Hipoteza liniowa i hormeza radiacyjna Skutki biologiczne niewielkich

Hipoteza liniowa i hormeza radiacyjna Skutki biologiczne niewielkich dawek promieniowania Naukowe Koło Fizyków 12 marca 2012 11/30/2020 NKF - B. Kamys 1

Oficjalne informacje ONZ można znaleźć na stronie internetowej UNSCEAR, tj. United Nations Scientific Committee on the Effects of the Atomic Radiations http: //www. unscear. org/unscear/en/index. html w szczególności informacje o awarii w Czarnobylu w 1986 r. http: //www. unscear. org/unscear/en/chernobyl. html wstępny raport o awarii w Fukushimie marcu 2011 r. ma być gotowy w maju 2012 r. a końcowy w 2013 r. UNSCEAR opiera swoje wnioski tylko na publikacjach w recenzowanych czasopismach naukowych oraz na oficjalnych informacjach otrzymanych od rządów w wyniku odpowiedzi na zapytania Komitetu 11/30/2020 NKF - B. Kamys 2

Podstawowe pojęcia Promieniowanie jądrowe to n Promieniowanie elektromagnetyczne (światło podczerwone, widzialne, nadfioletowe, promienie Roentgena, „promienie gamma”) n Elektrony – „cząstki beta” Ciężkie naładowane cząstki (miony, „cząstki alfa” tj. jądra 4 He, jądra cięższych atomów) n n 11/30/2020 Neutrony NKF - B. Kamys 3

Skutki napromieniowania o FIZYCZNE: n n n o o Wzbudzenie lub jonizacja atomów i molekuł Wybicie atomów z sieci krystalicznej Nagromadzenie produktów reakcji (głównie He), CHEMICZNE: Pojawienie się wolnych rodników BIOLOGICZNE: n n Zmiana metabolizmu Uszkodzenia DNA – dające szybkie i opóźnione skutki, w szczególności wpływające na potomstwo (gdy uszkodzone są komórki rozrodcze) 11/30/2020 NKF - B. Kamys 4

Procesy fizyczne Na górze rysunku pokazano tor elektronu o energii 0. 5 Me. V, na dole odcinek toru cząstki alfa o energii 4 Me. V (symulacje komputerowe) Punkty pokazują wzbudzone i zjonizowane atomy, o Obok DNA w tej samej skali o Report UNSCEAR 2001 Annex G 11/30/2020 NKF - B. Kamys 5

Procesy biologiczne o o o Mechanizm działania promieniowania na komórki polega na jonizacji cząsteczek biologicznych, w wyniku czego tworzą się wolne rodniki o wysokiej aktywności chemicznej. Struktura dużych cząsteczek (w szczególności DNA) ulega uszkodzeniu poprzez zlepianie bądź rozrywanie. Te zmiany powodują, że procesy biochemiczne nie mogą zachodzić prawidłowo. Jeśli jednak uszkodzenia nie są rozległe, komórka może sama je naprawić, dzięki zdolnościom autoregulacyjnym. Ilościowo skutki promieniowania zależą od tzw. dawki promieniowania 11/30/2020 NKF - B. Kamys 6

Dawka pochłonięta o Dawka pochłonięta w danej tkance T to całkowita energia zdeponowana w jednostce masy tkanki: Jednostką dawki jest Gray (Gy): 1 Gy = 1 J/kg Stara jednostka (czasem używana): 1 rad = 100 erg/g =0. 01 Gy o o Dla biologicznych skutków ważne są zarówno n Wielkość dawki promieniowania, jak i n Czas w jakim ta dawka została pochłonięta (moc dawki) n Rodzaj naświetlonej tkanki n Rodzaj promieniowania Dlatego obok dawki pochłoniętej wprowadza się pojęcia n dawki równoważnej (różne rodzaje promieniowania) n dawki efektywnej (różne tkanki) 11/30/2020 NKF - B. Kamys 7

Dawka równoważna Różne rodzaje promieniowania deponujące tę samą ilość energii w jednostce masy danej tkanki (dawkę pochłoniętą) mogą wywołać różne skutki biologiczne. Stąd wprowadza się współczynnik względnej skuteczności biologicznej (ang. RBE= Relative Biological Efficiency) oraz definiuje dawkę równoważną określającą reakcję biologiczną na pochłoniętą dawkę danego promieniowania jak taka sama dawka promieniowania gamma o energii 250 ke. V. Jednostka: 1 Sievert (Sv)=1 J/kg (siwert) Dawna jednostka 1 rem = 0. 01 Sv 11/30/2020 NKF - B. Kamys 8

Dawka efektywna (skuteczna) Dawka efektywna E to dawka równoważna pomnożona przez współczynnik wagowy określający czułość danej tkanki T na uszkodzenia. Dla całego organizmu: 11/30/2020 NKF - B. Kamys 9

Naturalne promieniowanie o Główne źródła to: n n n Promieniowanie długożyciowych pierwiastków zawartych w skorupie Ziemi (U, Th) i ich pochodnych – głównie radon 222 Rn Promieniowanie kosmiczne: tryt, 7 Be, 14 C Promieniotwórcze pierwiastki wbudowane w ciało człowieka, np. 14 C, 40 K, … o Średnia roczna dawka promieniowania naturalnego na Ziemi wynosi 2, 4 m. Sv (w Polsce 2, 6 m. Sv). o Istnieją jednak obszary gdzie tło promieniowania naturalnego jest znacznie większe: n n n 11/30/2020 W Norwegii 5, 2 m. Sv/rok W Finlandii 7 m. Sv/rok W Iranie (Ramsar) 240 m. Sv/rok (TAK !! to nie pomyłka) NKF - B. Kamys 10

Średnie roczne dawki z różnych źródeł 11/30/2020 NKF - B. Kamys 11

Dawki dopuszczalne o o o Wg obowiązujących w Polsce przepisów dopuszczalna dawka skuteczna, na całe ciało od promieniowania z innych źródeł niż naturalne (bez uwzględniania diagnostyki medycznej i leczenia preparatami promieniotwórczymi) wynosi: 1 m. Sv/rok dla ogółu ludności i 20 m. Sv/rok dla osób narażonych na promieniowanie jonizujące zawodowo (*) Rozporządzenie Rady Ministrów w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego (Dz. U. Nr 20, poz. 168 z 2005 r. . ) 11/30/2020 NKF - B. Kamys 12

Duże dawki – ostra choroba popromienna Objawami ostrej choroby popromiennej na tle zaburzeń somatycznych dla dawek > 0. 75 Sv są: n n n silne bóle głowy, mdłości, osłabienie, zmiany w układzie krwionośnym (spadek liczby krwinek), biegunki, krwawienia wewnętrzne, wypadanie włosów. Ostry atak choroby popromiennej może być śmiertelny, jeśli uszkodzenia były bardzo poważne. LD-50 (lethal dose 50%) – to dawka po otrzymaniu której połowa populacji umiera po miesiącu (przy braku leczenia). Dla ludzi LD-50 wynosi około 3, 5 Sv, 11/30/2020 NKF - B. Kamys 13

Duże dawki – późne skutki o o Niezależnie od wielkości uszkodzeń zaraz po napromieniowaniu, po wielu latach mogą wystąpić opóźnione objawy choroby popromiennej, takie jak rozwój nowotworów, zaćma, białaczka i przedwczesne starzenie się. Uszkodzenia w materiale genetycznym są przyczyną zmian mutacyjnych w genach lub całych chromosomach. Jeśli ma to miejsce w komórkach rozrodczych, to efekty mutacji zostaną przekazane potomstwu – dziedziczne skutki. 11/30/2020 NKF - B. Kamys 14

Skutki małych dawek (mniejszych od ok. 200 m. Sv) dla organizmów żywych są trudne do oszacowania bo: n n n 11/30/2020 Nie powodują ostrych, natychmiastowych objawów Mogą uwidaczniać się po wielu latach a więc wymagają długoletnich badań Choroby przez nie wywoływane mogą pojawiać się także w wyniku innych czynników więc przy poszukiwaniu niekorzystnych skutków napromieniowania małymi dawkami należy uwzględniać także inne przyczyny chorób Skutki małych dawek mogą przez synergetyczne działanie wzmacniać (lub osłabiać) skutki działania innych czynników Badania powinny uwzględniać wszystkie istotne czynniki a więc opierać się na próbach o dużej liczebności NKF - B. Kamys 15

Hipotezy dotyczące skutków małych dawek Najważniejszymi hipotezami zachowania się organizmów żywych przy napromieniowaniu małymi dawkami są: n LINIOWA, BEZPROGOWA HIPOTEZA n HIPOTEZA HORMEZY RADIACYJNEJ 11/30/2020 NKF - B. Kamys 16

Liniowa bezprogowa hipoteza o Komitet UNSCEAR, zaproponował w 1958 r. stosowanie liniowej, bezprogowej hipotezy (linear no-threshold theory - LNT). o Zgodnie z tą hipotezą: 1. 2. o Efekty małych dawek promieniowania mogą być oszacowane przez liniową ekstrapolację efektów obserwowanych przy dużych dawkach. Nie ma żadnej bezpiecznej dawki promieniowania ponieważ nawet bardzo małe dawki promieniowania jonizującego wywołują pewien biologiczny skutek W 1959 Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej (The international Commission on Radiation Rrotection (ICRP) przyjęła jako obowiązującą liniową, bezprogową hipotezę. 11/30/2020 NKF - B. Kamys 17

Zalety stosowania liniowej hipotezy o Daje prosty przepis na oszacowanie skutków niewielkich dawek promieniowania, które trudno bada się doświadczalnie, na podstawie łatwo obserwowalnych skutków dużych dawek. o Daje pesymistyczny a więc najbardziej bezpieczny sposób szacowania dozwolonych dawek w ochronie radiologicznej w typowych sytuacjach, gdzie występują niewielkie dawki promieniowania 11/30/2020 NKF - B. Kamys 18

Wady stosowania liniowej hipotezy Arbitralnie zakłada, że nie ma bezpiecznej dla zdrowia dawki promieniowania a więc wprowadza alergiczne odczucia społeczne związane z wszelkimi działaniami wykorzystującymi promieniowanie (nie tylko z energetyką jądrową) – „radiofobia” Na przykład o sugeruje, że niebezpieczna jest (a więc należy jej unikać): o n n o o o Radiacyjna diagnostyka medyczna, np. mammografia, tomografia komputerowa, zdjęcia rentgenowskie itd. Radiacyjna terapia nowotworów, np. chorób tarczycy jodem 131 I, itd Sugeruje, że należy dążyć do minimalizacji naturalnego tła promieniowania, np. budując specjalne, kosztowne fundamenty domów aby uniknąć tła od radonu wydostającego się z podłoża Sugeruje stosowanie bardzo kosztownych, wyśrubowanych norm ochrony radiologicznej Może prowadzić do złych decyzji: zamiast wysiedlania kilkudziesięciu tysięcy osób po awarii w Czarnobylu wysiedlono niepotrzebnie ok. 400 tysięcy 11/30/2020 NKF - B. Kamys 19

Hormeza o o Słowo „hormeza” pochodzi od greckiego „hormaein”, tzn. „pobudzać” Przez hormezę rozumie się pozytywne działanie czynnika występującego w małej ilości, które nie może być ekstrapolowane ze szkodliwego działania tegoż czynnika, gdy występuje on w dużej ilości (trucizna – lekarstwo) Hormeza radiacyjna to hipoteza, która głosi, że niewielkie dawki promieniowania jonizującego są korzystne dla zdrowia i wzmacniają organizm przeciwko niekorzystnym skutkom dużych dawek promieniowania (pewna analogia szczepień ochronnych) W 1994 roku komitet UNSCEAR (z polskiej inicjatywy) ogłosił opracowania, w których zaczęto oficjalnie dyskutować możliwość prawdziwości tej hipotezy (Report UNSCEAR 1994, Annex B – „Adaptive responses to radiation in cells and organisms” ) 11/30/2020 NKF - B. Kamys 20

Hormeza Z. Jaworowski Wiedza i Życie, 1997/3 20 -29 „Dobroczynne promieniowanie”, Małe dawki (pomiędzy D i T) poprawiają stan zdrowia (kolor jasnopomarańczowy); Dawki wyższe od T powodują skutki szkodliwe. N oznacza średnią dawkę naturalnego promieniowania jonizującego. 11/30/2020 NKF - B. Kamys 21

Czasowy przebieg efektu hormezy L. Dobrzyński http: //www. ipj. gov. pl/pl/szkolenia/matedu/hormeza. pdf 11/30/2020 NKF - B. Kamys 22

Argumenty za hormezą radiacyjną Nie obserwuje się wzrostu liczby zachorowań na choroby, które mogą być wywołane promieniowaniem w krajach i dzielnicach gdzie poziom naturalnego promieniowania jest wyraźnie wyższy od średniej światowej, o n n np. w części stanu Kerala w Indiach, gdzie dawka roczna wynosi ok. 28. 5 m. Sv/rok ( 12 razy więcej niż średnia na całej Ziemi) podobnie jak w miejscowości Ramsar w Iranie, która jest „rekordzistką” jeżeli chodzi o wysokość dawki naturalnego promieniowania – 240 m. Sv/rok (dawka 100 razy wyższa od średniej). Organizmy żywe muszą dysponować pewnym mechanizmem obronnym, adaptacyjnym o Mieszkańcy Hiroshimy i Nagasaki napromieniowani dawkami mniejszymi od 200 m. Sv podczas wybuchów bomb atomowych w 1945 r. nie zachorowali w następnych latach na choroby nowotworowe częściej niż osoby nie napromieniowane. o Co więcej osoby, które w czasie wybuchu miały 50 i więcej lat żyły dłużej niż ich rówieśnicy nie napromieniowani o Sugeruje to istnienie dobroczynnego efektu małych dawek promieniowania – wzmacniania sił obronnych organizmu 11/30/2020 NKF - B. Kamys 23

Argumenty za hormezą c. d. Dodatkowe względne ryzyko zachorowania na białaczki (z wyjątkiem CLL – chronic lymphotic leukemia, o której wiadomo, że nie jest wynikiem napromieniowania) badano u 96 000 pracowników przemysłu jądrowego w USA, W. Brytanii i Kanadzie; E. Cardis et al. , Rad. Res. 142 (1995) 117. o Wyniki wskazują, że dla dawek < 200 m. Sv nie ma wzrostu ryzyka zachorowań a dla dawek ok. 50 m. Sv występuje nawet zmniejszenie ryzyka zachorowań 11/30/2020 NKF - B. Kamys 24

Argumenty za hormezą c. d. (2) o o o Przeprowadzone w 1994 r. badania personelu armii amerykańskiej pokazały, że u 6500 techników, którzy otrzymali dawkę 500 m. Sv podczas dwuletniej pracy podczas II Wojny Światowej, nie widać - po upływie 29 lat - wzrastającej liczby zachorowań w porównaniu z technikami medycznymi, farmaceutycznymi i laboratoryjnymi zatrudnionymi w armii. Podobnie, u 100 000 kobiet - techników radiologów zatrudnionych w armii od 1929 roku, nie stwierdzono podwyższonej zapadalności na raka piersi, bez względu na pracę w radioterapii, z radioizotopami, czy fluoroskopią W Rosji, po eksplozji (termicznej) odpadów jądrowych (w zakładach produkcji broni jądrowej „MAJAK” na Uralu) w 1957 r. , ewakuowano 10 000 ludzi z 22 wsi. 7 852 z nich było poddanych badaniom przez kolejne 30 lat. Okazało się, że w grupach, które otrzymały dawkę 500 m. Gy było o 28% mniej nowotworów, w grupie 120 m. Gy o 39% mniej , a w grupie 40 m. Gy o 27% mniej niż w grupie kontrolnej z tego samego obszaru, która nie była napromieniona. 11/30/2020 NKF - B. Kamys 25

Argumenty za hormezą (3) Porównanie przeżywalności 23 pacjentów chorych na białaczki i naświetlonych małymi dawkami promieniowania na całe ciało lub połowę ciała (górna krzywa) oraz Przeżywalności 94 pacjentów chorych na analogiczne schorzenia lecz NIE napromieniowanych (dolna krzywa) Efekt hormetyczny jest tak duży, że trudno go zlekceważyć nawet biorąc pod uwagę małą statystykę K. Sakamoto, "Tumor Radiotherapy by the Combined Methods of Total Body Irradiation and Local Irradiation", ICONE-7, The Seventh International Conference on Nuclear Engineering Special Symposium "Radiation Health Effects: Applying Data to Standards". Tokyo (1999) 50 -51 11/30/2020 NKF - B. Kamys 26

Reakcje zwolenników obu hipotez o o Przyjęcie lub odrzucenie jednej z tych hipotez może mieć ważne skutki praktyczne (w tym finansowe) i naukowe Chyba dlatego zwolennicy obu hipotez często podchodzą bardzo emocjonalnie do wyników badań i zarzucają sobie wzajemnie niekompetentną lub nieuczciwą interpretację otrzymanych wyników polegającą na: n n 11/30/2020 Wybieraniu faktów świadczących za wybraną hipotezą przy równoczesnym pomijaniu faktów przeczących tej hipotezie Wnioskowaniu opartym o nieznaczące statystycznie próby Pomijaniu innych czynników, które mogą być odpowiedzialne za obserwowany efekt zgodny z udowadnianą hipotezą Zaniedbywanie współdziałania różnych efektów NKF - B. Kamys 27

Wnioski z liniowej, bezprogowej hipotezy o O ile liniowa bezprogowa ekstrapolacja skutków fizycznych dużych dawek (czyli liczby wzbudzonych i/lub zjonizowanych atomów) do skutków fizycznych małych dawek wydaje się rozsądna to taka ekstrapolacja biologicznych skutków oznacza brak skutecznej reakcji adaptacyjnej żywych organizmów na promieniowanie jądrowe nawet dla najmniejszych dawek. o Jest to co najmniej dziwne w świetle tego, że organizmy żywe powstały i rozwijały się cały czas w obecności naturalnego tła promieniowania. o Oznaczałoby to, że wszystkie organizmy żywe chorują przez cały czas swojego istnienia. Otrzymujemy niezwykłą definicję życia (jak w filmie K. Zanussiego): „Życie to śmiertelna choroba” 11/30/2020 NKF - B. Kamys 28

Podsumowanie o Obecność reakcji adaptacyjnej żywych organizmów, prowadzącej do hormezy radiacyjnej wydaje się łatwiejsze do zaakceptowania gdyż znana jest reakcja żywych organizmów na światło słoneczne; „Opalanie się” w dużych dawkach może być szkodliwe podczas gdy w małych dawkach jest korzystne dla organizmu a dodatkowo uodparnia na działanie większych dawek światła słonecznego. o Z pewnością niezbędne są dalsze, intensywne badania, które doprowadziłyby do jednoznacznych wniosków i do zrozumienia mechanizmów biologicznych występujących przy naświetlaniu małymi dawkami promieniowania. o Jest to bardzo ważne nie tylko ze względów poznawczych ale ma istotne znaczenie dla efektywnego podejmowania decyzji dotyczących wszelkich zastosowań promieniowania jądrowego i metod fizyki jądrowej w energetyce, technice i medycynie. 11/30/2020 NKF - B. Kamys 29

Plus ratio quam vis DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 11/30/2020 NKF - B. Kamys 30

Fukushima – preliminary report May 2012 Among questions the report will address about the March 2011 Fukushima accident are: o o o how much radioactive material was released and what was its composition? how was it dispersed over land sea, what were the radionuclides and where are the hotspots? how does the accident compare with accidents at Chernobyl, in 1986, Three Mile Island in the United States, in 1979 and the 1957 Windscale Fire in the United Kingdom? what were the key pathways and the levels of the exposure of the public and workers and who among them is most at risk? what are the effects on the environment and on foodstuffs? what is the likely impact on human health and the environment? 11/30/2020 NKF - B. Kamys 31