Radiation effects

Nu we de opbouw van de cel hebben besproken, gaan we toelichten hoe schade ontstaat en welke verschillende soorten schade er zijn.

De effecten van ioniserende straling op een levende cel worden veroorzaakt door een energieoverdracht aan één of meerdere moleculen binnen of buiten de cel. Omdat weefsel grotendeels (60%) uit water bestaat, zal de absorptie van energie vooral door watermoleculen plaatsvinden. Hierdoor ontstaan free radicals; dit zijn atomen met een ongepaard elektron. Deze vrije radicalen zijn zeer reactief en daardoor zeer schadelijk. Deze radicalen kunnen het weefsel beschadigen via een indirect effect (70%).

Wanneer DNA-moleculen zelf de stralingsenergie absorberen en daardoor beschadiging oplopen spreekt men van een direct effect (30%).

De schade die aan het DNA molecuul ontstaat kan verschillende vormen aannemen waaronder single-strand breaks, double-strand breaks, loss of bases and base pairs. These effects occur not only from ionising radiation, but also from metabolic or chemical processes as triggered by a variety of (external) factors. It is estimated that at the molecular level, in each cell every day thousands of damages on to the DNA. This number can reach about 1 million damages per cell per day.

Limiting damage

A cell is constantly checking and repairing DNA. This takes place with the help of DNA repair enzymes (proteins). Also antioxidants (vitamine C) kunnen schade te voorkomen, doordat deze de vrije radicalen neutraliseren. Zoals genoemd in de vorige les zijn er checkpoints in de celdelingscyclus, waarbij deze wordt onderbroken bij detectie van DNA-schade. Kleine fouten in de DNA-replicatie worden hersteld maar als er zich te grote fouten voordoen treedt er geprogrammeerde celdood (apoptosis) op. In geval van een enkelstrengsbreuk kan de cel de schade relatief eenvoudig repareren door de andere streng als mal te gebruiken en te kopiëren. Dubbelstrengsbreuken zijn veel moeilijker te repareren. De reparatie duurt langer en gaat vaak gepaard met verlies van een stukje van de DNA-code.

Cell cycle effect

Studies using cell cultures show that rapidly dividing cells are more sensitive than slowly dividing cells. Fast-dividing cells (such as bone marrow, intestinal epithelium but also tumour cells), are relatively common in the M-phase (mitosefase) en zijn daarom meestal stralingsgevoeliger dan langzaam delende en niet delende cellen (zoals spieren, zenuwcellen en hersenen). Kinderen zijn gevoeliger voor straling, doordat ze in de groei zijn en meer delende cellen hebben.

De grafiek hieronder laat zien dat cellen in de G2/M sharing phase van de cyclus gevoelig zijn voor stralingsschade: Terwijl bij een dosis van 6 Gray slechts 1% overleeft, is de overlevingskans bij cellen in de late S-fase dan nog ongeveer 50%.

In de delingsfase is de cel minder in staat de DNA-schade te repareren. In de S-phase zijn er meer enzymen aanwezig welke fouten kunnen helpen herstellen in de cel.

In het voor de tandheelkunde belangrijke hoofd-halsgebied, betekent dit dat weefsels als het beenmerg, de slijmvliezen, de speekselklieren en de schildklier gevoeliger zijn voor de gevolgen van straling dan weefsels met weinig celdeling zoals spieren en zenuwweefsel.

Sources:

Hall, Radiobiology for the Radiologist, 2006

Dutch journal of dentistry; Radiobiological aspects of dental X-ray diagnostics, 2015