A nagy energiájú korpuszkuláris és elektromágnenes sugárzások biológiai hatásai más fizikai kórtényezőkhöz hasonlóan - végső soron a biológiai rendszerrel közölt (ill. annak átadott) energiára vezethető vissza. Az energiaközlés e formája azonban az élő anyagban egy rendkívül bonyolult eseménysorozatot indít el, amelynek részfolyamatai egymást követve és különböző ideig hatva az iniciális sugárhatás felerősödését, a sejteket felépítő érzékeny biomolekulák struktúrális és funkcionális károsodását eredményezik. Amennyiben az okozott károsodások meghaladják az élettani folyamatok helyreállítására hivatott védekező rendszerek kapacitását, illetve azok is sérülnek, úgy az ionizáló sugárhatás a biológiai egyed (sejt, stb.) súlyos működési zavarához, megbetegedéséhez, és bizonyos mértéken túl a sugársérült halálához vezethet, ill. vezet. Az elnyelt energia és a biológiai hatások közötti diszkrepanciáért felelős főbb tényezők:

• az energia-abszorpció és az azt követő elemi történések térbeli inhomogenitása

• a sugárzással szemben kitüntetett érzékenységgel bíró, ún. biológiai targetek léte és sejten belüli megoszlása

• a sugárhatást felerősítő (amplifikáló) szabadgyökös mechanizmusok.

Az ionizáló sugárzás biológiai hatásmechanizmusát sematikusan a mellékelt ábra foglalja össze.

A biológiai közegbe hatoló ionizáló sugárzások útjában energiaátadási történések következnek be, melynek következtében a közeg atomjai és molekulái gerjesztett, ill. ionizált állapotba kerülhetnek. Ezen elemi fizikai történések térbeli eloszlása a sugárzás fajtájától függ. A nagy LET-értékű sugárzások (alfa, proton, stb.) nyomvonala egyenes, s a nyomvonal mentén az energia-átadási események sűrűn követik egymást, míg a kis LET-értékűek (rtg, gamma) nyoma zegzugos, szerteágazó, az energiaátadási ese-mények ritkák, s bár sejten belüli eloszlásuk egyenletesebb, azonban korántsem homogén. Vagyis, a fajlagos energiaterhelés még egy átlagos méretű sejtmagon (8 microm) belül is rendkívül inhomogén lehet. A biológiai károsító hatás szempontjából az egyes találatok (elemi történések) térbeli és időbeni közelsége, ill. távolsága bír rendkívül nagy jelentőséggel.

A makromolekulák károsodása két-féle mechanizmussal következhet be. Direkt sugárhatásról beszélünk akkor, ha a sugárenergia elnyelődése és az általa kiváltott elsődleges folyamatok ugyanazon a molekulán következnek be, amelyen a fixálódott szerkezeti és funkcionális változásokat észleljük. Indirekt a sugárhatás akkor, ha az energiaabszorpció és az általa kiváltott hatás különböző molekulákon jön létre, vagyis a sugárzó energia egy másik molekula (többnyire szabadgyökök) közvetítésével tevődik át a biomolekulára. Az indirekt sugárkárosodások kórfejlődésében meghatározó szerepe a vízmolekulák ionizációja (radiolízise) során keletkező szabadgyököknek van. A direkt energiaabszorpció, vagy a szabadgyökös kémiai reakcók következtében átmenetileg a biomolekulák is szabadgyökökké válnak. Ezen instabil intermedierek további reakció(k) során vagy stabilizálódnak, vagy kedvező esetben kijavítódnak. A biomolekulák sugársérülésekor keletkező primer károsodás fixálásában a molekuláris oxigénnek (oxigén effektus), míg az eredeti molekulaszerkezet helyreállításában az enzimatikus repair mellett elsősorban a szabad tiol (SH) vegyületeknek van alapvető szerepe.

A sejtek és szövetek, ill. a szervezet sugársérülését jellemző biológiai történéseket és következményeket, valamint a sugárkárosodás kimutatására alkalmazott hagyományos és újabb diagnosztikus módszereket foglalja össze az 1. táblázat.

A sugárkárosodás legsúlyosabb következményei a sejtosztódás gátlása, a metabolikus funkciók súlyos zavara, és végső fokon a sejtek pusztulása. Eukariótákban a sugárhatás legkritikusabb célpontja a sejtmag, és azon belül is a genetikai kódot hordozó DNS molekula. Számos adat támasztja alá, hogy a proliferáló (gyorsan osztódó) sejt- ill. szövetféleségekre jellemző mitótikus sejthalál (vagyis a sugársérülést követő első sejtosztódáskor, vagy azután bekövetkező sejtelhalás) elsősorban a DNS károsodásának következménye. A DNS mellett a sejt lipidekben gazdag membránrendszerei is az ionizáló sugárzás kitüntetett targetjeinek tekinthetők, és mint ilyenek felelősek egyrészt a kis proliferációs aktivitású sejtekre jellemző interfázisú sejthalálért, másrészt pedig a sugársérült sejteken kialakululó korai szabályozási, ill. metabolikus zavarokért (pl. a prodromális tünetekért felelős vegetatív idegrendszeri izgalmi tünetek).
A sejtpusztulás következménye a szervek, szervrendszerek funkciózavara, ill. súlyosabb esetben funkcionális elégtelensége. A szervi funkciózavarok súlyosságát, a sejtfogyás ütemét a sejtek inherens sugárérzékenységén túlmenően sejtkinetikai tényezők is befolyásolják úm.:

• a szövet, illetve szerv függése valamilyen őssejtkészlettől

• a funkcionáló sejtek élettartama és az elpusztult sejtek pótlásához, vagyis a repopulációhoz szükséges idő.
  

A fentiek alapján elmodható, hogy azok a leginkább sugárérzékeny szövetek, illetve szervek, amelyek fiziológiás működését a gyors sejtkinetika, azaz őssejtkészletük állandó aktivitása biztosítja (pl. vérképzés, bélhám, ivarszervek, embrionális szövetek, bőrhám). A besugárzás utáni túlélés ennek megfelelően a túlélő őssejtek számától, valamint attól függ, hogy a csökkent funkcionáló sejtszámmal a sugárérzékeny szervek képesek-e működésüket megfelelő szinten tartani addig, amíg a repopuláció megtörténik, vagyis a sejtutánpótlás ismét lehetővé válik. A mellékelt ábra a perifériás vérsejtszám-változás besugárzás utáni dózis-idő diagramját mutatja. A főképp magas fokon differenciált, hosszú életű sejtekből álló szervek (idegrendszer, izomzat) jelentősen sugárrezisztensebbek.

A különböző szövetek, szervek, illetve szervrendszerek sugárérzékenységének sorrendjét és a parenchimális hipolázia okát az 1. táblázat tartalmazza:

A sugársérülés tanulmányozásának módszerei:

  A sejtpusztulás, ill. túlélés vizsgálata in vitro sejtkultúrán, vagy in vivo kolóniaképzéssel:

A különböző sejtek sugár-érzékenysége meghatározásának, továbbá a sugárérzékenységet módosító hatások tanulmányozásának alapvető mód-szerei. A besugárzott sejt-tenyészetben, ill. a sugársérült szervezetben túlélő és in vitro osztódásra képes (klonogén) sejteknek a kiindulási sejt-számhoz viszonyított arányát a sugárdózis függvényében grafikusan ábrázolva az ún. sejttúlélési dózis-hatásgörbéket. Az in vivo kolóniapróbák célja szintén a túlélő őssejtek (csontvelői, bélnyálkahártya, bőr, ivar, stb.) számának meghatározása. A nagy LET értékű sugárzások esetén (A) a görbe lefutása egyenes, vagyis a túlélő sejthányad exponenciálisan függ a dózistól. Az ún. D₀ érték a görbe meredekségét jelző azon dózis, amely a klónképző sejtek számát a görbe bármely pontján kijelölt kiindulási érték 1/e-ad (37 %-ára) részére csökkenti. Kis LET értékű sugárzásoknál a görbe egyenes szakaszát egy ún. váll előzi meg (B), s a váll szélességét jellemző látszólagos küszöbdózis (D_q) a D₀ érték mellett a túlélési görbe másik fontos paramétere. Emlős sejtekben a D₀ értéke általában 0,5-2 Gy közé esik, de pl. az ivarsejtek ennél érzékenyebbek.

• A DNS, ill. kromoszóma károsodás kimutatása citogenetikai vizsgálati módszerekkel (kromoszóma aberrációk, mikronukleusz gyakoriság, FISH, comet-assay).
  
  

• A DNS irreverzibilis károsodása morfológiailag különböző kromoszóma aberrációk formájában manifesztálódik, melyek tanulmányozására leginkább a sugárexpoziciót követő első mitózis metafázisa vagy anafázisa alkalmas. A sugárdózis és a kromoszóma aberrációk súlyossága, a károsodott kromoszómák és az egy kromoszómára eső törések száma között lineáris-kvadratikus összefüggés mutatható ki. A perifériás vér limfocitáit véve vizsgálati objektumként - küszöbdózis: 0,2-0,25 Gy - e citogenetikai vizsgálati módszer jelenlegi ismereteink szerint a legérzékenyebb indikátora a sugársérülésnek és mint biológiai doziméter baleseti túlexpoziciók esetén az abszorbeált (egésztest) dózis becslésének hatékony eszköze. A kromoszóma aberrációk részletes jellemzésére és megjelenítésére alkalmas modern vizsgálati módszer a fluoreszcens in-situ hibridizáció (FISH). A legújabban kifejlesztett “üstökös”-assay pedig a sejtmag állomány sugárzás okozta fragmentálódását jeleníti meg speciális sejt-elektroforézises módszerrel. Az elektromos erőtérben elmozduló DNS-fragmentumok a dózissal arányos méretű csóvát képeznek a mag mögött, mely megfelelő képfeldolgozó eljárással kvantifikálható és reprodukálható eredményt ad.

  Funkcionális végpont vizsgálatok:

Az ionizáló sugárzás nem hoz létre csak rá jellemző, specifikus sejt-, vagy szöveti elváltozásokat. A sugársérülés szervezeti szintű megjelenési formái, a sugárbetegség külônböző tünetegyüttesei, az egyes szervek sejthiányból eredő morfológiai és funkcionális zavaraira vezethetők vissza. Mivel a különböző szervek funkcionáló sejtállományuk bizonyos részének elvesztését képesek kompenzálni, a funkciózavarra utaló tünetek csak egy bizonyos küszöbdózis felett alakulnak ki. Az ezt meghaladó sugárdózisok esetén az okozott szervkárosodások mértéke és a funkciózavarok megjelenéséhez szükséges idő, vagyis az akut sugárbetegség súlyossága is az elszenvedett dózissal arányos.

Az ember sugárérzékenységére jellemző dózis-hatás összefüggés
2. táblázat

Megjegyzés: Az ábrán feltüntetett összefüggések kezelés nélkül, középkorú emberekre vonatkoznak! A dózis-hatásgörbe jelentős módosulását eredményezheti a nagyfokú dózis-inhomogenitás, a besugárzás előtt fennálló betegség, vagy kóros állapot, a besugárzás előtt, vagy után alkalmazott kezelés, a közeg.-járványügyi helyzet, a tápláltság, stb. Katasztrófa körülmények között az LD50/60 érték 2 Gy körüli értékre is csökkenhet!

Az akut sugárbetegség (ASB) és klinikai megjelenési formái, a sugárszindrómák:

Az akut sugárbetegség a sugársérült szervezetben szakaszokban kifejlődő tünetegyüttesek olyan kombinációja, melyben a betegség klinikai megjelenési formáját és lefolyását a domináló szervi, illetve szervrendszeri károsodások határozzák meg. A sugársérülést követő rövid időn belül, azonban még az akut sugárbetegség fő szakaszának kifejlődése előtt, ún. prodromális, vagy korai sugárszindróma alakul ki. A reakció a vegetatív idegrendszer izgalmára vezethető vissza és gyomor-bélrendszeri (anorexia, hányinger, hányás, hasmenés, hasi görcsök, nyálfolyás) és neuromuszkuláris (fáradtság, közömbösség, izzadás, fejfájás, láz, vérnyomáscsökkenés) tünetekben nyilvánul meg. A tünetek fellépési ideje, időtartama, valamint a prodromális és fő szakasz közötti latenciaidő arányos az elszenvedett sugárdózissal.

Habár a sugárdózis növelésével egyre több szervben mutatkoznak működészavarok, kísérletes és klinikai tapasztalatok szerint azonban bizonyos dózistartományokon belül olyan domináló szervkárosodások vannak, amelyek alapvetően meghatározzák az akut sugárbetegség klinikai képét, a betegség lefolyását, a halál bekövetkeztének idejét, stb. Eszerint 2-10 Gy között a vérképző és immunrendszer, 10-50 Gy között a gyomor-béltraktus, míg efölött a központi idegrendszer károsodása felelős elsősorban az egyén haláláért. Az egyes dózistartományokra jellemző tünetegyütteseket ennek megfelelően az akut sugárbetegség csontvelôi (hemopoietikus), gyomor-bélrendszeri (gasztrointesztinális) és központi idegrendszeri (neurovaszkuláris) szindrómáinak nevezzük. Ezek a sugárszindrómák a már manifesztálódó szervkárosodások szervezeti megnyilvánulásai, és a dózistól függően hosszabb-rövidebb lappangási idő után alakulnak ki. Az egyes sugárszindrómák a valóságban csak ritkán figyelhetők meg izoláltan, az egyéb szervek sérülése - különösen erősen inhomogén besugárzás után - nagy mértékben módosíthatja azokat. Különösen érvényes ez a 6 Gy-nél nagyobb dózisok esetén, amikor is a csontvelői károsodás dominanciája mellett egyre nagyobb szerepet játszik már a gyomor-bélrendszer sérülése is. Emiatt az akut sugárbetegségnek a 8 - 10 Gy közötti dózistartományra jellemző klinikai formáját a sugárbiológiai szakirodalom ún. átmeneti szugárszindrómának nevezi.

A sugársérülés diagnosztikája és kezelése_ A sugársérülés korai diagnosztikájának módszertana