В радиобиологии относительная биологическая эффективность (часто сокращенно ОБЭ ) — это отношение биологической эффективности одного типа ионизирующего излучения к другому при одинаковом количестве поглощенной энергии . ОБЭ — это эмпирическая величина, которая варьируется в зависимости от типа ионизирующего излучения, задействованных энергий, 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 радиации, поскольку биологический эффект может зависеть от многих других факторов, включая тип радиации, энергию и тип ткани. Относительная биологическая эффективность может помочь дать более точное измерение биологического эффекта радиации. Относительная биологическая эффективность для радиации типа R на ткань определяется как отношение
где D X — это референтная поглощенная доза радиации стандартного типа X , а D R — это поглощенная доза радиации типа R , которая вызывает тот же объем биологического повреждения. Обе дозы количественно определяются количеством энергии, поглощенной в клетках.
Различные типы излучения имеют различную биологическую эффективность, в основном потому, что они передают свою энергию тканям разными способами. Фотоны и бета-частицы имеют низкий линейный коэффициент передачи энергии (ЛПЭ), что означает, что они ионизируют атомы в ткани, которые находятся на расстоянии нескольких сотен нанометров (нескольких десятых микрометра ) друг от друга вдоль своего пути. Напротив, гораздо более массивные альфа-частицы и нейтроны оставляют более плотный след ионизированных атомов на своем пути, расположенных на расстоянии примерно одной десятой нанометра друг от друга (т. е. менее одной тысячной типичного расстояния между ионизациями для фотонов и бета-частиц).
ОБЭ могут использоваться как для рисков рака/наследственности ( стохастические ), так и для вредных реакций тканей ( детерминированные ). Ткани имеют разные ОБЭ в зависимости от типа эффекта. Для излучения с высокой ЛПЭ (т. е. альфа-частиц и нейтронов) ОБЭ для детерминированных эффектов, как правило, ниже, чем для стохастических эффектов. [1]
Концепция ОБЭ актуальна в медицине, например, в радиологии и радиотерапии , а также для оценки рисков и последствий радиоактивного загрязнения в различных контекстах, таких как эксплуатация атомных электростанций , утилизация и переработка ядерного топлива , ядерное оружие , добыча урана и безопасность ионизирующего излучения .
Для расчета эквивалентной дозы для органа или ткани Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) определила стандартный набор весовых коэффициентов излучения (W R ), ранее называвшийся коэффициентом качества ( Q) . [1] [2] Весовые коэффициенты излучения преобразуют поглощенную дозу (измеренную в единицах СИ грей или не-СИ рад ) в формальную биологическую эквивалентную дозу для радиационного воздействия (измеренную в единицах зиверт или бэр ). Однако МКРЗ утверждает: [1]
«Количества эквивалентной дозы и эффективной дозы не должны использоваться для количественной оценки более высоких доз облучения или для принятия решений о необходимости какого-либо лечения, связанного с реакциями тканей [т. е. детерминированными эффектами]. Для таких целей дозы следует оценивать с точки зрения поглощенной дозы (в греях, Гр), а в случаях, когда задействованы излучения с высокой ЛПЭ (например, нейтроны или альфа-частицы), следует использовать поглощенную дозу, взвешенную с соответствующим ОБЭ».
Коэффициенты взвешивания радиации в значительной степени основаны на ОБЭ радиации для стохастических рисков для здоровья . Однако для простоты коэффициенты взвешивания радиации не зависят от типа ткани, и значения консервативно выбираются больше, чем основная часть экспериментальных значений, наблюдаемых для наиболее чувствительных типов клеток, по отношению к внешним (внешним по отношению к клетке) источникам. Коэффициенты взвешивания радиации не были разработаны для внутренних источников тяжелых ионов, таких как ядро отдачи.
Ниже приведены стандартные значения относительной эффективности МКРЗ 2007 г. Чем выше весовой коэффициент излучения для определенного типа излучения, тем оно более разрушительно, и это учитывается в расчетах для преобразования единиц грей в зиверты.
Коэффициенты взвешивания радиации, которые идут от физической энергии к биологическому эффекту, не следует путать с коэффициентами взвешивания тканей . Коэффициенты взвешивания тканей используются для преобразования эквивалентной дозы для данной ткани в организме в эффективную дозу , число, которое дает оценку общей опасности для всего организма в результате дозы облучения части тела.
Обычно оценка относительной биологической эффективности проводится на различных типах живых клеток, выращенных в культуральной среде , включая прокариотические клетки, такие как бактерии , простые эукариотические клетки, такие как одноклеточные растения, и продвинутые эукариотические клетки, полученные из таких организмов, как крысы . Облучая партии клеток различными дозами и типами радиации, можно найти связь между дозой и долей погибших клеток, а затем использовать ее для нахождения доз, соответствующих некоторому общему показателю выживаемости. Соотношение этих доз — это ОБЭ R. Вместо смерти конечной точкой может быть доля клеток, которые становятся неспособными подвергаться митотическому делению (или, для бактерий, бинарному делению ), таким образом, эффективно стерилизуются — даже если они все еще могут выполнять другие клеточные функции.
Типы ионизирующего излучения R , которые чаще всего рассматриваются при оценке ОБЭ, — это рентгеновское и гамма-излучение (оба состоят из фотонов ), альфа-излучение ( ядра гелия-4 ), бета-излучение ( электроны и позитроны ), нейтронное излучение и тяжелые ядра , 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 по сути эквивалентны для всех типов клеток. Поэтому стандартный тип излучения X обычно представляет собой рентгеновский луч с фотонами 250 кэВ или гамма-лучи кобальта-60 . В результате относительная биологическая эффективность бета- и фотонного излучения по сути равна 1.
Для других типов излучения ОБЭ не является четко определенной физической величиной, поскольку она несколько варьируется в зависимости от типа ткани и точного места 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 высших эукариотических клеток. Согласно одному источнику, он может быть намного выше (6500 с рентгеновскими лучами в качестве эталона) на овоцитах. [3] 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 радиации были внешними по отношению к облучаемым клеткам. Однако, поскольку альфа-частицы не могут проникнуть через самый наружный мертвый слой человеческой кожи, они могут нанести значительный ущерб, только если они происходят от распада атомов внутри тела. Поскольку диапазон альфа-частицы обычно составляет около диаметра одной эукариотической клетки, точное местоположение испускающего атома в клетках ткани становится значимым.
По этой причине было высказано предположение, что воздействие загрязнения альфа-излучателями на здоровье могло быть существенно недооценено. [4] Измерения ОБЭ с внешними источниками также пренебрегают ионизацией, вызванной отдачей родительского ядра из-за альфа-распада. В то время как отдача родительского ядра распадающегося атома обычно несет только около 2% энергии альфа-частицы, испускаемой распадающимся атомом, ее диапазон чрезвычайно короток (около 2–3 ангстрем) из-за его высокого электрического заряда и большой массы . Родительское ядро должно отскакивать 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 его первоначального местоположения, как правило, в ядре клетки на хромосомах, которые имеют сродство к тяжелым металлам. [5] [6] [7] Большинство исследований, в которых использовались источники, находящиеся вне клетки, дали значения ОБЭ от 10 до 20. [8] Поскольку большая часть ионизационного повреждения от перемещения альфа-частицы откладывается в цитоплазме , тогда как от перемещения ядра отдачи — в самой ДНК, то, вероятно, больший ущерб наносится ядром отдачи, чем самой альфа-частицей.
В 1931 году Файлла и Хеншоу сообщили об определении относительной биологической эффективности (ОБЭ) рентгеновских и γ-лучей. Это, по-видимому, первое использование термина «ОБЭ». Авторы отметили, что ОБЭ зависит от изучаемой экспериментальной системы. Несколько позже Циркле и др. (1952) указали, что биологическая эффективность зависит от пространственного распределения переданной энергии и плотности ионизаций на единицу длины пути ионизирующих частиц. Циркле и др. ввели термин «линейная передача энергии (ЛПЭ)», который будет использоваться в радиобиологии для обозначения тормозной способности, т. е. потери энергии на единицу длины пути заряженной частицы. Эта концепция была введена 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 том же десятилетии. [ необходима цитата ]
