Hipoteza liniowa i hormeza radiacyjna

1
Hipoteza liniowa i hormeza radiacyjna

• Skutki biologiczne niewielkich dawek
  promieniowania
• Naukowe Kolo Fizyków
• 12 marca 2012

2
Oficjalne informacje ONZ

• mozna znalezc na stronie internetowej
  UNSCEAR, tj.
• United Nations Scientific Committee on the
  Effects of the Atomic Radiations
• http//www.unscear.org/unscear/en/index.html
• w szczególnosci informacje o awarii w
  Czarnobylu w 1986 r.
• http//www.unscear.org/unscear/en/chernobyl.
  html
• wstepny raport o awarii w Fukushimie marcu
  2011 r.
• ma byc gotowy w maju 2012 r. a koncowy w
  2013 r.
• UNSCEAR opiera swoje wnioski tylko na
  publikacjach
• w recenzowanych czasopismach naukowych oraz
  na oficjalnych informacjach otrzymanych od rzadów
  w wyniku odpowiedzi na zapytania Komitetu

3
Podstawowe pojecia

• Promieniowanie jadrowe to
• Promieniowanie elektromagnetyczne (swiatlo
  podczerwone, widzialne, nadfioletowe, promienie
  Roentgena, promienie gamma)
• Elektrony czastki beta
• Ciezkie naladowane czastki
• (miony, czastki alfa tj. jadra 4He,
• jadra ciezszych atomów)
• Neutrony

4
Skutki napromieniowania

• FIZYCZNE
• Wzbudzenie lub jonizacja atomów i molekul
• Wybicie atomów z sieci krystalicznej
• Nagromadzenie produktów reakcji (glównie He),
• CHEMICZNE Pojawienie sie wolnych rodników
• BIOLOGICZNE
• Zmiana metabolizmu
• Uszkodzenia DNA dajace szybkie i opóznione
  skutki, w szczególnosci wplywajace na potomstwo
  (gdy uszkodzone sa komórki rozrodcze)

5
Procesy fizyczne

• Na górze rysunku pokazano tor elektronu o energii
  0.5 MeV,
• na dole odcinek toru czastki alfa o energii
  4 MeV (symulacje komputerowe)
• Punkty pokazuja
• wzbudzone i
• zjonizowane atomy,
• Obok DNA w tej
• samej skali
• Report UNSCEAR 2001
• Annex G

6
Procesy biologiczne

• Mechanizm dzialania promieniowania na komórki
  polega na jonizacji czasteczek biologicznych, w
  wyniku czego tworza sie wolne rodniki o wysokiej
  aktywnosci chemicznej.
• Struktura duzych czasteczek (w szczególnosci DNA)
  ulega uszkodzeniu poprzez zlepianie badz
  rozrywanie. Te zmiany powoduja, ze procesy
  biochemiczne nie moga zachodzic prawidlowo. Jesli
  jednak uszkodzenia nie sa rozlegle, komórka moze
  sama je naprawic, dzieki zdolnosciom
  autoregulacyjnym.
• Ilosciowo skutki promieniowania zaleza od tzw.
  dawki promieniowania

7
Dawka pochlonieta

• Dawka pochlonieta w danej tkance T to calkowita
  energia zdeponowana w jednostce masy tkanki
• Jednostka dawki jest Gray (Gy) 1 Gy 1 J/kg
• Stara jednostka (czasem uzywana) 1 rad
  100 erg/g 0.01 Gy
• Dla biologicznych skutków wazne sa zarówno
• Wielkosc dawki promieniowania, jak i
• Czas w jakim ta dawka zostala pochlonieta (moc
  dawki)
• Rodzaj naswietlonej tkanki
• Rodzaj promieniowania
• Dlatego obok dawki pochlonietej wprowadza
  sie pojecia
• dawki równowaznej (rózne rodzaje promieniowania)
• dawki efektywnej (rózne tkanki)

8
Dawka równowazna

• Rózne rodzaje promieniowania deponujace te
  sama ilosc energii w jednostce masy danej tkanki
  (dawke pochlonieta) moga wywolac rózne skutki
  biologiczne. Stad wprowadza sie wspólczynnik
  wzglednej skutecznosci biologicznej (ang. RBE
  Relative Biological Efficiency) oraz definiuje
  dawke równowazna okreslajaca reakcje biologiczna
  na pochlonieta dawke danego promieniowania jak
  taka sama dawka promieniowania gamma o energii
  250 keV.
• Jednostka
• 1 Sievert (Sv)1J/kg
• (siwert)
• Dawna jednostka
• 1 rem 0.01 Sv

9
Dawka efektywna (skuteczna)

• Dawka efektywna E to dawka równowazna
  pomnozona przez wspólczynnik wagowy
  okreslajacy czulosc danej tkanki T na
  uszkodzenia.
• Dla calego organizmu

10
Naturalne promieniowanie

• Glówne zródla to
• Promieniowanie dlugozyciowych pierwiastków
  zawartych w skorupie Ziemi (U, Th) i ich
  pochodnych glównie radon 222Rn
• Promieniowanie kosmiczne tryt, 7Be, 14C
• Promieniotwórcze pierwiastki wbudowane w cialo
  czlowieka, np. 14C, 40K,
• Srednia roczna dawka promieniowania naturalnego
  na Ziemi wynosi 2,4 mSv (w Polsce 2,6 mSv).
• Istnieja jednak obszary gdzie tlo promieniowania
  naturalnego jest znacznie wieksze
• W Norwegii 5,2 mSv/rok
• W Finlandii 7 mSv/rok
• W Iranie (Ramsar) 240 mSv/rok (TAK !! to nie
  pomylka)

11
Srednie roczne dawki z róznych zródel
12
Dawki dopuszczalne

• Wg obowiazujacych w Polsce przepisów dopuszczalna
  dawka skuteczna, na cale cialo od promieniowania
  z innych zródel niz naturalne (bez uwzgledniania
  diagnostyki medycznej i leczenia preparatami
  promieniotwórczymi) wynosi
• 1 mSv/rok dla ogólu ludnosci i
• 20 mSv/rok dla osób narazonych na promieniowanie
  jonizujace zawodowo ().
• () Rozporzadzenie Rady Ministrów w
  sprawie dawek granicznych promieniowania
  jonizujacego (Dz.U. Nr 20, poz. 168 z
  2005 r..)

13
Duze dawki ostra choroba popromienna

• Objawami ostrej choroby popromiennej na tle
  zaburzen somatycznych dla dawek gt 0.75 Sv sa
• silne bóle glowy, mdlosci, oslabienie,
• zmiany w ukladzie krwionosnym (spadek liczby
  krwinek),
• biegunki,
• krwawienia wewnetrzne,
• wypadanie wlosów.
• Ostry atak choroby popromiennej moze byc
  smiertelny, jesli uszkodzenia byly bardzo
  powazne.
• LD-50 (lethal dose 50) to dawka po otrzymaniu
  której polowa populacji umiera po miesiacu (przy
  braku leczenia). Dla ludzi LD-50 wynosi okolo 3,5
  Sv,

14
Duze dawki pózne skutki

• Niezaleznie od wielkosci uszkodzen zaraz po
  napromieniowaniu, po wielu latach moga wystapic
  opóznione objawy choroby popromiennej, takie jak
  rozwój nowotworów, zacma, bialaczka i
  przedwczesne starzenie sie.
• Uszkodzenia w materiale genetycznym sa przyczyna
  zmian mutacyjnych w genach lub calych
  chromosomach. Jesli ma to miejsce w komórkach
  rozrodczych, to efekty mutacji zostana przekazane
  potomstwu dziedziczne skutki.

15
Skutki malych dawek

• Skutki malych dawek (mniejszych od ok. 200
  mSv) dla organizmów zywych sa trudne do
  oszacowania bo
• Nie powoduja ostrych, natychmiastowych objawów
• Moga uwidaczniac sie po wielu latach a wiec
  wymagaja dlugoletnich badan
• Choroby przez nie wywolywane moga pojawiac sie
  takze w wyniku innych czynników wiec przy
  poszukiwaniu niekorzystnych skutków
  napromieniowania malymi dawkami nalezy
  uwzgledniac takze inne przyczyny chorób
• Skutki malych dawek moga przez synergetyczne
  dzialanie wzmacniac (lub oslabiac) skutki
  dzialania innych czynników
• Badania powinny uwzgledniac wszystkie istotne
  czynniki a wiec opierac sie na próbach o duzej
  liczebnosci

16
Hipotezy dotyczace skutków malych dawek

• Najwazniejszymi hipotezami zachowania sie
  organizmów zywych przy napromieniowaniu malymi
  dawkami sa
• LINIOWA, BEZPROGOWA HIPOTEZA
• HIPOTEZA HORMEZY RADIACYJNEJ

17
Liniowa bezprogowa hipoteza

• Komitet UNSCEAR, zaproponowal w 1958 r.
  stosowanie liniowej, bezprogowej hipotezy (linear
  no-threshold theory - LNT).
• Zgodnie z ta hipoteza
• Efekty malych dawek promieniowania moga byc
  oszacowane przez liniowa ekstrapolacje efektów
  obserwowanych przy duzych dawkach.
• Nie ma zadnej bezpiecznej dawki promieniowania
  poniewaz nawet bardzo male dawki promieniowania
  jonizujacego wywoluja pewien biologiczny skutek
• W 1959 Miedzynarodowa Komisja Ochrony
  Radiologicznej (The international Commission on
  Radiation Rrotection  (ICRP) przyjela jako
  obowiazujaca liniowa, bezprogowa hipoteze.

18
Zalety stosowania liniowej hipotezy

• Daje prosty przepis na oszacowanie skutków
  niewielkich dawek promieniowania, które trudno
  bada sie doswiadczalnie, na podstawie latwo
  obserwowalnych skutków duzych dawek.
• Daje pesymistyczny a wiec najbardziej bezpieczny
  sposób szacowania dozwolonych dawek w ochronie
  radiologicznej w typowych sytuacjach, gdzie
  wystepuja niewielkie dawki promieniowania

19
Wady stosowania liniowej hipotezy

• Arbitralnie zaklada, ze nie ma bezpiecznej dla
  zdrowia dawki promieniowania a wiec wprowadza
  alergiczne odczucia spoleczne zwiazane z
  wszelkimi dzialaniami wykorzystujacymi
  promieniowanie (nie tylko z energetyka jadrowa)
  radiofobia
• Na przyklad
• sugeruje, ze niebezpieczna jest (a wiec nalezy
  jej unikac)
• Radiacyjna diagnostyka medyczna, np. mammografia,
  tomografia komputerowa, zdjecia rentgenowskie
  itd.
• Radiacyjna terapia nowotworów, np. chorób
  tarczycy jodem 131I, itd
• Sugeruje, ze nalezy dazyc do minimalizacji
  naturalnego tla promieniowania, np. budujac
  specjalne, kosztowne fundamenty domów aby
  uniknac tla od radonu wydostajacego sie z podloza
• Sugeruje stosowanie bardzo kosztownych,
  wysrubowanych norm ochrony radiologicznej
• Moze prowadzic do zlych decyzji zamiast
  wysiedlania kilkudziesieciu tysiecy osób po
  awarii w Czarnobylu wysiedlono niepotrzebnie ok.
  400 tysiecy

20
Hormeza

• Slowo hormeza pochodzi od greckiego hormaein,
  tzn. pobudzac
• Przez hormeze rozumie sie pozytywne dzialanie
  czynnika wystepujacego w malej ilosci, które nie
  moze byc ekstrapolowane ze szkodliwego dzialania
  tegoz czynnika, gdy wystepuje on w duzej ilosci
  (trucizna lekarstwo)
• Hormeza radiacyjna to hipoteza, która glosi, ze
  niewielkie dawki promieniowania jonizujacego sa
  korzystne dla zdrowia i wzmacniaja organizm
  przeciwko niekorzystnym skutkom duzych dawek
  promieniowania (pewna analogia szczepien
  ochronnych)
• W 1994 roku komitet UNSCEAR (z polskiej
  inicjatywy) oglosil opracowania, w których
  zaczeto oficjalnie dyskutowac mozliwosc
  prawdziwosci tej hipotezy (Report UNSCEAR 1994,
  Annex B Adaptive responses to radiation in
  cells and organisms )

21
Hormeza
Z. Jaworowski Wiedza i Zycie, 1997/3 20-29
Dobroczynne promieniowanie,

• Male dawki (pomiedzy D i T) poprawiaja stan
  zdrowia (kolor jasnopomaranczowy)
• Dawki wyzsze od T powoduja skutki
  szkodliwe.
• N oznacza srednia dawke naturalnego
  promieniowania jonizujacego.

22
Czasowy przebieg efektu hormezy
L. Dobrzynski http//www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia
/matedu/hormeza.pdf

23
Argumenty za hormeza radiacyjna

• Nie obserwuje sie wzrostu liczby zachorowan na
  choroby, które moga byc wywolane promieniowaniem
  w krajach i dzielnicach gdzie poziom naturalnego
  promieniowania jest wyraznie wyzszy
• od sredniej swiatowej,
• np. w czesci stanu Kerala w Indiach, gdzie dawka
  roczna wynosi ok. 28.5 mSv/rok ( 12 razy wiecej
  niz srednia na calej Ziemi)
• podobnie jak w miejscowosci Ramsar w Iranie,
  która jest rekordzistka jezeli chodzi o
  wysokosc dawki naturalnego promieniowania 240
  mSv/rok (dawka 100 razy wyzsza od sredniej).
• ? Organizmy zywe musza dysponowac pewnym
  mechanizmem obronnym, adaptacyjnym
• Mieszkancy Hiroshimy i Nagasaki napromieniowani
  dawkami mniejszymi od 200 mSv podczas wybuchów
  bomb atomowych w 1945 r. nie zachorowali w
  nastepnych latach na choroby nowotworowe czesciej
  niz osoby nie napromieniowane.
• Co wiecej osoby, które w czasie wybuchu mialy 50
  i wiecej lat zyly dluzej niz ich rówiesnicy nie
  napromieniowani
• ? Sugeruje to istnienie dobroczynnego efektu
  malych dawek promieniowania wzmacniania sil
  obronnych organizmu

24
Argumenty za hormeza c.d.

• Dodatkowe wzgledne ryzyko zachorowania na
  bialaczki (z wyjatkiem CLL chronic lymphotic
  leukemia, o której wiadomo, ze nie jest wynikiem
  napromieniowania) badano u 96 000 pracowników
  przemyslu jadrowego w USA, W. Brytanii i
  Kanadzie E.Cardis et al., Rad. Res. 142 (1995)
  117.
• Wyniki wskazuja, ze dla dawek lt 200 mSv nie ma
  wzrostu ryzyka zachorowan a dla dawek ok. 50 mSv
  wystepuje nawet zmniejszenie ryzyka zachorowan

25
Argumenty za hormeza c.d. (2)

• Przeprowadzone w 1994 r. badania personelu
  armii amerykanskiej pokazaly, ze u 6500
  techników, którzy otrzymali dawke 500 mSv
  podczas dwuletniej pracy podczas II Wojny
  Swiatowej, nie widac - po uplywie 29 lat -
  wzrastajacej liczby zachorowan w porównaniu z
  technikami medycznymi, farmaceutycznymi i
  laboratoryjnymi zatrudnionymi w armii.
• Podobnie, u 100 000 kobiet - techników
  radiologów zatrudnionych w armii od 1929 roku,
  nie stwierdzono podwyzszonej
  zapadalnosci na raka piersi, bez wzgledu
  na prace w radioterapii, z radioizotopami,
  czy fluoroskopia
• W Rosji, po eksplozji (termicznej)
  odpadów jadrowych (w zakladach produkcji
  broni jadrowej MAJAK na Uralu) w 1957 r.,
  ewakuowano 10 000 ludzi z 22 wsi. 7 852 z nich
  bylo poddanych badaniom przez kolejne 30 lat.
  Okazalo sie, ze w grupach, które
  otrzymaly dawke 500 mGy bylo o 28
  mniej nowotworów, w grupie 120 mGy o 39
  mniej , a w grupie 40 mGy o 27 mniej niz w
  grupie kontrolnej z tego samego obszaru, która
  nie byla napromieniona.

26
Argumenty za hormeza (3)

• Porównanie przezywalnosci 23 pacjentów
  chorych na bialaczki i naswietlonych malymi
  dawkami promieniowania na cale cialo lub polowe
  ciala (górna krzywa) oraz
• Przezywalnosci 94 pacjentów chorych na
  analogiczne schorzenia lecz NIE napromieniowanych
  (dolna krzywa)
• Efekt hormetyczny jest tak duzy, ze trudno
  go zlekcewazyc nawet biorac pod uwage mala
  statystyke

K.Sakamoto, "Tumor Radiotherapy by the
Combined Methods of Total Body Irradiation
and Local Irradiation", ICONE-7, The Seventh
International Conference on Nuclear Engineering
Special Symposium "Radiation Health Effects
Applying Data to Standards". Tokyo (1999) 50-51
27
Reakcje zwolenników obu hipotez

• Przyjecie lub odrzucenie jednej z tych hipotez
  moze miec wazne skutki praktyczne (w tym
  finansowe) i naukowe
• Chyba dlatego zwolennicy obu hipotez czesto
  podchodza bardzo emocjonalnie do wyników badan i
  zarzucaja sobie wzajemnie niekompetentna lub
  nieuczciwa interpretacje otrzymanych wyników
  polegajaca na
• Wybieraniu faktów swiadczacych za wybrana
  hipoteza przy równoczesnym pomijaniu faktów
  przeczacych tej hipotezie
• Wnioskowaniu opartym o nieznaczace statystycznie
  próby
• Pomijaniu innych czynników, które moga byc
  odpowiedzialne za obserwowany efekt zgodny z
  udowadniana hipoteza
• Zaniedbywanie wspóldzialania róznych efektów

28
Wnioski z liniowej, bezprogowej hipotezy

• O ile liniowa bezprogowa ekstrapolacja skutków
  fizycznych duzych dawek (czyli liczby wzbudzonych
  i/lub zjonizowanych atomów) do skutków fizycznych
  malych dawek wydaje sie rozsadna to taka
  ekstrapolacja biologicznych skutków oznacza brak
  skutecznej reakcji adaptacyjnej zywych organizmów
  na promieniowanie jadrowe nawet dla najmniejszych
  dawek.
• Jest to co najmniej dziwne w swietle tego, ze
  organizmy zywe powstaly i rozwijaly sie caly czas
  w obecnosci naturalnego tla promieniowania.
• Oznaczaloby to, ze wszystkie organizmy zywe
  choruja przez caly czas swojego istnienia.
  Otrzymujemy niezwykla definicje zycia (jak w
  filmie K. Zanussiego) Zycie to smiertelna
  choroba

29
Podsumowanie

• Obecnosc reakcji adaptacyjnej zywych organizmów,
  prowadzacej do hormezy radiacyjnej wydaje sie
  latwiejsze do zaakceptowania gdyz znana jest
  reakcja zywych organizmów na swiatlo sloneczne
  Opalanie sie w duzych dawkach moze byc
  szkodliwe podczas gdy w malych dawkach jest
  korzystne dla organizmu a dodatkowo uodparnia na
  dzialanie wiekszych dawek swiatla slonecznego.
• Z pewnoscia niezbedne sa dalsze, intensywne
  badania, które doprowadzilyby do jednoznacznych
  wniosków i do zrozumienia mechanizmów
  biologicznych wystepujacych przy naswietlaniu
  malymi dawkami promieniowania.
• Jest to bardzo wazne nie tylko ze wzgledów
  poznawczych ale ma istotne znaczenie dla
  efektywnego podejmowania decyzji dotyczacych
  wszelkich zastosowan promieniowania jadrowego i
  metod fizyki jadrowej w energetyce, technice i
  medycynie.

30
Plus ratio quam vis

• DZIEKUJE
• ZA
• UWAGE

31
Fukushima preliminary report May 2012

• Among questions the report will address
  about the March 2011 Fukushima accident are
• how much radioactive material was released and
  what was its composition?
• how was it dispersed over land and sea, what were
  the radionuclides and where are the hotspots?
• how does the accident compare with accidents at
  Chernobyl, in 1986, Three Mile Island in the
  United States, in 1979 and the 1957 Windscale
  Fire in the United Kingdom?
• what were the key pathways and the levels of the
  exposure of the public and workers and who among
  them is most at risk?
• what are the effects on the environment and on
  foodstuffs?
• what is the likely impact on human health and the
  environment?