dózisnak nevezzük. Mértékegysége a Gray (1 Gy = 1 J/kg). A régi mértékegység a rad (1 rad = 0,01 Gy). Az előző bejegyzésekben láttuk, hogy a különböző sugárzások különböző módon hatnak kölcsön az anyaggal, ezért ezek biológiai hatása is eltérő. Adott energiájú alfa részecske nagyobb kárt okoz, mint az azonos energiájú gamma- vagy bétasugárzás. Mindegyik sugárzásfajtához rendelhető egy biológiai hatásosság (RBE) és ha ezt beszorozzuk az elnyelt dózissal, akkor ekvivalens dózist kapunk. Ennek mértékegysége a Sv (sievert). A biológiai hatás viszont a szervtől is függ, illetve annak sugárérzékenységétől. Ezért ha a sugárzások különböző szervekre gyakorolt várható hatásának perspektívájából nézzük a dolgot, akkor még egy szervre jellemző koefficienssel is be kell szoroznunk az ekvivalens dózist. Ezáltal effektív dózist kapunk, amit szintén sievertben mérünk. A különböző típusú sugárzásoktól kapott effektív dózisok így már összehasonlíthatók és összeadhatók. Ezek összege egy személyre évente átlagosan 2,5 mSv körüli.

Most, hogy tisztáztuk a dózis fogalmát, lássuk milyen összefüggés lehet a sugárdózis és annak hatása között. Számos baleset és a Japánra ledobott atombombák esetei is igazolták, hogy a biológiai kár arányosan nő a dózissal egészen a halálos dózisig (kb. 8 Gy). Ugyanakkor, a kis dózis dózisok hatása egy máig vitatott és nyílt kérdés. A nagy dózisok hatását szokás még determinisztikus, a kis dózisokét pedig sztochasztikus hatásoknak nevezni. Azokat a hatásokat, amelyek többnyire rövid időn belül és vitathatatlanul a kapott sugárterhelés miatt lépnek fel, determinisztikus hatásoknak nevezzük. A determinisztikus hatások egy küszöbdózis felett mindenkinél fellépnek. Ez valószínűleg azért van így, mert egy adott terhelés fölött a szervezet védekezési mechanizmusai kimerülnek. Ezzel ellentétben a sztochasztikus hatásoknál, amelyek a kiváltó sugárterhelés elszenvedése után jóval később lépnek fel, adott dózis esetén megmondható a sztochasztikus effektusok fellépésének valószínűsége, vagy gyakorisága egy nagyobb népességre, de soha nem mondható meg, hogy konkrétan kinél lépett fel a sugárzás miatt az adott hatás. Ezek a hatások ugyanis többlet sugárzásnak nem kitett populációban is gyakran előfordulnak. A sugárvédelem mai gyakorlatában úgy tekintjük, hogy már az átlagos természetes háttérsugárzás nagyságánál kisebb többletterhelés is megnövelheti a sztochasztikus hatásokat, a daganatokat és az örökletes károsodásokat. Ugyanakkor a világ számos területén a háttérsugárzás értéke a világátlag tízszeresét sőt néhol akár százszorosát is eléri, de a megbetegedések gyakoriságának valódi növekedését ezidáig nem mutatták ki ezeken a területeken. A sztochasztikus hatások tehát tipikusan a kis dózisok tartományában érvényesülnek. Ugyanakkor úgy tűnik, a kis dózisok biológiai hatásának megértése és a lineáris küszöb nélküli dózis-hatás hipotézis (LNT, linear no- threshold, a hatás lineárisan nő a dózissal a nullától kezdődően) megtartása vagy elvetése jelenti a jelenkori sugárvédelem legnagyobb kihívását. Ezt látszik alátámasztani az a tény is, hogy az utóbbi évek sugárvédelmi és sugárbiológiai konferenciái többnyire az LNT jegyében zajlanak. A probléma megoldásának társadalmi jelentősége azért is nagy lehet, mert a széles tömegeket érő sugárterhelés ebbe a tartományba esik. A jelenlegi hivatalos sugárvédelmi álláspont szerint a kockázat a kis dózisok tartományában is lineárisan változik a terheléssel, amit manapság sok kutató megkérdőjelez. Ime néhány pro és kontra vélemény, ami jól mutatja a szakmabeliek megosztottságát a kérdésben.

Zbigniew Jaworowski, az Egyesült Nemzetek Szervezete Atomi Sugárzások Hatásait Vizsgáló Bizottságának (UNSCEAR) volt elnöke: „Az LNT tudományos képtelenség, a radiofóbia fő kiváltója.”

Az Amerikai Egyesült Államok Sugárvédelmi Tanácsának (NCRP) 136-os számú jelentése: „A tudomány mai állása alapján az LNT-nek nincs alternatívája.”

Myron Pollycove, az Egyesült Államok Nukleáris Szabályozó Bizottságának (NRC) tagja: „Az LNT nem más, mint egy sok milliárd dolláros önfenntartó politikai és gazdasági erő.”

Mára ez elég is, legközelebb kicsit körbejárjuk, hogy mi lehet az oka - a gazdasági és politikai érdekeken túlmenően - az ellentétes véleményeknek?

Addig is minden jót, akik többletinformációt szeretnének, azoknak ajánlanám, hogy látogassák meg a következő weboldalakat:

http://hu.wikipedia.org/wiki/Radioaktivit%C3%A1s

http://www.iki.kfki.hu/news/szemin/EK/szkept_2012_03_03_ZP.ppt#521,38,Jódprofilaxis

http://wwwold.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz9911/koteles.html