Относительная биологическая эффективность - Relative biological effectiveness

"RBE" перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. RBE (значения).
Не путать с весовым коэффициентом чувствительности ткани Wж используется при расчете эффективная доза (радиационная безопасность).


В радиобиология, то относительная биологическая эффективность (часто сокращенно RBE) - коэффициент биологической эффективности одного вида ионизирующего излучения относительно другого, учитывая то же самое количество поглощенной энергии. ОБЭ - это эмпирическое значение, которое варьируется в зависимости от типа ионизирующего излучения, задействованных энергий, рассматриваемых биологических эффектов, таких как гибель клеток и напряжения кислорода в тканях или так называемого кислородный эффект.

Заявление

В поглощенная доза может быть плохим индикатором биологического действия излучения, так как биологический эффект может зависеть от многих других факторов, включая тип излучения, энергию и тип ткани. Относительная биологическая эффективность может помочь лучше измерить биологический эффект радиации. Относительная биологическая эффективность для излучения типа р на ткани определяется как соотношение

куда DИкс это ссылка поглощенная доза излучения стандартного типа Икс, и Dр поглощенная доза излучения типа р что вызывает такое же количество биологических повреждений. Обе дозы количественно выражаются количеством энергия всасывается в клетках.

Различные виды излучения обладают разной биологической эффективностью, главным образом потому, что они по-разному передают свою энергию тканям. Фотоны и бета-частицы имеют низкий линейная передача энергии (LET) коэффициент, означающий, что они ионизируют атомы в ткани, расположенные на расстоянии нескольких сотен нанометры (несколько десятых микрометр ) на своем пути. Напротив, гораздо более массивные альфа-частицы и нейтроны оставляют за собой более плотный след из ионизированных атомов, расположенных на расстоянии примерно одной десятой нанометра друг от друга (т.е. менее одной тысячной от типичного расстояния между ионизацией для фотонов и бета-частиц). .

ОБЭ могут использоваться для лечения рака / наследственного риска (стохастический ) или при вредных тканевых реакциях (детерминированный ) последствия. У тканей разные ОБЭ в зависимости от типа эффекта. Для излучения с высокой ЛПЭ (то есть альфа-альфа и нейтронов) ОБЭ для детерминированных эффектов обычно ниже, чем для стохастических эффектов.[1]

Концепция ОБЭ актуальна в медицине, например в радиология и лучевая терапия, а также к оценке рисков и последствий радиоактивное загрязнение в различных контекстах, например атомная электростанция операция ядерное топливо утилизация и переработка, ядерное оружие, добыча урана, и ионизирующий радиационная безопасность.

Отношение к весовым коэффициентам излучения (Втр)

ICRP Protection Количество доз в единицах СИ

Для целей вычисления эквивалентная доза к органу или ткани, Международная комиссия по радиологической защите (ICRP) определила стандартный набор весовые коэффициенты излучения (Втр), ранее называемый добротностью (Q).[1][2] Весовые коэффициенты излучения преобразуют поглощенная доза (измеряется в единицах СИ серые или не-СИ рад ) в формальные биологические эквивалентная доза для радиационного облучения (измеряется в единицах зиверты или же rem ). Однако МКРЗ заявляет:[1]

"Эквивалентная доза и эффективная доза не должны использоваться для количественной оценки более высоких доз радиации или для принятия решений о необходимости какого-либо лечения, связанного с тканевыми реакциями [т.е. детерминированными эффектами]. Для таких целей дозы следует оценивать с точки зрения поглощенных доза (в сером, Гр), а в случае излучения с высокой ЛПЭ (например, нейтронов или альфа-частиц) следует использовать поглощенную дозу, взвешенную с соответствующей ОБЭ "

Весовые коэффициенты излучения в значительной степени основаны на ОБЭ излучения для стохастические риски для здоровья. Однако для простоты весовые коэффициенты излучения не зависят от типа ткани, и значения консервативно выбраны так, чтобы они были больше, чем основная масса экспериментальных значений, наблюдаемых для наиболее чувствительных типов клеток, в отношении внешних (внешних по отношению к клеткам) ) источники. Весовые коэффициенты излучения не были разработаны для внутренних источников тяжелых ионов, таких как ядра отдачи.

Стандартные значения относительной эффективности МКРЗ 2007 приведены ниже. Чем выше весовой коэффициент излучения для типа излучения, тем он более опасен, и это учитывается в расчетах для преобразования единиц серого в зиверт.

Весовой коэффициент излучения для нейтронов был пересмотрен с течением времени и остается спорным.
РадиацияЭнергия Wр (ранее Q)
рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы, мюоны1
нейтроны (<1 МэВ)2.5 + 18.2е- [ln (E)]2/6
нейтроны (1-50 МэВ)5.0 + 17.0е- [ln (2E)]2/6
нейтроны (> 50 МэВ)2.5 + 3.25е- [ln (0,04E)]2/6
протоны, заряженные пионы2
альфа-частицы, продукты ядерного деления, тяжелые ядра20

Весовые коэффициенты излучения, которые переходят от физической энергии к биологическому эффекту, не следует путать с весовые коэффициенты ткани. Весовые коэффициенты ткани используются для преобразования эквивалентная доза к данной ткани в теле, к эффективная доза, число, которое дает оценку общей опасности для всего организма в результате дозы облучения части тела.

Экспериментальные методы

Предел LD-30 для линии клеток CHO-K1, облученных фотонами (синяя кривая) и ионами углерода (красная кривая).

Обычно оценка относительной биологической эффективности проводится на различных типах живых клеток, выращенных в питательная среда, включая прокариотический клетки, такие как бактерии, просто эукариотический клетки, такие как одноклеточные растения, и развитые эукариотические клетки, полученные от организмов, таких как крысы. Дозы доводят до точки LD-30; то есть до такой степени, что 30% клеток станут неспособными подвергнуться митотическое деление (или, для бактерий, двойное деление ), тем самым подвергаясь эффективной стерилизации - даже если они все еще могут выполнять другие клеточные функции. LD-50 используется чаще, но тот, кто рисовал график, не понимал, что линия сетки, ближайшая к середине между коэффициентами 10 на логарифмическом графике, на самом деле равна 3, а не 5. Значения LD-50 фактически равны 1 серому для ионов углерода и 3 оттенкам серого для фотоны.

Типы р ионизирующего излучения, наиболее учитываемого при оценке ОБЭ, являются Рентгеновские лучи и гамма-излучение (оба состоят из фотоны ), альфа-излучение (гелий-4 ядра), бета-излучение (электроны и позитроны ), нейтронное излучение, и тяжелый ядра, в том числе фрагменты ядерное деление. Для некоторых видов излучения ОБЭ сильно зависит от энергии отдельных частиц.

Зависимость от типа ткани

Ранее было обнаружено, что рентгеновские лучи, гамма-лучи и бета-излучение практически эквивалентны для всех типов клеток. Поэтому стандартный вид излучения Икс обычно представляет собой рентгеновский луч с 250кэВ фотоны или кобальт-60 гамма излучение. В результате относительная биологическая эффективность бета- и фотонного излучения по существу равна 1.

Для других типов излучения ОБЭ не является четко определенной физической величиной, поскольку она несколько варьируется в зависимости от типа ткани и от точного места поглощения внутри клетки. Так, например, ОБЭ для альфа-излучения составляет 2–3 при измерении на бактерии, 4–6 для простых эукариотический клетки и 6–8 для высших эукариотических клеток. Согласно одному источнику, для овоцитов он может быть намного выше (6500 с рентгеновскими снимками).[3] ОБЭ нейтронов составляет 4–6 для бактерий, 8–12 для простых эукариотических клеток и 12–16 для высших эукариотических клеток.

Зависимость от местоположения источника

В первых экспериментах все источники излучения находились вне клеток, которые подвергались облучению. Однако, поскольку альфа-частицы не могут пройти через самый внешний мертвый слой кожи человека, они могут нанести значительный ущерб, только если они возникнут в результате распада атомов внутри тела. Поскольку диапазон альфа-частицы обычно составляет около диаметра одной эукариотической клетки, точное местоположение излучающего атома в клетках ткани становится важным.

По этой причине было высказано предположение, что влияние загрязнения альфа-излучателями на здоровье могло быть существенно недооценено.[4] Измерения ОБЭ с внешними источниками также не учитывают ионизацию, вызванную отдача родительского ядра из-за альфа-распада. В то время как отдача родительского ядра распадающегося атома обычно несет только около 2% энергии альфа-частицы, испускаемой распадающимся атомом, ее радиус действия чрезвычайно мал (около 2–3 ангстрем) из-за ее высоко электрический заряд и высокий масса. Родительское ядро ​​должно дать отдачу при испускании альфа-частица, с дискретной кинетической энергией за счет сохранение импульса. Таким образом, вся энергия ионизации от ядра отдачи депонируется в чрезвычайно малом объеме вблизи своего исходного местоположения, обычно в ядре клетки на хромосомах, которые имеют сродство к тяжелым металлам.[5][6][7] Большая часть исследований с использованием источников, внешних по отношению к клетке, дала ОБЭ от 10 до 20.[8]

История

В 1931 году Файлла и Хеншоу сообщили об определении относительной биологической эффективности (ОБЭ) рентгеновских лучей и гамма-лучей. Похоже, это первое употребление термина «ОБЭ». Авторы отметили, что ОБЭ зависит от изучаемой экспериментальной системы. Несколько позже на это указали Zirkle et al. (1952), что биологическая эффективность зависит от пространственного распределения передаваемой энергии и плотности ионизации на единицу длины пути ионизирующих частиц. Zirkle et al. придумал термин «линейная передача энергии (ЛПЭ)», который будет использоваться в радиобиологии для определения тормозной способности, то есть потери энергии на единицу длины пути заряженной частицы. Эта концепция была представлена ​​в 1950-х годах, в то время, когда развертывание ядерного оружия и ядерных реакторов стимулировало исследования биологических эффектов искусственной радиоактивности. Было замечено, что эти эффекты зависят как от типа, так и от энергетический спектр излучения и вида живой ткани. Первые систематические эксперименты по определению ОБЭ были проведены в это десятилетие.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c «Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 2007 г.». Летопись МКРЗ. Публикация МКРЗ 103. 37 (2–4). 2007. ISBN  978-0-7020-3048-2. Получено 17 мая 2012.
  2. ^ Sinclair DW (январь 2003 г.). «Относительная биологическая эффективность (ОБЭ), добротность (Q) и весовой коэффициент радиации (Wr)». Летопись МКРЗ. Публикация МКРЗ 92. 33 (4). ISBN  978-0-08-044311-9.
  3. ^ Nagasawa, H .; Литтл, Дж. Б. (1992-11-15). «Индукция обменов сестринских хроматид чрезвычайно низкими дозами альфа-частиц». Исследования рака. 52 (22): 6394–6396. ISSN  0008-5472. PMID  1423287.
  4. ^ Зима TH, Ди Франца младший (февраль 1982). «Радиоактивность при курении сигарет». Медицинский журнал Новой Англии. 306 (6): 364–5. Дои:10.1056 / NEJM198202113060613. PMID  7054712.
  5. ^ Zhu G, Zhang CY (декабрь 2014 г.). «Функциональные сенсоры на основе нуклеиновых кислот для анализа ионов тяжелых металлов». Аналитик. 139 (24): 6326–42. Bibcode:2014Ана ... 139.6326Z. Дои:10.1039 / C4AN01069H. PMID  25356810.
  6. ^ Бартон Дж. К. (1994). "Глава 8: Взаимодействие металла / нуклеиновой кислоты" (PDF). В Bertini I, Gray HB, Lippard SJ, Valentine JS (ред.). Биоинорганическая химия. Милл-Вэлли, Калифорния: Univ. Научные книги. С. 455–503. ISBN  0-935702-57-1.
  7. ^ Ким С., Шин В., Ордер Р (1985). «Взаимодействие ионов тяжелых металлов и нуклеиновых кислот». Методы дифракции биологических макромолекул Часть A. Методы в энзимологии. 114. стр.156–67. Дои:10.1016/0076-6879(85)14016-4. ISBN  978-0-12-182014-5.
  8. ^ Чемберс ДБ, Осборн Р.В., Гарва А.Л. (2006). «Выбор весового коэффициента альфа-излучения для доз для нечеловеческой биоты». Журнал экологической радиоактивности. 87 (1): 1–14. Дои:10.1016 / j.jenvrad.2005.10.009. PMID  16377039.

внешняя ссылка