Radiobiologie is hetinterdisciplinaire gebied van wetenschap dat de gevolgen vanioniserende en niet-ioniserende straling opbiologische weefsels bestudeert. Het gaat daarbij om het heleelektromagnetische spectrum, vanradioactiviteit,röntgenstraling,ultraviolette straling,zichtbaar licht,microgolven totradiogolven. Dat kan ook straling met een lagefrequentie zijn, straling als gevolg vanwisselstroom, maar ookultrageluid enwarmtestraling. Het vakgebied werd doorLouis Harold Gray begonnen.
ZieIoniserende straling voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Ioniserende straling is over het algemeen schadelijk en mogelijk ook dodelijk, maar kan ook ingezet worden bij de klinische enmedische wetenschappen voor de bestrijding vankanker enthyreotoxicose.[1]
Ioniserende straling beschadigt hetDNA en veroorzaakt daarinmutaties.[2] De levendesomatische cel kan daardoor muteren, wat tot haar dood kan leiden of wat aanleiding kan geven totkanker. Ook degeslachtscellen kunnen muteren, wat betekent dat blootstelling aan straling gevolgen kan hebben voor devruchtbaarheid of de oorzaak kan zijn vanerfelijke ziekten in het nageslacht.
Levende organismen zijn voortdurend blootgesteld aan natuurlijke straling door het spontaan uiteenvallen van de atoomkernen van natuurlijk voorkomend radioactief materiaal en door de straling vanuit de ruimte, dekosmische straling. Zo'n 90% van de straling die organismen ontvangen is van natuurlijke aard. De rest komt bij de mens voort uittherapeutische behandelingen, werken inkerncentrales en in het verleden uit het testen vannucleaire wapens.
De groteregolflengtes van niet-ioniserende straling bezitten minder energie perkwantum en zouden geen chemische veranderingen van betekenis in deatomen ofmoleculen van het medium of decellen teweeg moeten brengen. Deze elektromagnetische straling wordt als onschadelijk voor biologische weefsels beschouwd zolang ze geen verhitting veroorzaken. Er blijven echter controverses en het onderzoek naar straling bijmobiele telefoons,radar,infrarood,radiogolven,microgolven,zichtbaar licht enultrageluid gaat door.
Er is geen precieze grens tussen ioniserende en niet-ioniserende straling van het spectrum omdat sommige moleculen al bij lage energie geïoniseerd worden en omdat verreUV-straling zich net zoalsX- engammastraling ioniserend kan gedragen.
Bij bestraling vancellen wordt eerst het DNA beschadigd, pas later heeft dit biologische effecten waaronder mutatie en celdood. Toch kunnen ook andere componenten van de cel beschadigd raken, zoals hetcelmembraan, wat ook kan leiden tot celdood.
Cellen kunnen door twee mechanismen geïoniseerd worden, doordirecte ionisatie of doorindirecte ionisatie. Directe ionisatie wordt veroorzaakt dooralfa enbètadeeltjes. Deze deeltjes ioniseren de moleculen waar ze direct schade aan toebrengen. Bij indirecte ionisatie, zoals met X- en gammastraling, wordt eerst een tussenliggend molecuul geïoniseerd ofatoom geëxciteerd. Dit kunnen watermoleculen of andere deeltjes zijn. Dezevrije radicalen en atomen brengen vervolgens schade toe aan het DNA of het biologisch materiaal.[3] Ze hebben een belangrijke rol in de stralingseffecten op biologische weefsels en organismen. De vrije radicalen kunnen daarna ook nog met elkaar reageren en met lipiden kettingreacties veroorzaken.
Het grootste deel van de vrije radicalen vormen zich in water binnen en buiten de cellen. Ongeveer 80% van de massa van een levende cel bestaat uit water.
Interactie van straling met water veroorzaakt eenionisatie- en excitatieproces, waarbij kortlevende H₂O•+, snelle elektronen en elektronisch geëxciteerde watermoleculen (H₂O+) ontstaan. Deze watermoleculen zijn instabiel en vormen binnen minder dan een picoseconde (<10-12) onder andere de uiterst reactieve radicalen OH•. Deze kunnen dan opnieuw met water reageren en nieuwe radicalen vormen, of ze kunnen reageren met celmateriaal zoals DNA. De hoeveelheid DNA-schade kan hoog liggen, maar is dan niet altijd noodzakelijkerwijs dodelijk. Er kunnen strengen DNA verbroken worden en er ontstaat ook cross-linking tussen DNA en eiwitten en tussen eiwitten onderling waarbij dehistonen in de celkern betrokken zijn.
DNA wordt ook gerepareerd, maar wanneer dit niet of nauwelijks gebeurt ontstaat er schade aan dechromosomen. Straling beïnvloedt het paren vormen van de basen en dus ooktranscriptie engen-expressie. Schade aan decromatiden wordt zichtbaar in dekaryotypering.
ZieRadiotherapie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Bij bestraling van eentumor wordt het DNA zodanig beschadigd dat de kankercellen dood gaan. De respons op radiotherapie van een tumor hangt af van de proliferatiesnelheid van de cellen. De stralingsschade bij tumorcellen wordt gekenmerkt doormitotische catastrofe. Bij een tumor met een hoog percentage prolifererende cellen bestaat de mogelijkheid om vroegtijdig stralingsschade in de cellen te veroorzaken en deze daardoor snel te laten verminderen. Hoewel de tumor goed reageert op de straling, kan hij overlevendetumorstamcellen bevatten die verantwoordelijk zijn voor de terugkeer van de tumor.
Tumorbestrijding is afhankelijk van het doden van alle tumorstamcellen. Het aandeel van dergelijke cellen kan in een tumor slechts enkele procenten bedragen. Samen met de tumorgrootte bepalen deze factoren de benodigde dosis voor tumorbestrijding. De respons van een tumor hangt af van individuele reacties van de cellen ervan. De benodigde stralingsdosis voor tumorbestrijding hangt alleen af van de stralingsgevoeligheid van de stamcellen en hun aantal.
Kanker ontwikkelt zich over een lange periode. Dit is vastgesteld met schattingen die gemaakt zijn op basis vanLife Span Studies (LSS); levensloop studies) van de overlevenden van deA-bom. De straling bleek effect te kunnen hebben op genen alstumor suppressorgenen enoncogenen waarbij de eerste geïnactiveerd werden en de tweede geactiveerd werden. Er bestaat echter geen karakteristieke afdruk van door bestraling veroorzaakte mutatie en kanker. In de meeste tot nu toe gediagnosticeerde gevallen verliepen er meer dan 40 jaar tussen de blootstelling aan straling en de manifestatie van kanker.
Mensen die als kind of adolescent aan straling werden blootgesteld, ontwikkelden door straling geïnduceerde kanker na een langere tijd dan degenen die later in hun leven werden blootgesteld. Dat betekent dat kankers die geïnduceerd zijn door straling meestal optreden op het moment dat de leeftijdsgerelateerde toename van het spontane kankerrisico optreedt.
Hoe hoger de stralingsdosis is die iemand heeft gekregen, hoe groter de kans is om aan kanker te overlijden. Er is een duidelijk verband te zien tussen blootstelling aan die straling en de volgende kankersoorten (van vaker naar minder vaak voorkomend): maag, dikke darm, longen, leukemie, borst, slokdarm, blaas, eierstok, lever. Het valt op dat sommige van de meest voorkomende vormen van kanker in de algemene bevolking niet in significante mate door straling worden veroorzaakt, zoals prostaat-, baarmoederhals- of endeldarmkanker.
Om stralingsrisico's in te schatten van eerdere blootstellingen worden er achteraf dosisschattingen gedaan. Dit is bijvoorbeeld gedaan voor overlevenden van de atoombom, voor populaties die zijn blootgesteld aan deramp in Tsjernobyl, voor populaties bij de Techa-rivier, en voor besmetting van grote gebieden door kernwapenproeven, bijvoorbeeld op deMarshalleilanden en bij detestlocatie Semipalatinsk. Deze kunnen worden uitgevoerd met biologische dosimetrietechnieken, zoals gedaan is bijvoorbeeld bij deliquidatoren na de ramp in Tsjernobyl. De beste en meest gebruikte methoden maken gebruik van de beoordeling van instabiele of stabielechromosoomafwijkingen.
De beste methode voor biologischedosimetrie, die zich bij veel ongevallen heeft bewezen, is het bepalen van de frequentie van instabiele chromosoomafwijkingen in gestimuleerde bloedlymfocyten. De methode is goed gestandaardiseerd: rustendelymfocyten worden gestimuleerd te prolifereren. Na 48 uur incubatie bij 37 °C worden cellen die demitose ingaan, in demetafase gestopt door toevoeging vancolchicine. Op deze manier kan vervolgens hetkaryotype worden bekeken. Het is echter belangrijk om cellen in hun eerste mitose te stoppen, aangezien veel van de ernstige chromosoomafwijkingen die als "meters voor de dosis" worden gebruikt, in de eerste celdeling worden geëlimineerd. Deze zouden dan niet meer geobserveerd kunnen worden. In de regel wordt het aantal dicentrische chromosomen geteld in 500 gestopte metafasen. Als er 25 dicentrische chromosomen zijn in 500 metafasen, kan een totale lichaamsdosis van 0,3Gy worden aangenomen. Na een dosis van 3 Gy is er gemiddeld één dicentrisch chromosoom te vinden in elke metafase.
·
·
