Giáo trình Cơ sở Lý Sinh: Cơ sở sinh học bức xạ

Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu từ những tương tác vật lý xảy ra trong một k

Cơ sở sinh học bức xạ

Sinh học bức xạ khảo sát tác dụng của bức xạ lên cơ thể sống Các kiến thức sinh học bức xạ là cần thiết để cĩ thể sử dụng bức xạ một cách hiệu quả trong các ứng dụng y tế,

cụ thể là trong xạ trị và chẩn đốn với bức xạ ion hĩa, cũng như để phịng tránh tác hại của bức xạ

Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét các quá trình xảy ra theo trình tự thời gian từ lúc bức xạ đi vào cơ thể người Các yếu tố chính và các yếu tố phụ cĩ ảnh hưởng đến tác dụng sinh học sẽ được trình bày Cuối cùng, quan hệ giữa định lượng giữa tác dụng sinh học và liều hấp thụ sẽ được xem xét

§1 Cấu tạo tế bào của sinh vật

Về cấu tạo, tế bào gồm một nhân tế bào (nucleus) ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương (cytoplasma) Trong bào tương cĩ các thành phần của tế bào như

protein, ribosome, v.v Bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào

(membrane) Mỗi bộ phận thực hiện những chức năng riêng rẽ

Cơ thể con người và các sinh vật khác cấu tạo từ các cơ quan (organ) như tim, phổi,

não v.v… Các cơ quan cấu tạo từ các mơ (tissue) như mơ mỡ, mơ da, mơ xương v.v

Các mơ cấu tạo từ các tế bào (cell) Tế bào là đơn vị sống cơ bản Tương tác giữa bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào, làm chết tế bào hay làm cho chúng hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chĩng một cách hỗn loạn và tạo nên ung thư nhân ( )

bào tương ( )

vòng xoắn kép nối base

Màng tế bào làm nhiệm vụ trao đổi chất với mơi trường ngồi Bào tương là nơi xảy

ra các phản ứng hĩa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hĩa: catabolism), tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào (anabolism) Cịn nhân là nơi điều khiển quá trình tổng hợp đĩ Trong nhân cĩ ADN (deoxyribonucleic acid) là một đại phân tử hữu

cơ chứa các thơng tin quan trọng để thực hiện

sự tổng hợp các chất Trong hình bên là mơ

hình cấu tạo của phân tử ADN

Các tế bào cĩ thời gian sống nhất định Các

tế bào khác nhau cĩ thời gian sống khác nhau

Các tế bào cũng cĩ khả năng phân chia để tạo

thành tế bào mới Đĩ là cơ chế để duy trì sự

tồn tại và phát triển của cơ thể người ADN

chứa các thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào Thông thường, những tác dụng sinh học của bức xạ lên phân tử là do sự phá hỏng ADN của tế bào

Sau đây chúng ta sẽ xem xét chuỗi quá trình từ lúc bức xạ bắt đầu đi vào cơ thể cho đến khi xuất hiện những hiệu ứng quan sát được về mặt sinh học và xem xét những yếu tố ảnh hưởng đến các hiệu ứng này

§2 Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống

Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu

từ những tương tác vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, đến những quá trình sinh học có thể âm ỷ hàng chục năm Các quá trình này có mối quan hệ nhân quả, theo một qui luật vừa mang tính chặt chẽ, vừa mang tính thống kê, mà cho đến nay vẫn chưa được nhận thức đầy đủ Bảng dưới đây tóm tắt các quá trình đó

Bảng 1 Tóm tắt các quá trình xảy ra

Giai đoạn

vật lý

(10 s -16

-10-13s)

Năng lượng được hấp thụ trong các phân tử sinh học

kích thích / ion hóa

Năng lượng được hấp thụ trong nước hay vùng phụ cận

kích thích / ion hóa

Giai đoạn

hóa lý

(10 s -13

– 10-2s)

Các gốc tự do sơ cấp (OH•, H•, e- tương đương) và Peroxide (H O ) 2 2

Các gốc sinh học (R•, RO•2)

Hồi phục

Giai đoạn

sinh hóa

(giây – giờ)

Thay đổi các phân tử sinh học (ADN, màng, v.v ) Hồi phục

Giai đoạn

sinh học

(mức dưới tế

bào)

(giờ - năm)

Biến dị ↔ biến đổi sự trao đổi chất ↔ tổn thương dưới mức tử vong/

tổn thương gây tử vong

Hồi phục

Mức tế bào

(thấy được)

Hiệu ứng

di truyền

Tổn thương cấp tính và lâu dài

Tế bào bị chết

Cơ quan bị chết Trong các quá trình nói trên, quá trình vật lý là được hiểu biết đầy đủ và chi tiết hơn

cả Càng về sau, mức độ phức tạp càng tăng lên và mức độ chính xác của dự đoán càng giảm xuống Nguyên nhân nằm ở chỗ người ta chưa có những dữ liệu thống kê đầy đủ, cũng như do sự khác biệt rất lớn giữa các cá thể nên không thể thực hiện những phép đo lặp lại được như trong vật lý

Sau đây chúng ta sẽ trình bày từng bước một trong chuỗi quá trình đó Ở mỗi bước, chúng ta sẽ nhấn mạnh các yếu tố có vai trò quan trọng trong việc gây nên tác dụng sinh học

1 Giai đoạn vật lý (10 -16 s – 10 -13 s)

Giai đoạn vật lý là bước đầu tiên của chuỗi quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào vật chất Nhờ những tiến bộ trong sinh học phóng xạ, người ta ngày càng nhận thức rõ hơn ảnh hưởng của giai đoạn vật lý lên các quá trình tiếp theo Điều này đã dẫn đến những yêu cầu nghiêm ngặt trong các phép đo lường vật lý trong xạ trị

Sau đây chúng ta sẽ xem xét một số đặc điểm chung của giai đoạn vật lý Đặc điểm

quan trọng nhất có liên quan đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng cục bộ mà bức xạ truyền cho môi trường Điều này sẽ được xem xét trong phần tiếp

theo

Khi đi qua môi trường vật chất, bức xạ có thể tương tác với của nguyên tử như một toàn bộ, với một electron của nguyên tử, hoặc với hạt nhân của nguyên tử Thông qua đó bức xạ truyền năng lượng cho môi trường Quá trình vật lý này xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn, từ 10-16s đến 10-13s Đó là thời gian để bức xạ (photon, electron) đi qua cấu trúc chịu tương tác (phân tử nước, ADN) Trong các ứng dụng y tế, năng lượng

bức xạ truyền cho môi trường chủ yếu gây nên sự ion hóa và sự kích thích Quá trình này

đã được khảo sát chi tiết trong phần trên

Sự ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của tế bào Các tổn thương này càng nhiều và càng nghiêm trọng nếu lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong tế bào

càng lớn Do đó, tác dụng sinh học của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ

bỏ ra trong một đơn vị khối lượng môi trường Đại lượng này chính là liều hấp thụ D

Các cấu trúc chịu sự ion hóa hay kích thích có thể là ADN, ARN, các axít amin, các protein, các enzym hay một phần của màng tế bào, và chủ yếu là các phân tử nước, vốn chiếm một tỉ lệ khối lượng khoảng 80% trong tế bào

Quá trình ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của các đại phân tử sinh học trong tế bào Hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua việc gây tổn thương cho ADN, phân tử mang thông tin di truyền của tế bào Những tổn thương gây ra trên các màng và các ống vi mô cũng có thể là những cơ chế bổ sung làm tế bào bị nhiễm độc

Các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nó Đó là tác dụng trực tiếp Phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hóa

các phân tử nước trong vùng lân cận nó Khi đó, các phân tử nước sẽ bị phân ly (sự thủy phân do bức xạ) và dẫn đến việc hình thành các gốc tự do và hydroxyl Các gốc tự do và hydroxyl công phá các phân tử ADN

Khi một ADN bị tổn thương, ta không thể phân biệt được là nó chịu tác dụng trực tiếp hay gián tiếp, nhưng do tế bào chứa khoảng 80% nước và dưới 1% ADN, nên người ta cho rằng tác dụng gián tiếp đóng vai trò quan trọng Các phép đo cho thấy rằng đối với

bức xạ có LET bé như electron hay photon, tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số

các thương tổn, phần còn lại là do hiệu ứng gián tiếp Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn quá trình này trong giai đoạn hóa lý

Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng lượng từ hàng chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến hàng chục

MeV (trong xạ trị) Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình*)

Tác dụng gián tiếp

Tác dụng trực tiếp

Như vậy, trong sự hấp thụ năng lượng từ bức xạ ion hóa, viên gạch nhỏ nhất của vật chất là nguyên tử đã bị phá vỡ Sự ion hóa và kích thích (chủ yếu trên các phân tử nước)

là những bước đầu tiên dẫn đến quá trình công phá các phân tử sinh học, đặc biệt là ADN Năng lượng hấp thụ từ những tác nhân vật lý không ion hóa khác có thể gây nên sự kích thích phân tử, nhưng nguyên tử vẫn còn nguyên vẹn Chính sự khác biệt này sẽ giải thích tại sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác

2 Giai đoạn hóa lý (10 -13 s đến 10 -2 s)

Giai đoạn hóa lý mở đầu bằng việc hình thành các gốc tự do và kết thúc bằng những thay đổi cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học có trong tế bào Như đã nói trên, bức xạ có thể tương tác trực tiếp với ADN hay gián tiếp, thông qua việc ion hóa hay kích thích phân tử nước Trong cả hai trường hợp, năng lượng của bức xạ được hấp thụ trong các phân tử hữu cơ cũng như vô cơ

Tiếp sau quá trình tương tác đó là quá trình phân tán năng lượng đã hấp thụ từ bức xạ

cho vùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thông qua sự truyền năng lượng nội phân

tử (xảy ra bên trong một phân tử ) hay từ phân tử này sang phân tử khác Quá trình trao

đổi nội phân tử có thể làm thay đổi cấu trúc hay phá hủy phân tử sinh học, do việc tách

*) Chẳng hạn, có thể ước lượng được rằng một electron có năng lượng 1 MeV có khả năng ion hóa 3,3.10 4 nguyên tử và kích thích khoảng 10 6 nguyên tử Một electron có thể gây nên hàng chục cặp ion khi băng qua tế bào Một hạt α có thể gây nên hàng chục ngàn cặp ion khi băng qua tế bào Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào Một liều toàn thân 2,4 mGy (= 2,4 mJ/kg) gây ra trong cơ thể một người nặng 70 kg khoảng 3,5.10 16 cặp ion Giá trị được chọn trong ví dụ trên là liều trung bình một người nhận được hàng năm do bức xạ tự nhiên Con số rất lớn cặp ion xuất hiện ở trên cho thấy rằng trong cơ thể người có một cơ chế tự sửa chữa tác hại của bức xạ.

các nhóm chức năng hay làm đứt vỡ những phân tử có dạng chuỗi Quá trình trao đổi năng lượng giữa các phân tử xảy ra chủ yếu là sự tương tác giữa phân tử nước Đó là quá trình hình thành và khuếch tán của các gốc tự do Các gốc tự do này được hình thành do

sự thủy phân của nước dưới tác dụng của bức xạ Các gốc tự do công phá các phân tử sinh học Chúng sẽ xem xét quá trình này kỹ hơn dưới đây

a Sự hình thành các gốc tự do

Các gốc tự do được hình thành do sự thủy phân do bức xạ Quá trình này xảy ra sau khi phân tử nước hấp thụ năng lượng từ bức xạ Đầu tiên là sự ion hóa:

HOH+ + e- : một cặp ion H2O + γ →

Sau quá trình này, một số phản ứng có thể xảy ra Một là, cặp ion có thể tái hợp lại để trở thành một phân tử bình thường Khi đó không có tổn hại nào xảy ra Hai là, electron

có thể gắn vào một phân tử nước trung hòa và tạo ra một loại ion thứ ba

H2O + e HOH→

Ba là, e- có thể được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước và hình thành nên e-eq (gọi

là tương đương electron)

Các ion HOH+ và HOH không bền vững lắm và có thể bị tách thành các phần tử nhỏ hơn

HOH+ H→ + + OH•

HOH OH→ + H•

• • được gọi là các gốc tự do (free radicals)

do là vào khoảng 1 μs Vậy kết quả của sự xạ phân do bức xạ là sự hình thành các ion

H + , OH và các gốc tự do OH• và H và e• - eq Tương đương electron e-eq cũng có tác dụng như một gốc tự do Do đó OH• và H và e• -eq được gọi chung là các gốc tự do sơ

cấp

Các ion H+ và OH có thể tái hợp mà không gây tổn hại sinh học nào Các loại ion

này cũng thường xuất hiện trong nước Ví dụ Na+ và Cl khi hòa muối vào nước Ngay cả khi không bị chiếu xạ, trong nước cũng có các ion H+ và OH

Các gốc tự do là những phân tử trung hòa có một electron không ghép cặp ở vỏ ngoài cùng Do đó chúng có hoạt tính hóa học rất mạnh Chúng cũng không bền, thời gian sống vào khoảng 1 μs Tuy nhiên trong khoảng thời gian ấy, nó có thể khuếch tán và gây tương tác tại một vị trí cách nơi hình thành khoảng một vài nanomnet Các gốc tự do tương tác với các phân tử khác theo phản ứng oxy hóa-khử Chúng có thể công phá phân tử ADN,

bẻ gãy các liên kết của phân tử đó và do đó gây ra một tổn thương điểm ở một nơi xa điểm hình thành gốc tự do

Các gốc tự do cũng có thể tạo ra hydrogen peroxide, H 2 O 2 , rất độc đối với tế bào

Hydrogen peroxide có thể được hình thành bằng nhiều cách Với bức xạ có LET cao, do mật độ gốc tự do cao, hai gốc tự do OH• có thể kết hợp lại để hình thành H2O2

OH + OH H2O2 →

Hay trong trường hợp có nhiều oxy, hydrogen peroxide được hình thành theo chuỗi sau

H + O2 → HO 2

Các gốc tự do Hydroperoxyl HO 2 không bền, có thể kết hợp với nhau hay với H để tạo thành hydrogen peroxide:

2 HO•2→ H2O2 + O2

HO•2 + H• → H2O2

H 2 O 2 , OH•, H• và e - eq được xem là sản phẩm gây hại chính của quá trình xạ phân,

nó là chất độc của tế bào

Hai loại gốc tự do khác cũng có thể hình thành Một số phân tử hữu cơ khác, ký hiệu

RH, có thể trở thành các gốc tự do:

RH + γ → RH• → H• + R•

Khi có oxy, một loại gốc tự do khác cũng hình thành như sau:

R• + O2 → RO2

Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và hoạt động của các gốc tự do:

* Hiệu ứng oxy: càng nhiều oxy thì khả năng hình thành gốc tự do càng cao, đặc biệt

việc hình thành các gốc peroxide H2O2, do đó tác dụng sinh học càng lớn (2-3 lần đối với bức xạ có LET bé)

* Sự phụ thuộc vào LET: LET càng cao thì mật độ OH• cao, càng nhiều H2O2 hình thành theo OH• + OH• → H2O2, do đó tác hại càng mạnh Thực nghiệm cho thấy với LET cao, sự hình thành H2O2 không phụ thuộc vào lượng Oxy, do đó hiệu ứng oxy mất tác dụng Khi LET cao, lượng gốc tự do H• cũng nhiều, làm chosự tái hợp H• + H• → H2 cũng mạnh theo, do đó hiệu suất hình thành gốc tự do giảm

* Hiệu ứng nhiệt độ: nhiệt độ càng thấp, phạm vi khuếch tán của các gốc tự do càng

bé, do đó tác dụng gián tiếp càng bé

* Tác dụng của một số chất hóa học: Một số chất có thể làm tăng hay giảm hoạt động

của các gốc tự do (chất bảo vệ phóng xạ và tăng cường phóng xạ) Để có thể phát huy tác dụng, các chất này phải có mặt ngay khi chiếu bức xạ

c Tác dụng của các gốc tự do lên ADN

Các gốc tự do sẽ khuếch tán ra chung quanh vùng chúng hình thành, tập trung quanh những phân tử nước hay tương tác với các phân tử sinh học và làm thay đổi cấu trúc hóa học của chúng Thường thì các gốc tự do lấy đi các nguyên tử hidro của các phân tử sinh học, chẳng hạn lấy hidro của cầu nối hidro trong ADN

Các gốc tự do này có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên không thể đi xa được Do đó chúng chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng ½ đường kính của thớ của nhiễm sắc thể (Chromatin fibrillar) Thời gian sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi có mặt oxy hay các phân tử ái

electron Ngược lại, một số phân tử khác có thể thu hút các gốc này và làm giảm tác dụng sinh học của chúng Những bức xạ có khả năng ion hóa mạnh như neutron hay hạt nặng mang điện tạo ra trên đường đi của chúng một vệt ion hóa đậm, do đó nếu nó đi băng qua một ADN thì có thể gây nên hiệu ứng trực tiếp, ngay cả khi không có oxy Chúng cũng có nhiều khả năng gây nên những đứt gãy không hồi phục được trên chuỗi xoắn kép của ADN

Do tác dụng của trực tiếp hay gián tiếp, ADN có thể chịu các tổn thương sau:

– Đứt một nhánh

– Đứt hai nhánh

Đối với bức xạ có LET bé, tỉ lệ giữa tổn thương 1 nhánh và hai nhánh là 20:1

Số lượng đứt một nhánh tăng tỉ lệ bình phương liều hấp thụ: ~ D2

Số lượng đứt hai nhánh tăng tỉ lệ liều hấp thụ: ~ D

Cho đến nay người ta thấy việc đứt một nhánh và hai nhánh chỉ do bức xạ ion hóa

gây nên, còn tia tử ngoại chỉ có khả năng gây nên sự sai hỏng base, do chỉ được

hấp thụ trong các base Thymin và Cytosin

− Tổn thương base: làm thay đổi base hay thay đổi liên kết giữa các base

Sự tổn thương của base có thể dẫn tới việc đứt mối liên kết hidro giữa hai base,

hay làm biến đổi cấu trúc hoá học của base, làm mất một base, làm ghép vào một

base không đúng hay nối hai base nằm đối diện và chéo nhau chéo (cross linking)

Một dạng đặc biệt của sai hỏng base là sự nhị trùng hóa hai base (base

dimerization): hai base cùng phía nối nhau Điều này chỉ xảy ra đối với base loại

Thymin (T) hay Cytosin (C) Sự nhị trùng hóa này xảy ra chủ yếu khi ADN bị

chiếu bởi tia tử ngoại

− Nối giữa các phân tử trong ADN

− Nối giữa ADN và protein

− Tổn thương bội (bulky lession) Thuộc loại tổn thương gây tử vong (lethal

damage) Không sửa chữa được

Loại tổn thương Số tổn thương trên mỗi tế bào ứng với 1 Gy (LET bé)

Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào bị chiếu Khi

đó mỗi tế bào sẽ có nhiều ngàn chỗ đứt gãy trên chuỗi xoắn đơn và có khoảng 100 chỗ đứt trên

chuỗi xoắn kép, dẫn đến cái chết của khoảng 90% tế bào bị chiếu, nghĩa là trong 10% còn lại có

sự sửa chữa hư hại hay những tổn thương đó đối với một số ADN không có ảnh hưởng đến việc

sinh ra những thế hệ sau có thể tồn tại được

3 Giai đoạn hóa sinh – Quá trình sửa chữa tổn thương của ADN

Quá trình hóa sinh kéo dài từ 10-2 s đến nhiều giờ Ở đầu giai đoạn này ta có ADN bị

tổn thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là

những tổn thương không hồi phục được

a Cơ chế sửa chữa

Trong quá trình tiến hóa của loài người, do thường xuyên bị bức xạ chiếu và do sự

biến dị tự phát, trong các tế bào đã hình thành nên một cơ chế sửa chữa rất hiệu quả Cơ

chế này nhận biết những biến đổi phân tử của ADN và trong phần lớn trường hợp có thể

sửa chữa lại chúng bằng những quá trình điều khiển bởi enzym Trong bào tương cũng có

những chất có thể trung hòa các gốc tự do trước khi chúng kịp công phá ADN hay các

bào quan

Hiệu quả hoạt động của các cơ chế sửa chữa và bảo vệ này phụ thuộc vào pha của tế

bào trong chu kỳ, vào hàm lượng năng lượng của tế bào, vào mật độ của các enzym sửa

chữa cũng như của các chất bảo vệ có mặt trong bào tương cũng như vào nhiệt độ Các cơ

chế này chịu trách nhiệm việc tiêu diệt những thay đổi về cấu trúc và thông tin của tế bào

gây bởi bức xạ hay bởi các tác nhân hoá học khác, để cho tế bào sau khi bị chiếu bởi một

liều không cao lắm, có thể hồi phục trở lại

b Quá trình sửa chữa

Một số công việc sửa chữa được điều khiển bởi enzym có thể được tiến hành ngay sau

khi xuất hiện các tổn thương và có thể kết thúc trong vòng vài phút hay vài giờ Nếu nó

xảy ra trước khi nhân đôi ADN và trước khi phân bào, thì người ta gọi là sự sửa chữa trước nhân đôi Quá trình diễn tiến của các sửa chữa trước nhân đôi là khác nhau, tùy

theo nguyên nhân và loại tổn thương ADN Nếu tổn thương của ADN xảy ra ngay trước hay trong khi nhân đôi ADN và không kịp sửa chữa trước phase mitose, thì quá trình sửa

chữa sau nhân đôi sẽ vào cuộc

Một số sửa chữa cần có năng lượng ánh sáng, được gọi là sửa chữa quang

(photorepair) Các loại sửa chữa còn lại sử dụng năng lượng dự trữ trong tế bào và không cần ánh sáng Nếu quá trình phân bào xảy ra càng nhanh, thì về trung bình, thời gian để sửa chữa trước nhân đôi càng bé, khi đó sự sửa chữa càng kém hiệu quả Điều này giải

thích tại sao các tế bào có tốc độ phân bào càng cao thì càng nhạy đối với bức xạ Trong

tế bào ung thư, bên cạnh tốc độ phân bào cao, bộ máy sửa chữa và các enzym sửa chữa của chúng cũng bị những sai sót, do đó chúng nhạy với bức xạ hơn tế bào lành

c Phân loại các tổn thương do bức xạ

Các tổn thương do bức xạ lên tế bào có thể được chia thành 3 loại:

− Tổn thương gây chết (lethal damage): không hồi phục được, sẽ dẫn đết chết tế

bào Các tổn thương bội thuộc loại này

− Tổn thương dưới mức chế (sublethal damage): có thể sửa chữa trong vài giờ, trừ

khi bị thêm những tổn thương dưới mức chết khác, dẫn đến tổn thương gây chết

− Tổn thương có khả năng gây chết (potentially lethal damage): có thể sửa chữa nếu

tế bào được duy trì trong trạng thái không phân bào

4 Quá trình sinh học – Từ vài giờ đến nhiều năm – Từ mức tế bào đến mức mô

Bắt đầu: các ADN bị tổn thương không hồi phục được; kết thúc: tế bào chết, xảy ra đột biến, ung thư, các hiệu ứng sớm và muộn

a Ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể (NST)

Nếu tổn thương do bức xạ gây nên trên ADN là đủ lớn, thì có thể quan sát thấy những rối loạn của nhiễm sắc thể (chromosome aberration), như hình vẽ dưới Rối loạn nhiễm sắc thể xảy ra khi một đoạn dài của ADN bị thay đổi, nó bao gồm: nhân đôi (duplication),

bị cắt bỏ (deletion), thêm vào một đoạn gen (inversion), chuyển đoạn gen sang nhiễm sắc thể khác (translocation)

Rối loạn nhiễm sắc thể xuất hiện ở hai giai đoạn, ở giai đoạn đầu, xuất hiện một đứt nhánh đôi không hồi phục được hoặc một sự mất ổn định hoá học trong nhiễm sắc thể có thể dẫn đến sự phân rã của nhiễm sắc thể, ở giai đoạn sau, là sự nối lại các nhánh bị đứt Người ta phân biệt sự rối loạn nội nhiễm sắc thể (xảy ra bên trong một NST và rối loạn giữa các NST (do sự trao đổi các nhánh của các NST khác nhau) Những rối loạn NST rất tiêu biểu do tác dụng của bức xạ là sự hình thành NST hai tâm (dicentric) và NST vòng

b Các tác dụng của bức xạ lên tế bào

Ở cấp tế bào, ba hiệu ứng chính có thể quan sát được từ sự chiếu xạ ADN là sự chết của tế bào (cell death), và sự đột biến dẫn đến bệnh ung thư ác tính (malignant disease) hay tổn thương di truyền (genetic damage)

c Sự chết của tế bào

Sự chết của tế bào có thể chia làm hai loại: chết giữa phase (interphase death) và chết khả năng sinh sản (reproductive cell death) Một liều rất cao (vài trăm Gy) có thể hủy hoại mọi hoạt động của tế bào và làm tế bào chết giữa pha Một liều thấp hơn (vài Gy) sẽ

a b c d e

a) NST bình thường b) trái: đứt ở cuối; phải: đứt một khe c) rối loạn NST, trái: mất một

khoảng ở giữa; phải mất ở cuối d) hai đoạn của nhánh này bị cắt và nối sang nhánh

khác e) NST bị nối thành vòng f) hai nhánh bị cắt nối thành vòng g) một cặp NST bình

thường h) Hai NST dính lại thành một NST hai tâm + hai đoạn đứt hỗn hợp i) Hai NST

trao đổi các đoạn cho nhau Từ b-f: nội NST Trường hợp h + i: giữa các NST

d Sự đột biến

Những thay đổi không được phục hồi của thông tin di truyền được gọi là sự đột biến

(mutation) Nếu sự đột biến đó chỉ gặp ở tế bào thân, thì người ta gọi đây là đột biến cá

thể (somatic mutation) Nó không di truyền cho thế hệ con cháu Nó có thể dẫn đến những

thay đổi có tính chất ác tính của tế bào, phá hủy hoạt động của enzym hay thay đổi sự trao đổi chất của tế bào

Nếu đột biến xảy ra ở tế bào sinh dục thì nó có thể di truyền cho thế hệ sau Người ta

gọi đây là đột biến gen (genetic mutation) Đa phần các đột biến loại này có tính lặn

(recessive), nghĩa là nó thường tác dụng tới kiểu di truyền (genotype) mà không tác động

tới kiểu hình (phenotype) của các thể bị biến dị đó

Đột biến điểm: nếu sự biến đổi chỉ xảy ra trên một gen Khi đó sự tổng hợp một

protein bị thay đổi Sự thay đổi này chỉ ảnh hưởng đến tế bào và cơ quan, nếu đoạn gen

này của ADN là hoạt động (active)

e Sự hồi phục ở mức toàn thân

Ở mức độ toàn thân (whole-body level), sự hồi phục khỏi những tổn thương do bức

xạ được hỗ trợ thông qua sự tái tạo dân số (repopulation) của những tế bào sống sót Nếu

một mô nhận một liều đủ lớn, nó sẽ đáp ứng bằng cách co kích thước lại Đây được gọi là

sự thu nhỏ (atropy) Nguyên nhân là vì một số tế bào bị chết, bị loại ra (disintegrated) và

bị mang đi nơi khác như những chất thải Nếu có một số tế bào đủ lớn sống sót do chỉ

nhận những liều dưới mức tử vong, thì những tế bào này có thể tăng trưởng và tái tạo số

tế bào của cơ quan bị chiếu xạ

Các quá trình tổ hợp của sự sửa chữa và sự tái tạo đóng góp vào sự hồi phục khỏi các tổn thương do bức xạ

Sự hồi phục = các sửa chữa bên trong tế bào + sự tái tạo tế bào

5 Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ lên tế bào

Mức độ tác dụng sinh học của bức xạ được quyết định chủ yếu bởi liều hấp thụ Bên cạnh đó, còn có những yếu tố khác có thể có ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ Các yếu tố này có thể được phân làm 2 loại: các yếu tố vật lý và các yếu tố sinh học Các yếu tố vật lý là LET, lượng Oxy, nhiệt độ (đã nói ở trên) hay suất liều, sự phân liều (sẽ nói sau) Còn sau đây chúng ta sẽ xét đến các yếu tố sinh học

a Độ nhạy bức xạ của các tế bào khác nhau - Các định luật Bergonie & Tribondeau

Vào năm 1906, hai nhà khoa học người Pháp là Bergonie và Tribondeau lần đầu tiên

đã thiết lập được mối quan hệ giữa độ nhạy bức xạ và mức độ trưởng thành và mức độ trao đổi chất của tế bào Các quan hệ này được phát biểu thành các định luật Bergonie và Tribondeau như sau:

1 Các tế bào mầm (stem cell) rất nhạy đối với phóng xạ Tế bào càng trưởng thành,

độ kháng tia càng cao

2 Các mô và cơ quan càng trẻ thì càng nhạy bức xạ

3 Mức độ trao đổi chất càng cao thì độ nhạy càng cao

4 Khi tốc độ tăng trưởng (proliferation rate) của các tế bào và tốc độ phát triển (growth rate) của các mô càng cao thì độ nhạy phóng xạ càng cao

b Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào chu kỳ tế bào

Đối với những tế bào thuộc cùng một loại, kỹ thuật in vitro cũng cho phép khảo sát

độ nhạy bức xạ vào các giai đoạn khác nhau của chúng Một chu kỳ tiến hoá của tế bào có khả năng sinh sản có thể được chia làm 4 giai đoạn, căn cứ vào cấu trúc của nhiễm sắc thể (chromosome) chứa DNA

− M (phân chia tế bào: mitosis)

− G1 (chuẩn bị tổng hợp: 1st growth)

− S (tổng hợp: synthetic)

− G2 (tăng trưởng: 2nd growth)

Độ nhạy của tế bào đối với bức xạ trong các giai đoạn này

là không như nhau Thực nghiệm cho thấy tế bào nhạy nhất đối

với bức xạ khi nó đang ở giai đoạn G2, kém nhạy hơn khi đang

ở giai đoạn S, kém hơn nữa khi ở giai đoạn G1 và ít nhạy bức

xạ nhất khi ở giai đoạn M (hình bên)

(giữa pha:

interphase)

§3 Phân loại các tác dụng của bức xạ ở mức lâm sàng

1 Tác dụng cá thể (somatic) và tác dụng di truyền (genetic)

Các tác dụng sinh học của bức xạ có thể được phân loại theo cách thể hiện tác dụng

đó Những hiệu ứng chỉ xảy ra trong một cá thể được gọi là tác dụng somatic, còn những tác dụng xảy ra ở các thế hệ sau được gọi là tác dụng genetic (di truyền)