Malé dávky záření a riziko rakoviny

Ať už jsou motivace zájemců o otázky účinku malých dávek ionizujícího záření jakékoliv, je zřejmé, že přibližně od r. 2005 se k tomuto tématu objevují nové vědecké dokumenty. Vedle několika souhrnných publikací jsou nyní k dispozici zprávy expertních těles. ¹⁾ Z dokumentů je však patrné, že existují dvě kategorie primárních poznatků: na jedné straně výsledky pozorování v kolektivech lidí, kteří byli nadměrně ozářeni (epidemiologické studie), na druhé straně poznatky získané na pokusných zvířatech, nižších organizmech či buněčných kulturách. Odkry té zákonitosti se potom aplikují na biologické děje vyvolané v lidském organizmu ozářením a na poruchy vedoucí k poškození zdraví v důsledku ozáření.

Meze epidemiologických studií

Metoda umožňující získat přehled o vlivu malých dávek tím, že se sledují zdravotní poruchy v populacích nadměrně ozářených lidí, je srozumitelná a zdá se být jednoduchá. Její uskutečnění i její přínos jsou však závislé na dvou podmínkách. Zaprvé musí být vyhledána vhodná exponovaná populace a k ní přiřazena vhodná populace kontrolní. Populace zatížená škodlivým činitelem by měla být co největší, měla by být známa míra zátěže (dávka záření) a v zkoumaném území by měly existovat registrační systémy zdravotnické i demografické. Zadruhé je třeba vyloučit rušivé vlivy, které by mohly zkreslovat konečné závěry.

Metodické postupy se v průběhu let zdokonalují a volba přístupu je závislá také na charakteristikách populace. Pro velké populace s četnějším výskytem poruch zdraví jsou vhodné spíše studie prospektivní, na jejichž začátku jsou dvě zdravé populace, ovlivněná a kontrolní. Retrospektivní studie vycházejí z vyhledaných případů poškození, k nimž se individuálně přiřazuje jeden nebo několik zdravých jedinců obdobné fyzické a sociální charakteristiky. Tak vznikne skupina zdravých a nemocných, u nichž se zkoumá historie, v ideálním případě se rekonstruují dávky záření. Jestliže se zpětně zjistí vyšší dávky u nemocných ve srovnání s nižšími dávkami kontrol, podpoří to hypotézu, že ozáření mělo na vznik onemocnění vliv.

Jednou z dalších podmínek je pevné určení hodnoceného účinku. Pro ionizující záření jsou předmětem zájmu především zhoubná nádorová onemocnění, a to jak výskyt nových případů onemocnění, tak úmrtnost na nádor. Porovnání obou kritérií umožní posoudit i úplnost a věrohodnost dat.

Od poloviny minulého století bylo organizováno množství skupinových šetření, z nichž nejvýznamnější bylo bezpochyby sledování osob ozářených v Hirošimě a Nagasaki r. 1945. Rozsáhlé studie probíhají také na území Běloruska, Ukrajiny a Ruska v populacích ozářených po nehodě v Černobylu r. 1986. Sledují se rovněž následky inhalace radonu a jeho produktů u horníků uranových dolů, nověji i u obyvatel domů s vyššími koncentracemi radonu. Souhrny významných epidemiologických studií jsou předkládány ve zprávách mezinárodních odborných těles. Jako kvantitativní ukazatel jsou v dokumentech odvozeny hodnoty koeficientů rizika. Ty mohou být vyjádřeny jako koeficienty rizika absolutního (udávají pravděpodobný výskyt jevu na 10 000 člověkoroků), nebo jako koeficienty rizika relativního (udávají riziko v násobku očekávaného spontánního výskytu).

Čím může soubor studií přispět k otázce malých dávek záření? Základem pro odhad rizika malých dávek je extrapolace z rozdílů mezi ozářenými a neozářenými skupinami, které lze jako statisticky významné zjistit v pásmu mírných a vyšších dávek záření zhruba od dávky 100 mGy. ²⁾ V omezeném počtu studií bylo ale významné zvýšení rizika rakoviny prokázáno i v úrovni několika desítek mGy. Směrem k nižším dávkám se už projevuje variabilita spontánního rizika a vliv řady menších nekontrolovatelných faktorů, znemožňujících oddělit vliv záření. Prokazovat významnost i malých dávek by znamenalo enormně zvyšovat počty lidí v sledovaných populacích – při lineárním poklesu dávek by se k průkazu statistické významnosti rozdílů musela populace zvětšovat kvadraticky. Epidemiologie má zkrátka své meze a vliv velmi malých dávek už prokázat nemůže.

Novinky studií biofyzikálních

Druhou cestou ke studiu malých dávek záření je analýza biofyzikálních dat, tj. využití experimentů na úrovni buněčné a molekulární. Novinky posledních let lze shrnout do dvou okruhů. První se týká souhry regulačních procesů, které navazují na primární poškození DNA a chromozomů, druhý zahrnuje poznatky o mimoterčových účincích, jež uvádějí v pochybnost klasické paradigma o výlučném významu přímého zásahu buňky.

Éra průzkumu primárních dějů je do jisté míry za námi. K těm základním mechanizmům poškození buněk patří na prvním místě úplné zlomy dvojvlákna chromozomové DNA, menší význam mají zlomy jediného vlákna a změny dílčích složek DNA, například poškození dusíkatých bází. Zodpovězena byla otázka, zda vůbec a čím se liší typy poškození DNA způsobené běžnými faktory, například reaktivními oxidanty, a ionizujícím zářením. Rozdíl spočívá v tom, že po ozáření se objevují především shluky zlomů DNA, popřípadě chybně opravených zlomů, které u běžně se vyskytujících narušení nemají obdobu.

Novější výzkumy přispěly k objasnění mechanizmů, jimiž se v buňkách identifikuje přítomnost poškození, a procesů, jimiž se přenáší signál o poškození k efektorovým strukturám (obrázek 1). V této regulaci se uplatňují bílkovinné působky, jež jsou produktem příslušných genů. Smyslem dějů, které se potom odehrávají, je zajistit přežití buněk, jejichž poškození bylo opraveno, takže původní genetické poškození buňky už nepředstavuje nebezpečí. Nedokáže-li buňka poškození opravit, potom je z organizmu vyřazena, zpravidla apoptózou (spáchá sebevraždu). Tímto očistným procesem je v buňce zajištěna genomická rovnováha.

Další poznatky vyplývají ze širšího pohledu na změny v ozářených buněčných populacích. Základní představa o účincích ozáření dosud spočívala v tom, že odezva na ozáření vychází jen z přímo zasažených buněk, ve kterých se energie ionizací deponovala. Nyní se studují zejména dva další možné mechanizmy odezvy, které ukazují, že i v buňkách nezasažených se v návaznosti na ozáření projevují analogická poškození:

• Jedním z mechanizmů je efekt přihlížejícího (bystander efect), spočívající v tom, že i v buňkách v okolí zasaženého elementu lze příslušnými postupy dokázat přítomnost poruch. První důkaz o existenci tohoto jevu byl podán ve studiích o indukci výměny sesterských chromatid po ozáření malými množstvími alfazáření. Existuje několik metod k průkazu jevu. Jedna využívá mikroskopicky úzký svazek k ozáření jednotlivé buňky, jiná pracuje se smíšenou kulturou dvou kompatibilních buněčných linií (ozářené a neozářené) lišících se vhodným identifikačním znakem. Mechanizmus přenosu od ozářených elementů k jejich „pasivním“ sousedům se studuje se zaměřením na úlohu jednak jemných fyzických spojů mezi buňkami, jednak možného humorálního přenosu signálu.
• Druhý je efekt genomické nestability (obrázek 2), který ukazuje, že vedle tohoto prostorového faktoru se mohou změny v neozářených buňkách objevit v závislosti na časovém faktoru – v příštích generacích. Přitom genomická nestabilita nemá původ v mutacích, proto také (na rozdíl od nich) není nevratná, ale je ovlivňována dalšími faktory. Byla prokázána různými genetickými indikátory, jako jsou maligní transformace, chromozomové odchylky, specifické genové mutace a přežití buněk. Například při studiu maligní přeměny způsobí dávky vyvolávající mutaci s pravděpodobností 10^–6 určitý typ genomické nestability ve 20–30 % ozářených buněk. V jiném pokusu se vlivem genomické nestability objevil u 10 % elementů vzestup spontánních mutací v klonální buněčné populaci odvozené z jediné buňky, která přežila ozáření, ve srovnání s klonální populací odvozenou z neozářené buňky. Jev byl v oslabující se míře prokazatelný v dalších generacích, teprve ve třicáté generaci vymizel. Některá experimentální data svědčí o společném výskytu genomické nestability s probuzením rakoviny. Projevuje se také úsilí objasnit patogenezi genomické nestability. Jedním z dílčích poznatků je zjištění, že v případě experimentálního mamárního tumoru jde o poruchu ve funkci reparačního enzymu DNAPKcs.

Při studiu účinku malých dávek se uplatní i dřívější pozorování „příznivého efektu“ malých dávek (radiační hormese) doplněná novými daty. Za určitých podmínek mají malé dávky účinky opačného směru než dávky velké (viz také Vesmír 66, 245, 1987/5; 66, 525, 1987/9; 67, 700, 1988/12). Do této kategorie jevů patří i adaptivní odpověď, kdy podmiňující dávka v úrovni 5–10 mGy se po 3–6 hodinách projeví tím, že sníží defekt útočné dávky v oblasti nad 1 Gy. Z možných vysvětlení budí pozornost především názor, že malými dávkami jsou aktivovány reparační mechanizmy, které pak ovlivní celkový výsledek.

K těmto otázkám přispěly v nedávné době výsledky anglické Grayovy laboratoře, která dnes spolu s radiobiologickou skupinou na newyorské Kolumbově univerzitě představuje světovou špičku. Souvisí to i s novými přesnými metodami, jimiž se měří klonogenní přežití buněk (tj. schopnost jejich reprodukce) ozářených velmi nízkými dávkami. Jednotlivé buňky jsou po ozáření vkládány do samostatných komůrek, a poté se sleduje každá buňka zvlášť. Statisticky se zpracují výsledky velkého počtu jednotlivých buněk, a tak se stanoví přežití. Výsledky ukázaly, že přežití buněk v oblasti malých dávek záření není lineární (obrázek 3). V pásmu dávek do 200 mGy přežití buněk se stoupající dávkou prudce klesá, v dalším intervalu stoupajících dávek se efekt paradoxně zmenšuje, a teprve potom se ustaluje plynulý pokles přežití buněk v závislosti na dávce. Pokusy s použitím fyzikálních či chemických modifikátorů nápravných dějů vedly k závěru, že příčinou zvratu při stoupající dávce je probuzení opravných dějů, a nikoli například existence několika populací buněk s rozličnou vnímavostí. Existuje určité dávkové rozpětí, na jehož dolní hranici se zjišťuje vyšší efekt než na hranici horní.

Existence efektu přihlížejícího a efektu genomické nestability může v důsledcích znamenat, že křivky vztahu dávky a účinku vytvořené podle klasického paradigmatu podceňují skutečné riziko. Anomálie odezvy v oblasti malých dávek naopak naznačuje, že může být nedostatečně respektována kapacita opravných procesů a současné odhady rizika jsou nepřiměřeně vysoké. Nových poznatků ale zatím není dost na to, aby bylo možno opustit klasické hodnocení vztahu dávky a účinku, založené na „terčové“ představě poškození přímo zasažených buněk.

Pokus o integrující pohled

Z novějších pokusů vyjádřit se k tvaru křivky znázorňující souvislost mezi dávkou a rizikem vzniku nádorů zmiňme přístup L. E. Fei nendegena, odborníka v radiobio logii a klinické radiační patologii, který působí na Univerzitě v Düsseldorfu a spolupracuje s Brookhavenskou národní laboratoří v USA. ³⁾ Nyní chce rozšířit představu o regulačních dějích z buněčné úrovně na více „etáží“ lidského organizmu, tj. na etáž atomární, molekulární, tkáňovou a celistvého organizmu.

Signalizace zprostředkovaná molekulami aktivních působků probíhá jak na úrovni jednotlivých etáží, tak mezi nimi a vyvolává příslušné odezvy. Lze hovořit o podvojné odpovědi savčích buněk na malé dávky záření. Na jedné straně je vyvoláno poškození molekul DNA, na druhé straně se uplatňuje adaptivní ochrana, a to jak proti trvajícímu poškození, tak proti šíření tohoto poškození ze základní úrovně ke klinickému projevu nemoci. Při malých dávkách adaptivní ochrana zprvu se stoupající dávkou narůstá, avšak od úrovně 0,1–0,2 Gy nestačí plnit ochrannou funkci, její křivka nelineárně stoupá.

Taková modelová představa je neslučitelná s hypotézou o vzrůstu rizika onemocnění rakovinou úměrně množství absorbované dávky. K tomu L. E. Feinendegen a jeho kolegové dodávají, že teorie i experimentální pozorování nejen podporují závěr, že výskyt rakoviny je nižší, než by se podle lineárního modelu očekávalo, ale navíc vysvětlují pokles výskytu nádoru po malých dávkách (hormetickou odezvu). Je jistě obtížné se jednoznačně přiklonit k jejich závěrům, které směřují k předpokladu dávkového prahu pro indukci nádorů. Epidemiologické studie podporující existenci hormese nejsou totiž obecně přijaty jako přesvědčivé. ⁴⁾

Platí lineárnost i pro dávky limitující k nule?

Selský rozum je nakloněn představě, že velmi malým dávkám (v úrovni nižší, než je 1 % přírodního pozadí, tedy v řádu desítek mikrosievertů za rok) není namístě připisovat pozoruhodný účinek, a tedy omezovat takové dávky zvláštními opatřeními. Takový postoj má své opodstatnění. Pro přírodní radiační pozadí, jehož celosvětový průměr se odhaduje na 2,4 mSv ročně s kolísáním např. v rozmezí ± 10 %, nelze metodicky prokázat zdravotní důsledky. Zdravotní stav populace včetně rizika rakoviny je určován řadou vzájemně působících okolností a pokus o oddělení vlivu tak nízkých dávek záření by nebyl legitimní. Studium vztahu dávky záření a rizika rakoviny je reálné až od dávek překračujících úroveň radiačního pozadí, pro kterou lze předpokládat i vzestup rakovin, a za podmínek umožňujících statistický průkaz ho také demonstrovat (obrázek 4). Čtyřúhelník vymezený spontánní frekvencí rakovin a dávkami pozadí je oblast irelevantní, uvnitř které nelze nic o vztahu a dávky vypovídat.

Problém nastává při výpočtu pravděpodobnosti rizika malých dávek s použitím koeficientů odvozených z pozorování účinků dávek středních a vyšších. Riziko 5 × 10^–2 (tj. 5 %) přídatných úmrtí na nádor při ozáření 1 Sv znamená za předpokladu lineárního vztahu riziko 5 × 10^–7 při 10  µSv. V desetimilionové populaci takto ozářených lidí by se tedy vyskytlo pět úmrtí na nádor navíc k běžně očekávaným 2,5 milionu (asi čtvrtina všech úmrtí v populaci je způsobena nádorem). Tento nárůst by byl statisticky neodlišitelný také v důsledku časové variability ukazatele. V dokumentech radiační ochrany se diskutuje o oprávněnosti termínů zanedbatelná dávka, triviální dávka aj. Bez ohledu na formalizmus předpisů i na odpor některých expertů k návrhu zavést termín „pragmatický práh“ je nutné připustit, že zkoumat nejnižší dávky z hlediska možných zdravotních účinků a odvozovat z nich požadavky na ochranu je obtížné.

Cesta pro radiobiology

Odborníci v radiační ochraně se r. 2007 dočkali také novely doporučení Mezinárodní komise radiologické ochrany (ICRP). Tato doporučení jsou celosvětově přijímána jako vodítko shrnující platná východiska a principy radiační ochrany. Citujeme text k otázce malých dávek: ⁵⁾ „Komise na závěr soudí, že v současné době neexistují dobré vědecké důvody k zahrnutí možnosti supralineárního vztahu dávkové odpovědi nebo existence prahu pro malé dávky do výpočtů rizika nádorů pro účely radiační ochrany. Na tomto základě se doporučuje, aby model lineární dávky (LNT) kombinovaný s dobře posouzenou hodnotou DDREF pro extrapolaci z vysokých dávek zůstal uvážlivou základnou pro praktické účely radiologické ochrany při malých dávkách a nízkých dávkových příkonech.“

K tomu je třeba zopakovat, že hypotéza lineární dávky v radiační ochraně není hypotéza radiobiologická. Je to nejlepší aproximace dostupných dat pro řešení otázek praxe, jejímž východiskem je názor, že linearita v oblasti malých dávek je spojena spíše s pravděpodobností nadhodnocení reálné situace, a přitom zůstává jen malá pravděpodobnost možného podhodnocení. Radiobiologové mají otevřenou cestu – nové poznatky v molekulární biologii, biologických regulacích a inovace experimentálních technik zůstávají podnětem pro další bádání.