PHÓNG XẠ SINH HỌC

Chương 9 PHÓNG XẠ SINH HỌC I. Các nguồn tia phóng xạ Trong tự nhiên, tia phóng xạ được chia thành hai loại sau: - Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn (λ<10 oA ) gồm tia Roentgen (hay còn gọi là tia X) và tia gamma (γ). - Tia phóng xạ có bản chất là hạt như hạt anpha (α), proton (p), notron (n), dòng điện tử (e-), dòng pozitron (e+)... Nguyên tố hoá học được ký hiệu , trong X là nguyên tố hoá học, A là số khối bằng tổng của proton (p) và notron (n) có trong hạt nhân nguyên tử (A=p+n) còn Z là nguyên tử số bằng số proton và xác định điện tích dương của hạt nhân. Trong bảng tuần hoàn Mendeleev các hạt nhân có nhiều hơn 126 notron và nguyên tử số lớn hơn 82 thì đều là những nguyên tố phóng xạ. Có 4 họ phóng xạ là Thôri XAZ ( ),Th23290 Urani ( ),U23892 Urani ( ),U23592 Neptuni ( )Np23793 . 1. Tia phóng xạ có bản chất là sóng điện từ 1.1. Tia Roentgen Tia Roentgen có λ<10 , được hình thành từ ống phóng Roentgen (hình 9.1). oA 2 Chân không cao Thủy tinh đặc biệt 50→100KV A K 1 • • • • • • Hình 9.1: Ống phóng Roentgen A: Anốt (cực dương); K: Katốt (cực âm). 1: Các điện tử; 2: Tia Roentgen được phát ra. Khi Katốt được đốt nóng và dưới tác dụng của điện trường từ nguồn điện cực lớn 100KV, các điện tử sẽ thoát ra khỏi Katốt và "bay" cực nhanh về hướng cực Anốt. Khi điện tử đập vào Anốt, nó sẽ bị dừng lại một cách đột ngột và nhường phần lớn năng lượng cho các điện tử của nguyên tử chất làm cực Anốt. Khi đó các điện tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao (gọi là E2) khi trở về trạng thái ban đầu có mức năng lượng thấp (gọi là Eo) sẽ phát ra tia Roentgen có tần số: h EE o2 −=γ (9.1) (h: hằng số Planck) Khi đó tia Rơnghen sẽ có năng lượng: E = h.γ (9.2) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ = λγ C C: Vận tốc ánh sáng và λ là bước sóng ánh sáng. Khi điện tử đập vào Anốt chỉ có 0,2% năng lượng phát ra tia Roentgen còn 99,8% năng lượng chuyển thành nhiệt, đốt nóng Anốt. Ống phóng tia Roentgen hoạt động dưới điện áp 400KV, phát ra tia Roentgen có bước sóng ngắn nhất là 0,03 còn trung bình là 0,06 . o A o A 1.2. Tia gamma (γ) Tia gamma có λ<1 , được phát ra do sự phân rã của hạt nhân nguyên tử Coban thành nguyên tử Niken theo phản ứng sau: o A 60Co→ 60Ni+γ1+γ2 Tia γ1: Có năng lượng 1,17MeV (Mega electron Vôn) Tia γ2: Có năng lượng 1,33 MeV ( 1 MeV = 106 eV ) 2. Tia phóng xạ có bản chất là hạt 2.1. Tia anpha (α) Tia α được phát ra do sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử Radi (Ra) thành nguyên tử Radon (Rn) và phát ra tia α theo phản ứng: +→ RnRa 2228622688 phát ra hạt α Hạt α chính là hạt nhân nguyên tử Heli ( )He42 . Thông thường mỗi nguyên tố phóng xạ phát ra hạt α có một mức năng lượng xác định. Song cũng có trường hợp nguyên tố phóng xạ phát ra hai loại tia α có năng lượng khác nhau. Như ví dụ trên, sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử sẽ phát ra tia α có E=4,77MeV chiếm 94,3% và E=4,59MeV (Mega electron Vôn) chiếm 5,7%. RnRa 22286 226 88 → Hạt α mang điện tích dương nên có khả năng ion hóa cao nhưng nó lại có khối lượng tương đối lớn nên khả năng xuyên sâu yếu. Trong không khí, hạt α có năng lượng từ 4→10MeV, quãng đường đi của hạt α chỉ đạt từ 3→5cm. Vận tốc của hạt α có thể đạt tới 3 vạn km/giây. 2.2. Tia bêta (β) Có hai loại: - Bêta âm (β-): Khi hạt nhân nguyên tử thừa notron, nó sẽ chuyển về trạng thái ổn định bằng cách chuyển notron thành proton và phát ra điện tử (goi là bêta âm) và notrino (γ) là một thể trung hòa điện, có năng lượng rất thấp. Phản ứng xảy ra như sau: n→p+e-+γ Ví dụ: Sự phân rã của phốtpho ( )P3215 thành lưu huỳnh ( )S3216 sẽ phát ra tia bêta âm theo phản ứng: −+→ eSP 32163215 Điện tử (e-) phát ra có năng lượng cực đại Emax=1,7MeV. Trên thực tế để tính năng lượng trong phân rã β- người ta qui ước lấy giá trị năng lượng trung bình ( )E bằng 3 1 năng lượng cực đại. Trong ví dụ trên ta có E = 3 1 .1,7MeV≈0,57MeV. Điện tử mang điện tích âm và chuyển động với vận tốc 3 vạn km/giây. - Phân rã bêta dương (β+): Khi hạt nhân nguyên tử thừa proton, nó sẽ chuyển về trạng thái ổn định bằng cách chuyển proton thành notron và phát ra pozitron (e+), gọi là phân rã bêta dương kèm theo thể notrino (γ) theo phản ứng: p→ n + e+ + γ Ví dụ: Sự phân rã của phốtpho ( )P3015 thành Silic ( )Si3014 sẽ phát ra tia bêta dương theo phản ứng: γ++→ +eSiP 30143015 Pozitron có khối lượng bằng khối lượng điện tử và mang điện tích dương. So với điện tử thì pozitron rất không bền, nó rất dễ kết hợp với điện tử (gọi là sự hủy cặp) và phát ra hai lượng tử gamma có năng lượng 0,51MeV. 2.3.Proton (p) Năm 1919, Rutherford phát hiện ra hiện tượng hạt α đi qua môi trường không khí đã làm xuất hiện hạt proton theo phản ứng: )proton(pON 178 14 7 +→+α Proton chính là hạt nhân của nguyên tử hydro (H+), mang điện tích dương. 2.4.Notron (n) Notron và proton là thành phần cấu trúc nên hạt nhân nguyên tử. Notron là thể trung hòa điện (tức không mang điện tích) và có khối lượng xấp xỉ bằng khối lượng của proton. Nguồn notron thu được khi dùng hạt α bắn phá các nguyên tử nhẹ như Bery ( )Be94 theo phản ứng: )notron(nCBe 126 9 4 +→+α Các hạt notron có E đạt vài MeV gọi là notron nhanh, E nằm trong khoảng 10KeV→500KeV gọi là notron trung gian, E<10KeV gọi là notron chậm còn E=0,025eV gọi là notron nhiệt (thường bị hấp thụ). 3. Những đơn vị đo lường cơ bản - Đơn vị Roentgen (ký hiệu là R): Roentgen là liều chiếu tia Roentgen hay gamma, tạo ra được 2,08.109 cặp ion trong 1cm3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn (p=1at, to=0oC) hay tạo ra được 1,61.1012 cặp ion trong 1gam không khí cũng ở điều kiện tiêu chuẩn. Ngoài ra còn dùng đơn vị Culông trên kg (C/kg) với công thức qui đổi 1C/kg không khí = 3876R. - Liều hấp thụ phóng xạ (Radiation absorbed dose: Ký hiệu là Rad): Rad dùng để tính liều hấp thụ đối với tất cả các tia phóng xạ. Rad là liều hấp thụ 100ec bởi 1 gam vật chất khi bị chiếu bởi bất kỳ tia phóng xạ nào. Công thức qui đổi: 1ec=0,625.1012eV - Đơn vị Gray (ký hiệu là Gy): Gray là liều hấp thụ 1J/kg môi trường vật chất khi bị chiếu bất kỳ tia phóng xạ nào. Công thức qui đổi: 1Gy=100Rad - Liều tương đương: Cùng một năng lượng hấp thụ như nhau nhưng lại chiếu các tia phóng xạ có bản chất khác nhau thì sẽ gây ra đối với người và động vật có vú những hiệu ứng sinh học khác nhau. Nguyên nhân là do các tia phóng xạ có hiệu ứng sinh học tương đối (HUSHTĐ) như sau: Tia phóng xạ HUSHTĐ 1. Tia γ hay tia X 1 2. Tia bêta (β) 1 3. Notron chậm và notron nhiệt 5 4. Notron nhanh 10 5. Proton 10 6. Tia anpha (α) 10-20 Đơn vị của liều tương đương là Rem. (Roentgen Equivalent for Man) Rem là liều lượng của bất kỳ tia phóng xạ nào, gây ra hiệu ứng sinh học giống như hiệu ứng sinh học khi ta chiếu tia Roentgen hay gamma với liều lượng là 1 Roentgen. Công thức qui đổi giữa Rem và Rad: Liều chiếu (Rem) = Liều chiếu (Rad) . HUSHTĐ (9.1) Với tia Roentgen hay γ có HUSHTĐ = 1 thì 1Rad=1Rem còn với proton thì 1Rad=10Rem. - Độ phóng xạ: Đơn vị đo độ phóng xạ là Curie (Ci). Curie là độ phóng xạ của một nguồn, trong một giây có 3,7.1010 hạt nhân nguyên tử bị phân rã. Đơn vị nhỏ hơn là mili Curie (1mCi=10-3Ci) và micro Curie (1μCi=10-6Ci). II. Tương tác của tia Roentgen và tia γ đối với vật chất Tùy theo mức năng lượng của tia mà nó tương tác với vật chất theo 1 trong 3 hiệu ứng sau: hγ Photon e- Quang điện tử e- Nguyên tử vật chất Hình 9.2: Hiệu ứng quang điện 1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng chủ yếu xảy ra đối với tia X và γ có năng lượng từ 0,01→0,1MeV. Vì photon có năng lượng thấp nên không thể xuyên sâu mà chỉ va chạm với điện tử (e-) ở vành ngoài. Photon đã truyền toàn bộ năng lượng cho điện tử và đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó để trở thành điện tử tự do, gọi là quang điện tử. Năng lượng của quang điện tử được xác định: hγ Photon hγ' e - điện tử Compton e- Nguyên tử vật chất E=hγ - Eo (9.2) hγ: Năng lượng của photon E0: Năng lượng cần thiết để đánh bất điện tử ra khỏi vành (theo hình 9.2 thì điện tử ở vành n=2). Quang điện tử có năng lượng lại tiếp tục gây ra sự ion hóa các nguyên tử vật chất khác. Hình 9.3: Hiệu ứng Compton 2. Hiệu ứng Compton Hiệu ứng chủ yếu xảy ra với tia phóng xạ có năng lượng lớn hơn 0,1MeV→5MeV. Do có năng lượng cao hơn so với hiệu ứng quang điện nên photon không những đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó (gọi là điện tử Compton), photon bị mất một phần năng lượng và bị lệch hướng (gọi là tia thứ cấp có năng lượng là hγ'). Điện tử Compton và tia thứ cấp tùy thuộc vào năng lượng mà chúng có, lại tiếp tục gây ra sự ion hóa tiếp theo hay bị mất dần năng lượng trên đường đi của nó. 3. Hiệu ứng tạo cặp electron (e-) và pozitron (e+) Hiệu ứng tạo cặp xảy ra với tia X và tia γ có mức năng lượng E>1,022MeV. Khi đó photon sẽ xuyên sâu vào hạt nhân nguyên tử, đánh bật ra 1 electron (e-) và 1 pozitron (e+). Hai hạt này có khối lượng bằng nhau nhưng mang điện tích trái dấu nên dễ dàng kết hợp với nhau, gây ra sự hủy cặp, giải phóng ra năng lượng E=0,511MeV dưới dạng tia γ. Tia γ được tạo thành lại tiếp tục tương tác với vật chất theo hiệu ứng quang điện hay Compton. hγ Photon e- e+ Nguyên tử vật chất Hình 9.4: Hiệu ứng tạo cặp III. Tác dụng của tia phóng xạ có bản chất hạt đối với vật chất 1. Tương tác của bức xạ α đối với vật chất Khi hạt α đi qua môi trường vật chất nó sẽ tương tác với các nguyên tử của vật chất và đánh bật điện tử ra khỏi nguyên tử. Điện tử bị đánh bật ra mang điện tích âm, gọi là ion âm còn nguyên tử bị mất điện tử nên mang điện tích dương, gọi là ion dương. Đó là hiện tượng ion hóa vật chất. Trong môi trường không khí, năng lượng cần thiết để tạo ra một cặp ion mang điện tích trái dấu là 32,5eV. Một electron vôn (1eV) là năng lượng của một điện tử có được khi qua thế hiệu 1 vôn với khoảng cách giữa hai điện cực là 1 xentimét. Nếu năng lượng của hạt α chưa đủ để đánh bật điện tử ra khỏi quĩ đạo của nó thì hạt α chỉ làm cho điện tử chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, tức là hạt α đã gây ra hiện tượng kích thích điện tử. Quá trình hạt α trực tiếp gây ra hiện tượng ion hóa thì gọi là sự ion hóa trực tiếp còn điện tử sau khi bị đánh bật ra nếu có năng lượng cao lại gây ra sự ion hóa nguyên tử tiếp theo, gọi là sự ion hóa gián tiếp. 2. Tương tác của hạt bêta (β) đối với vật chất Hạt β cũng giống như hạt α, khi va chạm với nguyên tử của vật chất sẽ gây ra hiện tượng ion hóa hoặc hiện tượng kích thích. Khả năng ion hóa của hạt β yếu hơn nhiều so với hạt α vì hạt β có điện tích ít hơn so với hạt α. Ví dụ: Hạt α và hạt β có cùng một mức năng lượng là 1MeV nhưng hạt α tạo ra được 7500 cặp ion trên 1mm đường đi còn hạt β chỉ tạo được 53 cặp ion trên 1Cm đường đi của nó. 3. Tương tác của notron (n) đối với vật chất Hạt notron trung hòa điện nên không có khả năng ion hóa và vì thế nó có thể xuyên qua nhiều lớp vỏ điện tử để tiến đến gần hạt nhân nguyên tử theo 3 kiểu sau đây: - Kiểu khuyếch tán đàn hồi, chủ yếu xảy ra đối với notron trung gian có E=1keV→500keV. Trong khuyếch tán đàn hồi, notron truyền một phần năng lượng cho hạt nhân nguyên tử, sau đó notron bị đổi hướng và năng lượng giảm dần. - Kiểu khuyếch tán không đàn hồi xảy ra đối với notron nhanh có E=1MeV→10MeV. Sau khi tương tác với hạt nhân nguyên tử, làm cho hạt nhân nguyên tử bị kích thích còn bản thân notron cũng bị đổi hướng và năng lượng giảm dần. - Kiểu thâu đoạt notron xảy ra đối với notron nhiệt có E=0,025eV. Khi hạt nhân thâu đoạt notron nó sẽ trở thành hạt nhân mới và ở trạng thái kích thích. Sau đó hạt nhân bị vỡ ra (hay bị phân hạch) thành hai hạt nhân kèm theo sự phát ra hạt notron. IV. Cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống Tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống lần lượt phải trải qua hai giai đoạn sau: - Giai đoạn hóa lý: Giai đoạn này có thời gian tồn tại rất ngắn, từ 10-16 đến 10-6 giây. Trong giai đoạn này các phân tử sinh học chịu sự tác dụng trực tiếp hoặc tác dụng gián tiếp của tia phóng xạ. Thuyết tác dụng trực tiếp cho rằng đối tượng bị chiếu xạ (có thể là cơ thể, mô hay cơ quan, tế bào, phân tử nghiên cứu) sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Thuyết tác dụng gián tiếp lại cho rằng đối tượng bị chiếu xạ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà chúng tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước nên dẫn đến tổn thương hoặc tử vong. Đối với những thí nghiệm invitro thì quan niệm trên dễ phân biệt còn với thí nghiệm invivo, các nhà nghiên cứu lại qui ước: Khi bị chiếu xạ nếu là tác dụng trực tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng. Nếu là tác dụng gián tiếp thì các phân tử hữu cơ sẽ không trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia mà tương tác với các sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước và bị tổn thương cấu trúc nên dẫn đến tổn thương chức năng. Trong giai đoạn hóa lý một số phân tử sinh học quan trọng như enzyme, nucleoprotein đã bị tổn thương, người ta gọi đó là những tổn thương hóa sinh. - Giai đoạn sinh học: Giai đoạn này thường kéo dài từ vài ngày đến hàng chục năm sau khi bị chiếu xạ. Trong giai đoạn sinh học những tổn thương hóa sinh không hồi phục được sẽ kéo theo những tổn thương chuyển hóa, dẫn đến những tổn thương hình thái và chức năng. Có thể tóm tắt cơ chế chung về tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống theo sơ đồ sau: Tác dụng trực tiếp Giai đoạn hóa lý ( )s10 6− Chiếu tia phóng xạ Tác dụng gián tiếp H2O O2 Tạo ion và gốc tự do. Phân tử bị thích thích Tác dụng lên các phân tử sinh học quan trọng và các cơ quan tử của tế bào Giai đoạn sinh học Rối loạn chuyển hóa và chức năng tế bào Gây ra các hiệu ứng sinh học (tổn thương hoặc tử vong) Hình 9.5: Sơ đồ tổng quát về tác dụngáinh học của tia phóng xạ V. Tác dụng hóa học của tia phóng xạ Trong cơ thể sống, nước vừa là môi trường vừa tham gia vào thành phần cấu trúc của tế bào. Ở người, nước chiếm trung bình 65%, cá biệt có mô nước chiếm 85%. Do vậy, khi chiếu tia phóng xạ lên cơ thể sống sẽ gây ra hiện tượng ion hóa các phân tử nước: H2O+hγ→H2O+ + e- Các ion H2O + e-→ H2O- H2O+ → H+ + OHo gốc tự do H2O- → OH- + Ho H2O + hγ → H2O+ + e- → H2O* → Ho + OHo Gốc tự do Ho có thời gian sống ngắn từ 10-6→10-5 giây. Trong thời gian này nó có thể tham gia vào các phản ứng: Ho + Ho → H2 Ho + OHo → H2O Khi có oxy hòa tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng: Ho + O2 → o2HO + → Ho2HO o2HO 2O2 Ho + → Ho2HO 2O2 (hidro peroxit) Hidro peroxit là một độc tố đối với tế bào. Gốc tự do OHo tham gia vào các phản ứng: - Phản ứng oxy hóa: Fe++ + OHo → Fe+++ + OH- - Phản ứng tách nguyên tử hidro ra khỏi phân tử hữu cơ: CH3 - CH2OH + OHo → CH3 - CHOH + H2O - Phá vỡ liên kết đôi: CH2 = CH + OHo → OH - CH2 - CH ⏐ ⏐ CN CN Như vậy, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã xảy ra quá trình phân ly phóng xạ nước dẫn tới hình thành nên các trung tâm hoạt động là những gốc tự do, chúng có khả năng tham gia vào các phản ứng rất cao. Ngoài ra, trong điều kiện có oxy sẽ dẫn tới hình thành nên H2O2 là một độc tố đối với tế bào. VI. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật trên trái đất với mức độ tiến hóa khác nhau thì rất khác nhau. Nhìn chung ở những loài tiến hóa càng cao, sự biệt hóa càng phức tạp thì có độ nhạy cảm phóng xạ càng cao. Để đánh giá độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật, các nhà sinh học phóng xạ đưa vào khái niệm liều bán tử vong (Lethally Dose) ký hiệu là LD50/30 là liều gây chết 50% động vật thí nghiệm trong 30 ngày theo dõi kể từ sau khi bị chiếu xạ. Độ nhạy cảm phóng xạ của sinh vật thể hiện: Loài nào có LD50/30 càng nhỏ thì độ nhạy cảm phóng xạ càng cao còn ngược lại LD50/30 càng lớn thì độ nhạy cảm phóng xạ càng thấp. Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật, xếp theo thứ tự từ cao đến thấp. Bảng 9.1: Độ nhạy cảm phóng xạ của một số sinh vật (từ cao đến thấp) TT Sinh vật LD50/30 1 Người 300R 2 Chó 300R 3 Heo 335R 4 Khỉ 500R 5 Chuột nhắt trắng 550R 6 Chuột cống trắng 600R 7 Thỏ 900R 8 Ếch, nhái, cá 103R 9 Rùa 1500R 10 Rắn 8.103-2.104R 11 Côn trùng 104R - 106R 12 Virus 2.106R Trong cùng một cơ thể, các tế bào và mô cũng có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau. Sau đây là độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào và mô xếp theo thứ tự từ cao đến thấp: 1. Bạch cầu lympho; 2. Hồng cầu non và bạch cầu hạt; 3. Tủy bào; 4. Tế bào mô tinh hoàn, mô ruột non, tế bào trứng, tế bào của các tuyến, tế bào phế nang, tế bào ống dẫn mật; 5. Tế bào mô liên kết; 6. Tế bào thận; 7. Tế bào xương; 8. Tế bào thần kinh; 9. Tế bào não; 10. Tế bào cơ. VII. Các hiệu ứng sinh học liên quan tới sự chiếu xạ 1. Hiệu ứng tích lũy Các sinh vật khi bị chiếu xạ đều thể hiện hiệu ứng tích lũy. Ví dụ: Liều gây tử vong đối với động vật có vú là 103R. Nếu chiếu xạ 5 lần, mỗi lần chiếu 200R thì sau khi chiếu lần thứ 5 động vật đã hấp thụ đủ 103R nên dẫn đến tử vong. Như vậy những tổn thương sau mỗi lần chiếu xạ sinh vật đã không hồi phục được hoàn toàn mà vẫn còn lưu lại nên sau mỗi lần chiếu xạ tổn thương càng nặng thêm, cuối cùng vượt quá giới hạn chịu đựng sẽ dẫn tới tử vong. 2. Hiệu ứng nghịch lý năng lượng Các tia phóng xạ có khả năng gây ra các hiệu ứng sinh học rất lớn ngay cả khi chiếu xạ liều không cao (xét về mặt năng lượng thì có giá trị nhỏ). Ví dụ: Liều gây tử vong cho động vật có vú là 103R, tương đương với 84000ec hay 0,002cal/g, với năng lượng này chỉ đủ tăng nhiệt độ 1 lít nước lên 1oC. Để giải thích hiệu ứng nghịch lý năng lượng, các nhà nghiên cứu đều dựa vào thuyết tác dụng trực tiếp hay thuyết tác dụng gián tiếp. 3. Hiệu ứng pha loãng Khi chiếu xạ liều lượng xác định lên dung dịch enzyme nó thể hiện: Nếu tia phóng xạ tác dụng theo cơ chế trực tiếp với quan niệm một hạt (hay 1 photon) "bắn trúng"một phân tử enzyme sẽ làm cho nó bị mất hoạt tính thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính có liên quan tới nồng độ enzyme lúc ban đầu. Nếu nồng độ loãng thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính ít còn nếu nồng độ cao thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính nhiều. Nếu tia phóng xạ tác dụng theo cơ chế gián tiếp thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính chỉ liên quan tới số lượng gốc tự do được hình thành trong dung dịch mà không liên quan tới nồng độ của enzyme (trừ trường hợp nồng độ enzyme quá loãng hoặc quá cao). Các nhà sinh học phóng xạ đã chiếu xạ vi khuẩn E.Coli ở trạng thái bình thường có nước (đặc trưng cho cơ chế tác dụng gián tiếp) và ở trạng thái khô (đặc trưng cho cơ chế tác dụng trực tiếp), kết quả thu được như sau: Bảng 9.2: Số phân tử sinh học của tế bào E.Coli bị phá hủy khi chiếu xạ. Phân tử sinh học No N1 N2 N1+N2 ADN 2,1.104 48 14 62 ARN 4,2.104 96 28 124 Protein 4,7.106 230 370 600 Lipit 4,1.107 182 43 225 No: Số phân tử trong 1 tế bào. N1: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế gián tiếp. N2: Số phân tử bị phá hủy theo cơ chế trực tiếp. Với kết quả này thì cơ chế tác dụng gián tiếp chiếm ưu thế hơn so với cơ chế tác dụng trực tiếp (tỷ lệ 3 tác dụng gián tiếp: 1 tác dụng trực tiếp). 4. Hiệu ứng oxy Hiệu ứng oxy thể hiện là trong khi đang chiếu xạ, nếu tăng nồng độ oxy thì độ nhạy cảm phóng xạ tăng lên còn nếu giảm nồng độ oxy thì độ nhạy cảm phóng xạ lại giảm xuống. Nếu ta tăng hay giảm nồng độ oxy trước hoặc sau khi chiếu xạ thì độ nhạy cảm phóng xạ sẽ không thay đổi. Ví dụ: Chiếu xạ chuột bạch liều 1200R ở điều kiện oxy chiếm 21% thì chuột chết 100%. Ngược lại, ở điều kiện oxy chiếm 5% nếu vẫn chiếu xạ liều trên thì chuột sống 100%. Ngoài oxy thì oxít Nitơ (NO) cũng làm tăng độ nhạy cảm phóng xạ. Sự tăng độ nhạy cảm phóng xạ khi tăng nồng độ oxy chỉ trong một giới hạn nhất định. Nếu nồng độ oxy tăng quá 20% so với nồng độ bình thường thì độ nhạy cảm phóng xạ không tăng lên nữa. Hiệu ứng oxy thể hiện rõ đối với tia X, tia γ, tia β nhanh còn không thể hiện đối với tia α, tia proton. Gray giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác dụng gián tiếp của tia phóng xạ. Theo Gay, dưới tác dụng của tia phóng xạ đã hình thành nên một số lượng lớn các gốc tự do vô cơ (Ho, OHo) và hữu cơ (Ro). Trong điều kiện chiếu xạ có oxy sẽ hình thành nên các peroxýt vô cơ (H2O2) và hữu cơ (RO2) là những độc tố đã giết chết tế bào. Alecxander lại giải thích hiệu ứng oxy theo cơ chế tác dụng trực tiếp. Khi chiếu xạ chính các phân tử hữu cơ đã trực tiếp hấp thụ năng lượng của tia và hình thành nên các gốc tự do hữu cơ (Ro). Trong điều kiện chiếu xạ có oxy đã tạo thành peroxýt hữu cơ (RO2) là một độc tố đã giết chết tế bào. 5. Hiệu ứng bảo vệ phóng xạ Dayli (1942) tiến hành chiếu tia X lên dung dịch enzyme thấy rằng: Nếu thêm vào dung dịch chất thiourê hay lưu huỳnh thì số lượng phân tử enzyme bị mất hoạt tính sẽ giảm xuống. Baron (1949) phát hiện xistein có khả năng hạn chế tử vong nếu tiêm cho chuột liều từ 950mg→1200mg/kg vào thời điểm 5 phút trước khi chiếu xạ liều 800R. Sau này các nhà khoa học đã tiếp tục phát hiện ra nhiều chất có khả năng giống như xistein và được gọi là những chất bảo vệ phóng xạ. Để đánh giá hiệu lực của các chất bảo vệ phóng xạ (BVPX), các nhà nghiên cứu đã đưa vào yếu tố giảm liều lượng (YTGLL) và được tính theo công thức: LD50/30 (lô sử dụng chất BVPX) YTGLL = LD50/30 (lô không sử dụng chất BVPX) (9.3) LD50/30: Liều gây chết 50% động vật có sử dụng chất BVPX (hay không sử dụng chất BVPX) trong 30 ngày theo dõi sau khi bị chiếu xạ (gọi là liều bán tử vong). Những chất BVPX bao giờ cũng có YTGLL>1. Chất có ký hiệu WR-2721 do Mỹ sản xuất là chất BVPX có YTGLL cao nhất, đạt 2,6. Theo cơ chế tác dụng gián tiếp, các nhà nghiên cứu cho rằng các gốc tự do được hình thành do chiếu xạ dễ dàng phản ứng với các chất BVPX hơn là các phân tử hữu cơ. Chính vì vậy đã bảo vệ được các phân tử sinh học, nên hạn chế được sự tử vong. Theo cơ chế tác dụng trực tiếp, các nhà nghiên cứu lại cho rằng các phân tử sinh học tuy trực tiếp hấp thụ năng lượng tia nhưng lại truyền cho các chất BVPX để trở lại cấu trúc ban đầu nên cũng hạn chế được sự tử vong. Hoặc chất BVPX làm giảm nồng độ oxy trong cơ thể hay giải phóng chất BVPX có sẵn ở trong cơ thể, đều có tác dụng hạn chế sự tử vong. VIII. Các thuyết giải thích cơ chế tổn thương do tác dụng của phóng xạ 1. Thuyết "bia" Thuyết "bia" do Desauer (1922), Crouser (1924) và Lee (1935) đưa ra. Trên cơ sở một số thí nghiệm chiếu xạ dung dịch enzyme, dung dịch tế bào thấy rằng: Ở nồng độ dung dịch vừa phải khi thay đổi liều chiếu xạ từ thấp đến cao thì số phân tử enzyme bị mất hoạt tính cũng tăng lên làm cho đường cong tỷ lệ % sống sót có dạng đường thẳng (hình 9.6). Khi nồng độ dung dịch quá loãng thì các hạt của tia phóng xạ sẽ tương tác với nhau hoặc khi nồng độ dung dịch quá cao làm cho các hạt của tia phóng xạ sẽ va đập lần 2 hay lần 3 với phân tử enzyme đã bị mất hoạt tính (hay tế bào đã chết). Khi đó tỷ lệ % sống sót sẽ có dạng hình chữ S (hình 9.7). % sống sót O 100 Liều chiếu Hình 9.6: Tỷ lệ % sống sót dạng đường thẳng % sống sót O 100 Liều chiếu Hình 9.7: Tỷ lệ % sống sót dạng chữ S Các tác giả cho rằng sự tử vong của tế bào hay là sự mất hoạt tính của enzyme xảy ra khi chiếu xạ là do chỉ cần va chạm một lần giữa hạt của tia phóng xạ với "bia" của tế bào hay phân tử enzyme. Theo các tác giả thì "bia" chính là nhân tế bào hay trung tâm hoạt động của phân tử enzyme. Thuyết "bia" chỉ giải thích được cơ chế tác dụng trực tiếp của tia phóng xạ lên dung dịch enzyme, dung dịch protein, dung dịch ADN... còn không giải thích được hiệu ứng oxy. 2. Thuyết độc tố Dựa trên cơ sở động vật khi bị nhiễm hóa chất độc hại sẽ dẫn tới sự tử vong nên các nhà sinh học phóng xạ cho rằng khi bị chiếu xạ, trong cơ thể đã tạo thành chất độc nào đó và chính độc tố này là nguyên nhân dẫn tới sự tử vong. Thực nghiệm đã xác định trong cơ thể bị chiếu xạ có hình thành độc tố là peroxýt nhưng nó không phải tác nhân đầu tiên mà là sản phẩm của quá trình phân ly phóng xạ nước, được tạo thành ở giai đoạn cuối của quá trình tổn thương phóng xạ. 3. Thuyết giải phóng enzyme Trên cơ sở thí nghiệm hoạt tính enzyme ở tế bào sau khi bị chiếu xạ tăng lên rõ rệt nên Bacq và Alecxander (1952) đã đưa ra thuyết giải phóng enzyme. Khi tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường, nồng độ enzyme ở trong tế bào được kiểm soát theo cơ chế điều hòa cảm ứng. Khi tế bào bị chiếu xạ thì tổn thương trước tiên là màng tế bào, màng nhân và màng các bào quan. Ví dụ: ADNase có ở trong ty thể và lạp thể còn ADN có ở trong nhân nên khi màng nhân và màng ty lạp thể bị tổn thương đã làm tăng phản ứng phân giải ADN. Sau này Duver cho rằng