Войти
. В радиобиологии, относительная биологическая эффективность (часто сокращенно RBE ) представляет собой отношение биологической эффективности одного типа ионизирующего излучения по отношению к другому при таком же количестве поглощенной энергии. ОБЭ - это эмпирическое значение, которое варьируется в зависимости от типа ионизирующего излучения, задействованной энергии, рассматриваемых биологических эффектов, таких как гибель клеток, и напряжения кислорода в тканях или так называемого кислородного эффекта.
поглощенная доза может быть плохим индикатором биологического эффекта излучения, поскольку биологический эффект может зависеть от многих других факторов. факторов, включая тип излучения, энергию и тип ткани. Относительная биологическая эффективность может помочь лучше измерить биологический эффект излучения. Относительная биологическая эффективность излучения типа R на ткань определяется как отношение
где D X - эталонная поглощенная доза излучения стандартного типа X, а D R - поглощенная доза излучения типа R, которая вызывает такое же количество биологического повреждения. Обе дозы количественно выражаются количеством энергии, поглощенной клетками.
Различные типы излучения имеют разную биологическую эффективность, главным образом потому, что они по-разному передают свою энергию тканям. Фотоны и бета-частицы имеют низкий коэффициент линейной передачи энергии (LET), что означает, что они ионизируют атомы в ткани, которые находятся на расстоянии нескольких сотен нанометров (несколько десятых микрометр ) друг от друга вдоль их 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 (то есть менее одной тысячной типичного расстояния между ионизацией для фотонов и бета-частиц)..
ОБЭ можно использовать либо для лечения рака / наследственных рисков (стохастический ), либо для вредных тканевых реакций (детерминированный ). У тканей разные ОБЭ в зависимости от типа эффекта. Для излучения с высокой ЛПЭ (т.е. альфа-альфа и нейтронов) ОБЭ для детерминированных эффектов обычно ниже, чем для стохастических эффектов.
Концепция ОБЭ актуальна в медицине, например, в радиологии и радиотерапия, а также к оценке рисков и последствий радиоактивного заражения в различных контекстах, таких как атомная электростанция, эксплуатация, ядерное топливо утилизация и переработка, ядерное оружие, добыча урана и ионизирующая радиационная безопасность.
Защитные дозы МКРЗ в Единицы СИ Для целей расчета эквивалентной дозы для органа или ткани Международная комиссия по радиологической защите (ICRP) определила стандартный набор излучения. весовые коэффициенты (WR), ранее называвшиеся коэффициентом качества (Q). Весовые коэффициенты излучения преобразуют поглощенную дозу (измеренную в единицах СИ грей или не-СИ рад ) в формальную биологическую эквивалентную дозу для лучевая нагрузка (измеряется в единицах зиверт или бэр ). Однако МКРЗ заявляет:
«Эквивалентная доза и эффективная доза не должны использоваться для количественной оценки более высоких доз радиации или для принятия решений о необходимости любого лечения, связанного с тканевыми реакциями [т.е. детерминированными эффектами]. для таких целей дозы следует оценивать с точки зрения поглощенной дозы (в серых тонах, Гр), а если речь идет о излучениях с высокой ЛПЭ (например, нейтроны или альфа-частицы), следует использовать поглощенную дозу, взвешенную с соответствующей ОБЭ "
Весовые коэффициенты излучения в значительной степени основаны на ОБЭ излучения для стохастических рисков для здоровья. Однако для простоты весовые коэффициенты излучения не зависят от типа ткани, и значения консервативно выбраны 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 ICRP 2007 приведены ниже. Чем выше весовой коэффициент излучения для типа излучения, тем он более опасен, и это учитывается при расчетах для преобразования единиц серого в зиверт.
Весовой коэффициент излучения для нейтронов был пересмотрен с течением времени и остается спорным. | Излучение | Энергия W R (ранее Q) |
|---|---|
| рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы, мюоны | 1 |
| нейтроны (< 1 MeV) | 2,5 + 18,2e |
| нейтроны (1-50 МэВ) | 5,0 + 17,0e |
| нейтроны (>50 МэВ) | 2,5 + 3,25e |
| протоны, заряженные пионы | 2 |
| альфа-частицы, продукты ядерного деления, тяжелые ядра | 20 |
Не следует путать весовые коэффициенты излучения, которые переходят от физической энергии к биологическому эффекту. с весовыми коэффициентами ткани. Весовые коэффициенты ткани используются для преобразования эквивалентной дозы для данной ткани в организме в эффективную дозу, число, которое обеспечивает оценку общей опасности для всего организма в результате дозы облучения части тела.
Предел LD-30 для линии клеток CHO-K1, облученных фотонами (синий кривой) и ионами углерода (красная кривая). Обычно оценка Относительную биологическую эффективность определяют на различных типах живых клеток, выращенных в культуральной среде, включая прокариотические клетки, такие как бактерии, простые эукариотические клетки такие как одноклеточные растения и развитые эукариотические клетки, полученные от организмов, таких как крысы. Дозы доводят до точки LD-30; то есть до количества, которое приведет к тому, что 30% клеток станут неспособными подвергнуться митотическому делению (или, для бактерий, бинарному делению ), таким образом, будут эффективно стерилизованы - 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 на самом деле являются 1 серый для ионов углерода и 3 серых для фотонов.
Типы R ионизирующего излучения, наиболее рассматриваемые при оценке ОБЭ, - это рентгеновское излучение и гамма-излучение (оба состоят из фотонов ), альфа-излучения (ядра гелия-4 ), бета-излучение (электроны и позитроны ), нейтрон радиации, и тяжелых ядер, включая осколки ядерного деления. Для некоторых видов излучения ОБЭ сильно зависит от энергии отдельных частиц.
Ранее было обнаружено, что рентгеновские лучи, гамма-лучи и бета-излучение практически эквивалентны для всех типов клеток. Следовательно, стандартным типом излучения X обычно является рентгеновский луч с фотонами 250 кэВ или гамма-лучами кобальта-60. 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 меняется в зависимости от типа ткани и точное место поглощения внутри клетки. Так, например, ОБЭ для альфа-излучения составляет 2–3 при измерении на бактериях, 4–6 для простых эукариотических клеток и 6–8 для высшие эукариотические клетки. Согласно одному источнику, для овоцитов он может быть намного выше (6500 с рентгеновскими снимками). ОБЭ нейтронов составляет 4–6 для бактерий, 8–12 для простых эукариотических клеток и 12–16 для высших эукариотических клеток.
В ранних экспериментах все источники излучения были внешними по отношению к облученным клеткам. 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 воздействие загрязнения альфа-излучателями на здоровье могло быть существенно недооценено. Измерения ОБЭ с внешними источниками также не учитывают ионизацию, вызванную отдачей родительского ядра из-за альфа-распада. Хотя отдача родительского ядра распадающегося атома обычно несет только около 2% энергии альфа-частицы, испускаемой распадающимся атомом, ее диапазон чрезвычайно мал (около 2–3 ангстрем) из-за ее высокий электрический заряд и большая масса. От родительского ядра требуется отдача при испускании альфа-частицы с дискретной кинетической энергией из-за сохранения 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. Большая часть исследований с использованием источников, внешних по отношению к клетке, дала ОБЭ от 10 до 20.
В 1931 году Файлла и Хеншоу сообщили об определении относительной биологической эффективности ( ОБЭ) рентгеновских и γ-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 переданной 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 и энергетического спектра излучения, так и от вида живой ткани. Первые систематические эксперименты по определению ОБЭ были проведены в то десятилетие.
