RADIOBIOLOGI

Aplikasi Radiobiologi (rbio01)

Radiobiologi, efek radiasi pengion pada jaringan biologi dan organisme hidup

·        Fisika radiasi

·        Biologi

Radiasi pengion

·        Radiasi pengion langsung (partikel bermuatan), elektron, proton, partikel alfa, ion berat

·        Radiasi pengion tidak langsung (partikel neutral), foton (sinar X dan radiasi gamma), neutrons

Radiasi pengion langsung, deposit energi melalui interaksi Coulomb antara partikel bermuatan dengan elektron orbital atom dalam medium

Radiasi pengion tidak langsung, deposit energi dalam medium melalui dua tahap

·        Pertama, partikel bermuatan dilepaskan dalam medium (foton melepaskan elektron atau positron, neutron melepaskan proton atau ion berat)

·        Kedua, partikel bermuatan yang dilepaskan deposit energi melalui interaksi Coulomb langsung dengan elektron orbital atom dalam medium

Semua benda hidup terbuat dari protoplasma, berisi senyawa organik dan inorganik yang larut atau berada dalam air. Unit terkecil protoplasma yang independen disebut sel

·        Sel berisi senyawa inorganik (air dan mineral) dan senyawa organik (proteins, carbohydrates, nucleic acids, dan lipids)

·        Dua komponen sel adalah cytoplasma, mendukung semua fungsi metabolik dalam sel, dan inti yang berisi informasi genetik (DNA)

·        Sel manusia adalah sel somatik dan juga sel germ

·        Sel propagasi melalui pembelahan, pembelahan sel somatik disebut mitosis, pembelahan sel germ disebut meiosis

·        Pada saat sel membelah, dihasilkan dua sel, setiap sel membawa kromosom yang identik dengan milik sel asal. Sel baru selanjutnya mengalami pembelahan dan proses demikian akan berlanjut kontinu

·        Sel somatik dikelompokkan sebagai berikut

o       Sel stem, yang secara umum sebagai sel induk yang memiliki pluripotency (turunannya dapat memiliki berbagai fungsi spesialisasi) seperti undefferentiated mesenchimal cell, merupakan sel progenitor yang selanjutnya produksi sel untuk populasi sel yang berdeferensiasi (sel untuk sistem hematopoietic, epidermis, lapisan mukosal usus)

o       Sel transien, sel yang berubah menjadi populasi lain (reticulocyte yang deferensiasi menjadi eritrosit)

o       Sel mature, sel yang sudah mengalami deferensiasi penuh dan tidak melakukan aktivitasa mitotik (sel otot, jaringan syaraf)

·        Grup sel yang melakukan satu atau lebih fungsi disebut jaringan

·        Grup jaringan yang melakukan satu atau lebih lebih fungsi disebut organ

·        Grup organ yang melakukan satu atau lebih fungsi disebut organisme

Salah satu fungsi sel yang dipengaruhi oleh radiasi adalah kemampuan sel membelah dan menghasilkan garis keturunan. Sel yang dapat mempertahankan kemampuan membelah setelah menerima radiasi dinyatakan sebagai survival.

Efesiensi kerusakan biologi

Seluruh tubuh menerima sekitar 5 Gy berakibat kematian pada semua mammalia, menghasilkan peningkatan temperatur ~ 10^{-3 0}C. Perubahan temperatur bukan penyebab kematian, tidak dapat dipakai sebagai dasar evaluasi efek biologi.

Lintasan partikel bermuatan

Perhatikan perbedaan lintasan elektron dan partikel alfa yang melewati DNA. Untuk elektron cepat, energi yang dilepaskan berjarak lebar, meskipun lintasannya melewati DNA namun kemungkinan tidak melepaskan energi pada DNA sehingga tidak menimbulkan efek pada DNA. Berlainan dengan lintasan partikel alfa yang mempunyai lintasan padat, sebelum masuk DNA saja sudah melepaskan energi yang kemungkinan cukup untuk mengganggu fungsi DNA.

Energi yang dilepaskan oleh partikel bermuatan bersifat diskrit, dipakai untuk ionisasi dan eksitasi sepanjang lintasannya. Kadangkala elektron sekunder mampu membentuk lintasan tersendiri, yang disebut d ray.

LET (linear energy transfer), dinyatakan dalam keV/mm, difokuskan pada laju absorpsi energi linear oleh medium selama partikel bermuatan bergerak dalam medium.

LET = (dE/dl), biasanya dipakai satuan keV/mm, dE merupakan energi rata-rata yang diberikan pada medium oleh partikel bermuatan dengan energi tertentu dalam lintasannya yang berjarak dl.

Harga LET tergantung pada energi dan muatan partikel. Muatan tinggi dan energi rendah mempunyai LET tinggi.

Produksi radikal

Sel mengandung air ~ 70%, sehingga interaksi radiasi dengan sel dipengaruhi oleh pembentukan radikal dalam air. Radikal sangat reaktif dan akan berinteraksi dengan komponen sel.

Waktu hidup e^-_aq (jenis transien) sekitar 1 ms. Radikal OH^· sangat reaktif dan mempunyai waktu hidup sekitar 1ms dalam air murni dan puncak absorpsi sekitar 260 nm. Seperti radikal OH^·, radikal H^· juga reaktif, mempunyai waktu hidup sekitar 1ms dalam air murni dengan puncak absorpsi sekitar 200 nm.

Dalam air jenis radikal e^-_aq, OH^·, dan×H^· dihasilkan mencapai sekitar 45%, 45%, dan 10% dalam beberapa ms setelah interaksi. Radikal terbentuk sekitar 10^-6 ms dan akan berada dalam air sekitar 1 – 100 ms, dan dalam sistem biologi dalam jangkauan 0.1 – 1 ms. Radikal ×OH yang banyak menghasilkan kerusakan biologi (efek tidak langsung).

Absorpsi radiasi

Bila sinar X ataupun radiasi gamma diserap oleh material biologi, terjadi reaksi berantai yang diawali oleh ionisasi dengan konversi energi foton menjadi gerakan elektron cepat, diikuti oleh reaksi kulminasi pemecahan ikatan kimia yang menghasilkan efek biologi. Efek biologi dapat dihasilkan oleh efek langsung ataupun efek tidak langsung, melalui pembentukan radikal. Sekitar 70% kerusakan biologi akibat reaksi tidak langsung yang dapat dimodifikasi dengan kehadiran oksigen dan berbagai senyawa kimia. Sebaliknya untuk radiasi pengion rapat (elektron, proton) efek langsung dominan dalam menghasilkan efek biologi

Pengaruh LET pada kerusakan/injury radiasi

Efek radiasi sangat tergantung pada LET partikel bermuatan yang berkaitan. Bila efek kritis dapat disebabkan oleh ionisasi atau kluster ion tunggal, maka efek dosis tertentu akan menurun dengan kenaikan LET, karena kenaikan LET akan meningkatkan kerapatan ionisasi dalam volume kritis. Kelebihan ionisasi akan percuma. Di lain pihak efek terjadi hanya bila sejumlah ionisasi dideposit dalam struktur yang sensitif terhadap radiasi, maka efek yang dihasilkan oleh dosis tertentu akan meningkat dengan cepat dengan kenaikan LET. Untuk LET dengan harga yang lebih tinggi, kelebihan ionisasi akan percuma. Dengan demikian efek radiasi akan melewati nilai maksimum dan kemudian menurun. Tampak dalam gambar, partikel dengan LET sekitar 100 keV/μm deposit energi yang menghasilkan pembunuhan sel optimal. Hasil yang hampir sama ditunjukkan oleh berbagai jenis radiasi pengion dalam pembunuhan sel, yang memberikan tingkat survival yang berbeda.

RBE (Radiobiological equivalent)

RBE = (dosis dari radiasi standard yang menghasilkan efek biologi tertentu)/(dosis dari radiasi yang dimaksud yang menghasilkan efek biologi sama)

Nilai RBE dinyatakan sebagai rasio dosis yang memberikan tingkat survival sama, sebagai contoh dalam gambar OX/ON.

Efesiensi relatif pembunuhan sel dinyatakan dalam RBE.

Harga RBE bervariasi dengan tingkat survival, berarti kurva survival tergantung pada LET. Radiasi gamma ⁶⁰Co atau radiasi 4 – 20 MeV mempunyai RBE relatif terhadap sinar x 250 kVp dalam jangkauan 0.8 sampai 0.9. Ini berarti untuk efek biologi yang sama dibutuhkan 10% sampai 20% lebih tinggi dari yang dihasilkan oleh sinar x 250 kVp. Elektron energi tinggi mempunyai RBE dalam jangkauan 0.7 sampai 0.8. Untuk RBE mendekati atau lebih besar dari 1.0, terjadi pada partikel berat dengan nilai LET tinggi. Sebagai contoh neutron mempunyai RBE dalam rentang 1.5 – 3.0. Perlu diperhatikan bahwa kenaikan RBE belum tentu memiliki manfaat dalam radioterapi. Kecuali bila RBE jaringan normal lebih rendah dibanding dengan RBE tumor.

Siklus sel dan radiosensitivitas

Dalam fase mitosis (M) berlangsung  pembelahan sel, dan sintesa DNA berlangsung dalam fase sintesis (S). Antara M dan S dipisahkan oleh fase G1 (gap 1), dan antara S dan M dipisahkan oleh G2 (gap 2). Dalam kedua fase antara DNA tidak disintesa, tetapi berlangsung proses metabolisme lain. Untuk sel mamalia, waktu dalam fase S sekitar 6 – 8 jam, M kurang dari satu jam, G2 sekitar 2 – 4 jam, dan G1 lebih bervariasi sekitar 1 – 8 jam. Waktu siklus sel pada umumnya sekitar 10 – 12 jam.

 

Dalam populasi sel yang sedang tumbuh, sel akan terdistribusi dalam semua fase. Dimungkinkan untuk memisahkan kelompok populasi sel yang sedang dalam fase tertentu. Bila populasi sel dalam setiap fase tersebut diradiasi, ternyata mempunyai radiosensitivitas yang bervariasi (lihat gambar). Untuk Chinese harmster cells, fase S akhir paling tidak radiosensitif, sedangkan kebalikannya terjadi pada sel L tikus. Kurva survival Chinese harmster cells dalam fase mitosis (M) berbentuk curam dan tanpa bahu. Dalam fase akhir S, kurva lebih landai dan dimulai dengan bentuk bahu, sedangkan fase G1 dan awal S berada di antara keduanya. Fase G2 pada umumnya sensitif seperti pada fase M.

Setelah menerima radiasi, populasi sel dengan fase sama yang survive akan tumbuh dan dengan cepat terdistribusi kembali ke semua fase dalam siklus. Dalam radioterapi, proses redistribusi memungkinkan fraksinasi akan meningkatkan pembunuhan sel yang berproliferasi. Efek yang demikian tidak terjadi pada populasi sel yang tidak berproliferasi.

Untuk memperoleh hubungan kuantitatif antara dosis radiasi dan efek biologi, berbagai sistem biologi dikembangkan dalam laboratorium. Salah satu cara adalah dengan kultur sel in vitro, dengan sel berasal dari sel normal ataupun sel neoplastik dengan beberapa sistem jaringan normal agar diperoleh kurva survival in vivo. Beberapa transplantasi tumor telah diteliti, dan diperoleh informasi dari “tumor cure” (pengobatan tumor) sampai penundaan pertumbuhan, atau survival sel. Selain itu, berbagai sistem jaringan normal telah pula diselidiki, meskipun pada hakikatnya survival sel tidak dapat diperkirakan. Kesulitan diperoleh untuk kuantisasi sistem yang mewakili efek lanjut.

Sel dalam kultur

Sel dari sediaan kultur dibuat suspensi sel tunggal, dicacah dan ditempatkan dalam cawan petri. Kemudian sel diinkubasikan dalam kondisi pertumbuhan ideal agar sel membentuk koloni yang menunjukkan sel melakukan reproduksi. Koloni makroskopis dihitung, dan dengan cara demikian fraksi jumlah sel yang survive terhadap sel kontrol untuk setiap dosis radiasi dapat ditentukan 

babehedi.com