Radiobiology Dasar
Radiobiologi adalah studi kualitatif dan kuantitatif
dari efek radiasi pengion pada makhluk hidup. Radiasi dapat memberikan efek
berupa kerusakan sel dimana sel menjadi ganas atau secara langsung menginduksi
kematian sel.
Pada level mikroskopis, sinar atau partikel yang datang akan berinteraksi dengan electron orbital dalam atom atau molekul seluler sehingga menyebabkan :
- Eksitasi : kenaikan electron terikat naik ke level energy yang lebih tinggi, electron tidak memiliki energy yang cukup untuk meninggalkan atom induknya.
- Ionisasi : electron menerima energi yang cukup untuk dikeluarkan dari orbitnya dan meninggalkan atom induknya.
Radiasi pengion mampu menginduksi proses ejeksi electron -> irradiasi bahan seluler menimbulkan produksi fluks partikel sekunder energik (elektron) -> energik dan tidak terikat, mereka mampu berpindah jauh dari tempat produksi, berinteraksi dengan atom dan molekul lain, dan melepaskan energi ke medium sekitarnya
Susunan atom yang berubah
menyebabkan perubahan susunan molekul -> kinerja sel akan berubah ->
dapat menyebabkan kematian sel.
Perubahan kimia terjadi dalam skala
waktu yang singkat (~10–5 s), tetapi periode ini merupakan ~1018
lebih lama dari waktu yang dibutuhkan partikel asli untuk melintasi inti sel.
Dengan demikian, pada skala mikroskopis, ada periode yang relative lebih lama
selama itu terjadi kerusakan kimia.
Awal peristiwa ionisasi dalam bahan
biologis (hampir di tingkat mikroskopis) adalah pelopor untuk rantai peristiwa
selanjutnya yang dapat mengarah pada gejala klinis manifestasi (makroskopik) dari
kerusakan radiasi.
Rentang waktu efek radiasi :
Sifat Biologis Radiasi Pengion
Jenis-jenis radiasi pengion :
a) Radiasi Gamma
- merupakan radiasi elektromagnetik dengan energy yang tinggi ( >25 keV)
- diproduksi oleh interaksi partikel subatomic
- panjang gelombang pendek dengan frekuensi yang tinggi
Interaksi radiasi pada biologis :
Efek fotolistrik -> foton yang datang mengenai suatu atom maka electron yang terikat kuat pada pada atom tersebut akan terlepas. Pada peristiwa ini energy foton akan terserap sepenuhnya. Efek fotolistrik terjadi pada foton berenergi rendah.
Hamburan Compton -> peristiwa terhamburnya foton saat menumbuk electron diam pada kulit terluar atom. Terhamburnya foton dengan energy lebih rendah dari foton datang disertai dengan terlepasnya electron yang ditumbuk dengan energy kinetic tertentu. Artinya energy foton yang datang diserap oleh atom diubah menjadi energy kinetic electron dan foton hamburan berenergi rendah.
Produksi pasangan -> terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam inti atom berat. Pada proses ini, foton akan berinteraksi dengan atom secara keseluruhan sehinggga energo foton akan hilang dan membentuk sepasang electron-positron. Produksi pasangan hanya terjadi pada energy foton datang > 1,02 MeV
b) Radiasi Beta
Elektron dipancarkan sebagai akibat
dari peluruhan radionuklida β, terjadi ketika ada kelebihan relatif dari
neutron (–) atau proton (+) di dalam inti. Salah satu kelebihan neutron diubah
menjadi proton, dengan kelebihan energi
berikutnya yang dilepaskan dan dibagi antara elektron yang dipancarkan dan anti-neutrino.
Pemancaran sinar-β, energy peluruhan hamper seluruhnyaa dibawa oleh partikel-β dalam bentuk energy kinetic. Spektrum yang dipancarkan radiasi beta adalah spectrum kontinu.
c) Radiasi Alpha
Dipancarkan saat nuklida berat dan tidak stabil yang mengalami peluruhan. Massa partikel alfa cukup berat yaitu 4 sma sehingga jangkaunnya sangat pendek dan pergerakannya cukup pelan yaitu berkisar 0.054 c – 0.07 c. Spektrum yang dipancarkan radiasi alfa adalah spectrum diskrit
d) Electron Auger
Radionuklida yang meluruh dengan
penangkapan elektron atau konversi internal meninggalkan atom dalam keadaan
sangat tereksitasi dengan kekosongan di salah satu orbital elektron kulit dalam.
Kekosongan ini dengan cepat diisi oleh transisi fluoresen (sinar-X karakteristik)
atau transisi nonradiatif (Auger), energi yang diperoleh dari transisi elektron
ke orbital yang lebih dalam digunakan untuk mengeluarkan elektron lain dari
atom yang sama. Jangkauan electron Auger sangat pendek, dan merupakan partikel berenergi rendah.
Efek Molekuler dari Radiasi
a) Aksi langsung : terutama dengan LET radiasi tinggi, misalnya partikel alfa dan neutron.
Ionisasi atau eksitasi (melalui interaksi Coulomb) dari atom-atom di sasaran biologis → rantai peristiwa yang akhirnya mengarah pada kerusakan yang dapat diamati (makroskopik).
b) Aksi tak langsung : terutama dengan LET radiasi rendah, misalnya sinar-X, sinar gamma.
Radiasi efek pada atom atau molekul
yang adalah bukan bagian dari target biologis. Sel ada di lingkungan berair
yang kaya→ sebagian besar tindakan tidak langsung melibatkan ionisasi atau eksitasi
molekul air. Radikal bebas diciptakan, kemudian dapat bermigrasi dan merusak
target biologis yang berdekatan. Kerusakan tidak langsung ini menyumbang ~2/3
dari kerusakan sel.
Radikal bebas dihasilkan sebagai akibat dari efek langsung
atau tidak langsung yang bersifat sangat
reaktif dan berusaha untuk berinteraksi dengan molekul lain yang dapat
berbagi/menyumbangkan electron.
Oksigen molekuler (HAI2)
memiliki 2 elektron tidak berpasangan dan mudah bereaksi dengan radikal bebas,
menyebabkan peningkatan kerusakan asam
deoksiribonukleat (DNA).
Oxygen Enchancement Ratio (OER) untuk mencapai efek biologis yang setara :
Kerusakan DNA
Kerusakan DNA adalah penyebab utama kematian sel yang disebabkan oleh radiasi. Paparan radiasi menghasilkan berbagai macam lesi pada DNA :
- Pemutusan untai tunggal (SSB)
- Pemutusan untai ganda (DSBs)
- Kerusakan dasar
- Ikatan silang protein-DNA
- Ikatan silang protein-protein
DSB memiliki peran penting dalam pembunuhan sel, karsinogenesis, efek keturunan. Pada dosis rendah, DSB mampu bertahan hidup. Pada dosis yang lebih tinggi DSB tidak diperbaiki atau salah diperbaiki.
Mekanisme Kerusakan DNA
DNA tersusun atas ikatan antara gugus fosfat & gula dioksiribosa kemudian dihubungkan oleh ikatan antar basa nitrogen. Kerusakan DNA biasanya ditandai dengan perubahan struktur molekul basa atau putusnya ikatan hidrogen antar basa -> putusnya ikatan mangakibatkan terganggunya kode DNA.
Kerusakan DNA dapat diperbaiki dan juga tidak dapat diperbaiki. Kerusakan DNA yang tidak diperbaiki akan menimbulkan mutasi (kanker atau efek genetic) atau kehilangan kemampuan untuk membelah diri lalu mengalami apoptosis (kematian sel) di dalam sel.
Kerusakan DNA yang dapat diperbaiki tidak memastikan perbaikan sepenuhnya, apabila terjadi radiasi kedua pada lokasi yang sama maka perbaikan DNA tidak terjadi dan mengalami kematian sel.
Mekanisme Kematian Sel
Sel dapat mengalami kematian dikarenakan kerusakan DNA. Proses kerusakan ini dapat melalui ionisasi dan eksitasi secara langsung dan tidak langsung. Dengan dosis 1-2 Gy mampu merusak DNA dengan kerusakan pada : crosslink kerusakan dasar >1000, crosslink SSBs ~1000, crosslink pada DSB ~40.
Kematian sel dapat terjadi dalam berbagai cara, yaitu :
a) Apoptosis
Apoptosis adalah kematian sel terprogram yang dapat terjadi secara alami maupun akibat lingkungan luar sel. Proses aptosis terjadi pada dosis radiasi rendah.
b) Nekrosis
Nekrosis adalah kematian sel yang terikat dengan hilangnya akyivitas membran sel. Proses nekrosis terjadi pada radiasi dosis tinggi.
c) Mitotosis Katastrop
Merupakan proses dimana sel-sel berusaha membelah namun tanpa perbaikan yang tepat akibat kerusakan DNA sehingga sel tersebut mengalami kematian pada sel reproduksi. Proses ini terjadi pada beberapa pembelahan sel setelah iradiasi pertama.
d) Senescene
Merupakan sel-sel tua yang tetap mengalami metabolisme setelah iradiasi namun kemampuannya untuk membelah diri berhenti.
Efek Bystender terjadi ketika sel yang tidak dilalui oleh partikel bermuatan rusak akibat interaksi radiasi yang terjadi pada sel tetangganya. Namun penemuan ini menimbulkan panndangan berbeda tentang bahwa semua kerusakan radiasi berasal dari interaksi langsung partikel bermuatan dengan target seluler kritis
Terdapat perubahan pola pikir mengenai efek radiasi, yaitu sel dapat mengalami kerusakan genetik atau respon biologik dari radiasi tanpa mengalami pajanan secara langsung dari sinar radiasi, tetapi berada di sekitar sel yang mendapat radiasi langsung. Hal ini dikenal sebagai efek bystander. Efek biologisnya tidak berhubungan langsung dengan besarnya energi radiasi pada DNA.
Ini mungkin paling signifikan dalam proteksi radiasi yang melibatkan dosis rendah karena memperkuat efek radiasi keseluruhan dalam situasi di mana tidak semua sel dalam jaringan dikenai partikel transversal, yaitu risiko radiasi keseluruhan untuk jaringan itu lebih tinggi daripada yang diharapkan.
Perbaikan DNA
Mekanisme perbaikan DNA : perbaikan eksisi dasar, perbaikan ketidakcocokan, perbaikan eksisi nukleotida
Respon perbaikan : oksidasi basa, alkilasi, interkalasi untai
Perbaikan eksisi dasar : pembelahan untai DNA yang rusak oleh enzim yang memotong rantai polinukleotida di kedua sisi kerusakan, dan enzim yang memotong ujung rantai polinukleotida yang memungkinkan penghapusan segmen pendek yang mengandung daerah yang rusak. DNA polimerase kemudian dapat mengisi celah yang dihasilkan menggunakan untai berlawanan yang tidak rusak sebagai cetakan.
Non-homolog end joining (NHEJ) : perbaikan beroperasi pada fragmen DNA ujung tumpul. Proses ini melibatkan protein perbaikan yang mengenali termini lesi, membersihkan ujung molekul DNA yang patah, dan ligasi akhir dari ujung yang patah. NHEJ beroperasi sepanjang siklus sel tetapi mendominasi dalam fase G1/S. Prosesnya rawan kesalahan karena tidak bergantung pada urutan homologi
Rekombinasi homolog : perbaikan DSB menggunakan homologi urutan dengan salinan yang tidak rusak dari wilayah yang rusak dan karenanya, hanya dapat beroperasi pada fase S atau G2 akhir dari siklus sel. DNA yang tidak rusak dari kedua untai digunakan sebagai cetakan untuk memperbaiki kerusakan. Berbeda dengan NHEJ, rekombinasi homolog bebas dari kesalahan.
Sumber :
IAEA : Nuclear Medicine Physics: A Handbook for Teachers and Students – Chapter 2
Akhadi, M., Dasar-Dasar Protekski Radiasi, Rineka Cipta, Jakarta (2000).
Komentar
Posting Komentar