Radiologi - Aspek-Aspek dalam Radiologi

    Radiasi adalah emisi dan perambatan energi melalui materi dalam bentuk gelombang elektromagneti atau partikel. Berdasarkan efek yang terjadi radiasi dapat dibedakan atas radiasi pengion dan radiasi non-pengion. Berdasarkan sumbernya radiasi dapat dibedakan atas radiasi alam, radiasi buatan, dan radiasi kosmik.

    Contok dari radiasi pengion adalah radiasi elektromagnet seperti sinar-X dan sinar gamma, radiasi partikel alfa, beta, gamma, dan neutron. contoh dari radiasi non-pengion yaitu radiasi elektromagnetik seperti gelombang radio, gelombang mikro, infrared, UV, dan cahaya tampak. Contoh dari sumber radiasi alam yaitu radionuklida prumordial dan contoh dari radiasi buatan sepeprti reaktor nuklir.

    Radiobiologi adalah studi kualitatif dan kuantitatif tentang efek radiasi pengion pada materi hidup. Radiasi dapat menyebabkan sel menjadi ganas, mengubah fungsinya, atau secara langsung menyebabkan kematian sel. Pertimbangan dari radiobiologi terkait adalah bahwasannya radiobiologi penting dalam aplikasi diagnostik radiasi dan dalam aplikasi terapi radiasi.

    Pada tingkat mikroskopis, sinar atau partikel datang dapat berinteraksi dengan elektron orbital dalam atom dan molekul seluler yang menyebabkan beberapa fenomena yaitu:

- Iradiasi bahan seluler dengan radiasi semacam itu meningkatkan produksi fluks partikel sekunder energik (elektron).

- Eksitasi: menaikkan elektron terikat ke tingkat energi yang lebih tinggi, elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk meninggalkan atom inangnya.

- Ionisasi: elektron menerima energi yang cukup untuk dikeluarkan dari orbitnya dan meninggalkan atom induk, radiasi pengion mampu menginduksi proses ejeksi elektron.

    Proses penyerapan energi ini menimbulkan radikal dan spesies kimia lainnya. Interaksi kimiawi menyebab kerusakan radiasi. Terlepas dari sifat radiasi primer (partikel dan / atau gelombang elektromagnetik), energi selalu ditransfer ke materi melalui elektron sekunder yang dihasilkan. Perubahan kimiawi berlangsung dalam skala waktu yang singkat (~ 10–5 detik), tetapi periode ini merupakan faktor ~ 1018 lebih lama dari waktu yang dibutuhkan partikel asli untuk melintasi inti sel. Jadi, pada skala mikroskopis, ada periode yang relatif lama di mana kerusakan kimiawi terjadi.

    Peristiwa ionisasi awal dalam bahan biologis (hampir seketika pada tingkat mikroskopis) adalah prekursor rantai peristiwa berikutnya yang dapat menyebabkan manifestasi klinis (makroskopis) dari kerusakan radiasi. Ekspresi kematian sel pada sel-sel yang rusak parah terjadi kemudian, biasanya pada saat sel selanjutnya mencoba memasuki mitosis. Efek radiasi kotor (makroskopis dan dapat diamati secara klinis) adalah hasil dari gangguan fungsional menyeluruh yang disebabkan oleh kerusakan mematikan yang ditimbulkan pada sejumlah besar sel atau substruktur kritis. Dalam studi klinis, efek kesehatan yang merusak dapat terlihat lama setelah tes diagnostik atau seluruh proses mungkin membutuhkan berbulan-bulan / tahun.

Dalam kedokteran nuklir, empat jenis radiasi yang berperan dalam tumor dan efek jaringan normal:

 radiasi gamma

 radiasi beta 

 partikel alfa 

 elektron Auger 

Radiasi Gamma

    Radiasi elektromagnetik (EM) berenergi tinggi (biasanya> 25 keV) dihasilkan oleh interaksi partikel subatomik sebagai aliran kumpulan partikel mirip gelombang (foton) yang bergerak dengan kecepatan cahaya, sifat interaksi yang diatur terutama oleh panjang gelombang yang terkait. Perilaku ionisasi sejumlah besar foton dapat diprediksi secara akurat; interaksi foton individu terjadi secara acak, saat melewati materi foton dapat berinteraksi satu kali atau lebih atau tidak pernah.

    Dalam setiap interaksi (biasanya melibatkan peristiwa produksi fotoelektrik, Compton, atau pasangan), partikel sekunder diproduksi, biasanya elektron (pengion langsung) atau foton lain dengan energi tereduksi, yang dapat menjalani interaksi lebih lanjut.

- elektron sekunder: mengalami banyak peristiwa pengion yang relatif dekat dengan tempat pembuatannya sebagian besar berkontribusi pada dosis yang diserap secara lokal.

- foton sekunder: membawa energi lebih jauh dari tempat interaksi awal, mengikuti interaksi penghasil elektron berikutnya, bertanggung jawab atas deposisi dosis di tempat yang lebih jauh dari interaksi asli.

Radiasi Beta

    Elektron yang dipancarkan sebagai akibat dari peluruhan radionuklida β, terjadi ketika terdapat kelebihan relatif dari neutron (β–) atau proton (β +) di dalam nukleus. Salah satu kelebihan neutron diubah menjadi proton, dengan kelebihan energi selanjutnya dilepaskan dan dibagi antara elektron yang dipancarkan dan anti-neutrino. Banyak radionuklida menunjukkan peluruhan, partikel yang dipancarkan mengikuti spektrum energi yang memungkinkan daripada dipancarkan dengan energi diskrit tetap. Secara umum, energi rata-rata adalah 1 / 3 dari energi maksimum.

    Sebagian besar radionuklida pemancar juga memancarkan foton sebagai konsekuensi dari peluruhan awal, meninggalkan inti anak dalam keadaan metastabil dan tereksitasi. Karena partikel beta adalah elektron, setelah dikeluarkan dari atom inangnya, mereka berperilaku persis seperti elektron yang dibuat setelah lewatnya sinar beta, melepaskan energinya (biasanya dalam urutan beberapa ratus keV) ke atom dan molekul lain melalui serangkaian tabrakan. Untuk radionuklida yang memancarkan beta partikel dan gamma foton, biasanya radiasi partikulat yang mengirimkan fraksi terbesar dari dosis radiasi ke organ yang telah melakukan aktivitas. Misalnya.: sekitar 90% dosis yang dikirim ke tiroid oleh 131I berasal dari komponen beta.  Emisi berkontribusi lebih signifikan terhadap dosis keseluruhan tubuh.

Radiasi Alfa

    Dipancarkan saat nuklida berat dan tidak stabil mengalami pembusukan. - inti helium (2 n + 2 p) yang dipancarkan dalam peluruhan nuklir - m  7000 m - dua kali muatan elektronik  - melepaskan energinya dalam jarak yang sangat pendek (<100 µm). Partikel  biasanya memiliki energi dalam kisaran MeV dan kehilangan energi ini dalam jarak dekat sehingga secara biologis sangat efektif, yaitu memiliki LET yang tinggi (transfer energi linier; lihat Bagian 2.6.3) dan terkait dengan RBE yang tinggi.

Elektron 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 non-radiasi (Auger): energi yang diperoleh dari transisi elektron ke orbital yang lebih dalam digunakan untuk mengeluarkan elektron lain dari atom yang sama.

    Elektron Auger berjarak sangat pendek, partikel berenergi rendah sering dipancarkan dalam kaskade, akibat dari kekosongan atom kulit dalam yang melintasi atom ke orbital terluar, mengeluarkan elektron tambahan pada setiap langkah. Kelompok elektron berenergi sangat rendah ini dapat menghasilkan kerapatan ionisasi yang sebanding dengan yang dihasilkan oleh jalur partikel α. Radionuklida yang meluruh dengan penangkapan elektron dan / atau konversi internal dapat menunjukkan perilaku seperti LET tinggi yang dekat (dalam 2 nm) ke lokasi peluruhan.

Direc Action: Ionisasi atau eksitasi (melalui interaksi Coulomb) atom dalam rantai peristiwa target biologis yang akhirnya mengarah pada kerusakan yang dapat diamati (makroskopik). Dalam sel mamalia yang biasanya beroksigen, efek langsung bertanggung jawab atas 1 / 3 kerusakan untuk radiasi LET rendah seperti elektron dan foton.

Indirec Action: Efek radiasi pada atom atau molekul yang bukan merupakan bagian dari target biologis. Sel ada di lingkungan berair yang kaya  sebagian besar tindakan tidak langsung melibatkan ionisasi atau eksitasi molekul air. Radikal bebas yang tercipta kemudian dapat berpindah dan merusak target biologis yang berdekatan. Tindakan tidak langsung adalah penyebab utama kerusakan radiasi dan, dalam sel normoksik, menyebabkan 2/3 kerusakan.

Bystander effects 

    Terjadi ketika sel yang belum dilintasi oleh partikel bermuatan rusak akibat interaksi radiasi yang terjadi di sel tetangga neighbor Penemuannya menimbulkan tantangan terhadap pandangan tradisional bahwa semua kerusakan radiasi berasal dari interaksi langsung partikel bermuatan dengan target seluler kritis, Masih kontroversial dalam radiobiologi. Penjelasan yang mungkin adalah bahwa sel yang diradiasi dapat mengirimkan sinyal stres ke sel terdekat respon, misalnya permulaan apoptosis, dalam sel-sel itu. Mungkin paling signifikan dalam proteksi radiasi yang melibatkan dosis rendah karena memperkuat efek radiasi keseluruhan dalam situasi di mana tidak semua sel dalam jaringan mengalami transversal partikel, yaitu risiko radiasi keseluruhan jaringan itu lebih tinggi dari yang diharapkan.

Kerusakan DNA

    Kerusakan DNA adalah penyebab utama kematian sel akibat radiasi. Paparan radiasi menghasilkan berbagai macam lesi pada DNA:

 single strand break (SSBs) 

 double strand break (DSBs) 

 base damage 

 protein – DNA cross-link 

 protein – protein cross-link

    Jumlah lesi DNA yang ditimbulkan oleh iradiasi cukup besar, tetapi terdapat sejumlah mekanisme untuk perbaikan DNA persentase lesi yang menyebabkan kematian sel sangat kecil.

    DSB memainkan peran penting dalam pembunuhan sel, karsinogenesis, efek herediter

Bukti eksperimental:

 DSB yang diproduksi pertama kali berkorelasi dengan radiosensitivitas dan kelangsungan hidup pada dosis yang lebih rendah B DSB yang tidak diperbaiki atau salah diperbaiki juga berkorelasi dengan kelangsungan hidup setelah dosis yang lebih tinggi.

 ada hubungan sebab akibat antara pembentukan DSB dan induksi translokasi kromosom dengan potensi karsinogenik.

DNA Repair

    Perbaikan eksisi: pembelahan untai DNA yang rusak oleh enzim yang membelah rantai polinukleotida di kedua sisi kerusakan, dan enzim yang membelah ujung rantai polinukleotida memungkinkan pengangkatan segmen pendek yang mengandung daerah yang rusak. DNA polimerase kemudian dapat mengisi celah yang dihasilkan menggunakan untai yang tidak rusak sebagai templat.

    Penggabungan akhir nonhomologis (NHEJ): Perbaikan beroperasi pada fragmen DNA yang ujungnya tumpul. Proses ini melibatkan perbaikan protein yang mengenali termini lesi, membersihkan ujung molekul DNA yang rusak, dan ligasi akhir dari ujung yang rusak. NHEJ beroperasi sepanjang siklus sel tetapi mendominasi dalam fase G1 / S. Prosesnya rawan kesalahan karena tidak bergantung pada homologi urutan.

Rekombinasi homolog: Perbaikan DSB menggunakan homologi urutan dengan salinan yang tidak rusak dari daerah yang rusak dan, oleh karena itu, 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.

EFEK SELULER DARI RADIASI

    Dosis radiasi dengan urutan beberapa Gy dapat menyebabkan hilangnya sel. Sel dianggap telah 'terbunuh' oleh radiasi jika kehilangan integritas reproduksinya, yang dapat terjadi oleh apoptosis, nekrosis, bencana mitosis atau penuaan yang diinduksi dan mungkin memerlukan waktu yang signifikan.

    Untuk pemahaman kuantitatif tanggapan biologis terhadap radiasi: perilaku kelangsungan hidup sel (respon dosis) struktur karakteristik dan makna dari peran kurva yang dimainkan oleh berbagai faktor yang mempengaruhi respon radiasi. Bentuk khas dari kurva kelangsungan hidup sel untuk jaringan mamalia: kelangsungan hidup pecahan sel yang dihasilkan dari pengiriman dosis akut tunggal dari radiasi yang ditentukan. Dosis akut berarti dosis yang diberikan dengan kecepatan dosis tinggi, yaitu hampir secara instan.

    Untuk studi radiobiologi, konsep LET bermasalah karena berkaitan dengan laju deposisi energi linier rata-rata tetapi, pada tingkat mikroskopis (yaitu pada dimensi yang sebanding dengan target seluler kritis), energi yang disimpan per satuan panjang sepanjang bagian yang berbeda dari a trek tunggal dapat bervariasi secara dramatis. Karena partikel bermuatan kehilangan energi dalam perjalanannya melalui media melalui hasil tumbukan dan proses pengion, LET naik tajam ke nilai tertinggi menjelang akhir rentangnya. Perubahan nilai LET di sepanjang trek adalah salah satu alasan mengapa nilai LET rata-rata berkorelasi buruk dengan efek biologis yang diamati (yaitu makroskopis). RBE yang diukur secara langsung memiliki kegunaan yang jauh lebih besar sebagai indikator perbedaan kemanjuran biologis dari berbagai jenis radiasi.

Karakteristik deposisi dosis: transfer energi linier:

Untuk titik akhir biologis tertentu, RBE radiasi LET tinggi didefinisikan sebagai:

Efektivitas biologis relatif (RBE) sebagai fungsi dosis radiasi per fraksi. Kecenderungan umum RBE yang terus menurun dengan peningkatan dosis per fraksi tidak bergantung pada nilai yang dipilih.

    Nilai RBE pada setiap ukuran fraksi dosis juga akan diatur oleh rasio rendah (parameter tergantung jaringan yang memberikan ukuran bagaimana jaringan merespon perubahan dalam fraksinasi dosis) dan ukuran fraksi dosis (parameter fisik murni) di poin yang dipertimbangkan. Nilai RBEmax sendiri mungkin bergantung pada jaringan, kemungkinan lebih tinggi untuk jaringan normal yang membatasi dosis daripada untuk tumor (seperti yang terlihat dalam pengalaman klinis dengan terapi neutron, berbagai spesies ion serta studi mikrodosimetri teoritis). Efek yang berpotensi merusak ini dapat diimbangi oleh fakta bahwa, dalam berkas karbonhelium dan argon-ion, LET (dan, karenanya, RBE) akan bervariasi di sepanjang lintasan sedemikian rupa sehingga rendah pada titik masuk (berdekatan dengan jalur normal jaringan) dan tertinggi di puncak Bragg yang terletak di tumor. Meskipun ini mungkin bermanfaat, itu berarti bahwa RBE lokal lebih bervariasi secara spasial daripada yang ditunjukkan oleh persamaan dL dosis LET rendah per fraksi.

    Pada dosis yang lebih rendah dan kecepatan dosis (banyak eksposur), pemulihan sel mungkin memainkan peran penting dalam fiksasi kerusakan radiasi.

Ada tiga jenis kerusakan radiasi seluler:

Kerusakan mematikan: di mana DNA sel rusak permanen sedemikian rupa sehingga sel mati atau kehilangan kapasitas proliferasinya.

Kerusakan halus: di mana DNA yang rusak sebagian dibiarkan dengan kapasitas yang cukup untuk memulihkan dirinya sendiri selama beberapa jam, asalkan tidak ada kerusakan lebih lanjut selama periode perbaikan.

Kerusakan yang berpotensi mematikan: di mana perbaikan dari apa yang biasanya merupakan peristiwa mematikan dimungkinkan dengan manipulasi lingkungan seluler pasca iradiasi.

    Efektivitas per unit dosis radiofarmasi tergantung pada heterogenitas distribusi radionuklida. Ketidakseragaman global dari distribusi sumber, yang mengakibatkan kantong sel (tumor atau jaringan normal) menerima kurang dari dosis rata-rata, hampir selalu mengarah pada fraksi yang lebih besar dari sel yang bertahan hidup, dibandingkan jika semua sel menerima dosis yang seragam. Respon seluler juga bergantung pada mikrodosimetri, terutama jika radiofarmasi secara selektif terlokalisasi pada permukaan sel atau menginternalisasi dalam kohort sel tertentu dalam tumor / organ normal. Label radio ini mungkin menunjukkan faktor peningkatan geometris yang memodulasi respons.

    Sel yang terkena dampak radiasi dapat terus berfungsi, hanya mati ketika mencoba menjalani pembelahan sel berikutnya (mitosis). Efek radiasi yang diamati secara klinis di seluruh jaringan atau organ mencerminkan kerusakan yang ditimbulkan pada sejumlah besar sel penyusun dan, dengan demikian, muncul pada skala waktu yang sebagian besar diatur oleh tingkat proliferasi yang mendasari sel-sel tersebut.

Efek yang dapat diamati tersebut diklasifikasikan tergantung pada kecepatan di mana efek tersebut memanifestasikan dirinya setelah penyinaran sebagai berikut:

- Efek akhir muncul berbulan-bulan atau bertahun-tahun setelah iradiasi dan muncul dalam struktur yang berkembang biak dengan sangat lambat, mis. ginjal.

- Efek awal muncul dalam beberapa hari, minggu atau bulan setelah iradiasi dan berhubungan dengan jaringan epitel yang berkembang biak dengan cepat, misalnya sumsum tulang, mukosa, saluran usus, dll.

    Pada sebagian besar jenis radioterapi, efek akhir dianggap paling kritis dan umumnya membatasi dosis total yang dapat diberikan ke tumor. Jika toleransi jaringan yang merespon terlambat terlampaui, reaksi selanjutnya dapat sangat mempengaruhi mobilitas, kualitas hidup, bahkan mengancam nyawa. Masalah seperti itu muncul lama setelah perawatan dan tidak mungkin diperbaiki. Reaksi akut pada radioterapi sinar eksternal (EBRT) biasanya bersifat sementara dan lebih mudah dikendalikan dengan menyesuaikan pola pemberian dosis pengobatan dan / atau pengobatan sederhana. Dalam terapi radionuklida, toksisitas radiasi akut secara umum dapat dielakkan begitu mulai terjadi (misalnya dengan mempercepat pembersihan radiofarmasi). Toksisitas kronis (misalnya pada ginjal) biasanya terjadi pada waktu yang relatif lama dibandingkan dengan masa pakai radionuklida. Kegiatan aman radionuklida terapeutik harus diberikan, dengan mempertimbangkan batasan dosis yang membatasi.

    Keuntungan potensial dari terapi radionuklida dibandingkan bentuk terapi radiasi lainnya adalah kemampuannya untuk memberikan dosis ke penyakit lokal dan ke deposit tumor yang tersembunyi. Dalam kedokteran nuklir, penentu utama efektivitas pengobatan adalah:

 spesifisitas tumor pembawa radionuklida. 

 homogenitas serapan pembawa dalam tumor yang ditargetkan. 

 RBE intrinsik dari radiasi yang digunakan untuk terapi, ditentukan terutama oleh sifat emisi radionuklida.

 kisaran partikel, sebagaimana ditentukan oleh energinya.

Kerugian radiasi dari paparan radiasi dapat diklasifikasikan sebagai stokastik atau deterministik.

- Efek stokastik (misalnya kerusakan herediter, induksi kanker) adalah efek yang kemungkinan terjadi terkait dengan dosis, tetapi tingkat keparahan kondisi yang dihasilkan tidak terkait dengan dosis yang diterima. 

- Efek deterministik (misalnya induksi katarak, sindrom radiasi umum, ablasi sumsum tulang, dll.) Bermanifestasi dengan tingkat keparahan yang berhubungan dengan dosis.

- Dari penggunaan diagnostik radionuklida, terutama efek stokastik perlu dipertimbangkan sebagai efek samping potensial, walaupun kerusakan deterministik dapat terjadi jika embrio atau janin diiradiasi. - Untuk aplikasi terapi radionuklida, perhatian terkait dengan efek stokastik dan deterministik.