Radiobiologie
Radiobiologie is het interdisciplinaire gebied van wetenschap dat de gevolgen van ioniserende en niet-ioniserende straling op biologische weefsels bestudeert. Het gaat daarbij om het hele elektromagnetische spectrum, van radioactiviteit, röntgenstraling, ultraviolette straling, zichtbaar licht, microgolven tot radiogolven. Dat kan ook straling met een lage frequentie zijn, straling als gevolg van wisselstroom, maar ook ultrageluid en warmtestraling. Het vakgebied werd door Louis Harold Gray begonnen.
Ioniserende straling
[bewerken | brontekst bewerken]
Zie Ioniserende 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 en medische wetenschappen voor de bestrijding van kanker en thyreotoxicose.[1]
Ioniserende straling beschadigt het DNA en veroorzaakt daarin mutaties.[2] De levende somatische cel kan daardoor muteren, wat tot haar dood kan leiden of wat aanleiding kan geven tot kanker. Ook de geslachtscellen kunnen muteren, wat betekent dat blootstelling aan straling gevolgen kan hebben voor de vruchtbaarheid of de oorzaak kan zijn van erfelijke 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, de kosmische straling. Zo'n 90% van de straling die organismen ontvangen is van natuurlijke aard. De rest komt bij de mens voort uit therapeutische behandelingen, werken in kerncentrales en in het verleden uit het testen van nucleaire wapens.
Niet-ioniserende straling
[bewerken | brontekst bewerken]De grotere golflengtes van niet-ioniserende straling bezitten minder energie per kwantum en zouden geen chemische veranderingen van betekenis in de atomen of moleculen van het medium of de cellen 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 bij mobiele telefoons, radar, infrarood, radiogolven, microgolven, zichtbaar licht en ultrageluid 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 verre UV-straling zich net zoals X- en gammastraling ioniserend kan gedragen.
Mechanisme en effecten
[bewerken | brontekst bewerken]
Bij bestraling van cellen 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 het celmembraan, wat ook kan leiden tot celdood.
Cellen kunnen door twee mechanismen geïoniseerd worden, door directe ionisatie of door indirecte ionisatie. Directe ionisatie wordt veroorzaakt door alfa en bètadeeltjes. 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 of atoom geëxciteerd. Dit kunnen watermoleculen of andere deeltjes zijn. Deze vrije 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 een ionisatie- 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 de histonen in de celkern betrokken zijn.
DNA wordt ook gerepareerd, maar wanneer dit niet of nauwelijks gebeurt ontstaat er schade aan de chromosomen. Straling beïnvloedt het paren vormen van de basen en dus ook transcriptie en gen-expressie. Schade aan de cromatiden wordt zichtbaar in de karyotypering.
Radiotherapie
[bewerken | brontekst bewerken] Zie Radiotherapie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Bij bestraling van een tumor 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 door mitotische 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 overlevende tumorstamcellen 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
[bewerken | brontekst bewerken]Kanker ontwikkelt zich over een lange periode. Dit is vastgesteld met schattingen die gemaakt zijn op basis van Life Span Studies (LSS); levensloop studies) van de overlevenden van de A-bom. De straling bleek effect te kunnen hebben op genen als tumor suppressorgenen en oncogenen 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.
Stralingsrisico's
[bewerken | brontekst bewerken]
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 de ramp in Tsjernobyl, voor populaties bij de Techa-rivier, en voor besmetting van grote gebieden door kernwapenproeven, bijvoorbeeld op de Marshalleilanden en bij de testlocatie Semipalatinsk. Deze kunnen worden uitgevoerd met biologische dosimetrietechnieken, zoals gedaan is bijvoorbeeld bij de liquidatoren na de ramp in Tsjernobyl. De beste en meest gebruikte methoden maken gebruik van de beoordeling van instabiele of stabiele chromosoomafwijkingen.
De beste methode voor biologische dosimetrie, die zich bij veel ongevallen heeft bewezen, is het bepalen van de frequentie van instabiele chromosoomafwijkingen in gestimuleerde bloedlymfocyten. De methode is goed gestandaardiseerd: rustende lymfocyten worden gestimuleerd te prolifereren. Na 48 uur incubatie bij 37 °C worden cellen die de mitose ingaan, in de metafase gestopt door toevoeging van colchicine. Op deze manier kan vervolgens het karyotype 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 0,3 Gy worden aangenomen. Na een dosis van 3 Gy is er gemiddeld één dicentrisch chromosoom te vinden in elke metafase.
Zie ook
[bewerken | brontekst bewerken]Bronnen
- Radiation Biology: A Handbook for Teachers and Students, International Atomic Energy Agency, Vienna 2010
Referenties
- ↑ (en) Radiobiology and Molecular Imaging. Institut Curie. Geraadpleegd op 25 september 2025.
- ↑ (fr) La radiobiologie. www.radiotherapie-hegp.fr. Geraadpleegd op 25 september 2025.
- ↑ (en) Suntharalingam, Nagalingam, Podgorsak E., Hendry J. (1 mei 2003). Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students. International Atomic Energy Agency, p. 399-400.
· 
· 