Hipoteza LNT - model liniowy bezprogowy

Szkodliwe działanie promieniowania jonizującego zostało stwierdzone wkrótce po jego odkryciu. Najwcześniej dały znać o sobie tzw. skutki deterministyczne. czyli występujące zawsze po przyjęciu określonej dawki. Zaliczamy do nich rumień, martwicę skóry, utratę włosów, zaćmę, niepłodność czy też ostrą chorobę popromienną. Skutki deterministyczne mogą wystąpić po pewnym czasie od napromieniowania (np. zaćma), a próg dawki wywołującej dany objaw jest dość zmienny w obrębie populacji. 

https://docplayer.pl/23379011-Promieniowanie-jonizujace.html

Przykładem może być zarówno Henri Becquerel, jak i Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr. Doświadczyli oni oparzeń popromiennych, będących skutkiem dotykania gołą ręką materiałów radioaktywnych, noszenia ich w kieszeni oraz celowego napromieniowywania skóry dla zbadania efektu. Maria cierpiała również na zaćmę, która była czterokrotnie (!) operowana, i dopiero w 1930 r. ustąpiła.

Maria Skłodowska-Curie podczas uroczystości poświęcenia kamienica węgielnego pod Instytut Radowy w Warszawie (1925).
Zwracają uwagę grube okulary, noszone przez nią z powodu zaćmy. Fot. zbiory NAC [LINK]

Promieniowanie jonizujące powoduje też tzw. skutki stochastyczne, czyli zwiększające prawdopodobieństwo wystąpienia danego schorzenia, jednakże nieoznaczające, że ten skutek zawsze musi wystąpić. 

https://www.env.go.jp/en/chemi/rhm/basic-info/1st/03-01-04.html

Przyczyną skutków stochastycznych jest uszkodzenie materiału genetycznego w komórkach, mogące prowadzić do mutacji, a w efekcie - jeśli defekty nie zostaną naprawione - do nowotworów. 

https://theimagingphysicist.com/health-effects/

Tutaj przykładem może być białaczka, na którą zmarła zarówno Maria Skłodowska-Curie, jak i jej córka Irena Joliot-Curie. Był to skutek długotrwałego narażenia na promieniowanie jonizujące, szczególnie podczas pracy w polowych pracowniach rentgenowskich w czasie I wojny światowej. 

***

Coraz szersze zastosowanie promieniowania jonizującego w nauce, medycynie, przemyśle i wojsku spowodowało, że zaczęto obserwować coraz liczniejsze skutki napromieniowania. Zauważono m.in., że radiolodzy żyją znacznie krócej niż lekarze innych specjalności. Z biegiem lat powstała konieczność opracowania modelu, ilustrującego zależność między przyjętą dawką a wystąpieniem skutków stochastycznych. 

Pierwszym, najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym był model liniowy bezprogowy (linear, non-threshold - LNT). Zakłada on, że każde, nawet najmniejsze narażenie na promieniowanie jonizujące, jest szkodliwe, a efekt napromieniowania kumuluje się przez całe życie. 

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Linear_no-threshold_model

Do powstania modelu przyczynił się Hermann Joseph Muller [LINK], badający w latach 20. mutacje genów muszek owocowych. W czasie licznych eksperymentów używał początkowo promieniowania radu, a następnie lamp rentgenowskich. Uzyskane wyniki przyniosły mu w 1946 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie, że promieniowanie rentgenowskie może wywołać mutacje. W wykładzie noblowskim sformułował tezę, że nie istnieje dawka tak mała, która nie może wywołać mutagenezy. Stanowiło to podwaliny pod przyjęty wkrótce model LNT.  

Już wówczas był oskarżany o pominięcie badań przeczących jego tezie. Krytykowano też wzbudzanie strachu przed promieniowaniem, nieproporcjonalnego do faktycznego zagrożenia, zwłaszcza wobec innych czynników kancerogennych, dużo groźniejszych. Z drugiej strony tezy Mullera w dobie testów nuklearnych i powstania ruchów rozbrojeniowych padały na podatny grunt i przyczyniły się do rozwoju ochrony radiologicznej, a także ograniczenia zbrojeń. 

Model LNT uznano za obowiązujący przez UNSCEAR w 1958 r. i do chwili obecnej większość organizacji zajmujących się ochroną radiologiczną przyjmuje go jako podstawę ochrony ludzi przed promieniowaniem jonizującym. W zakresie wyższych dawek sprawdza się dość dobrze, choć i tutaj dane statystyczne nie są jednoznaczne. 

***

Model liniowy bezprogowy jest obecnie krytykowany i w jego miejsce wysuwa się inne, z których największe znaczenie mają dwa:

• model progowy - skutki stochastyczne występują po przekroczeniu pewnego progu, leżącego między 10 a 100 mSv
• teoria hormezy radiacyjnej - przyjmowanie małych dawek promieniowania jest korzystne dla zdrowia, gdyż uaktywnia mechanizmy naprawy DNA

http://nuclearsafety.gc.ca/eng/resources/health/linear-non-threshold-model/index.cfm

Postawą (i największą wadą) modelu LNT jest prosta ekstrapolacja skutków dużych dawek promieniowania (które są zauważalne i potwierdzone badaniami) na bardzo małe dawki (gdzie skutków nie da się zaobserwować i powiązać z promieniowaniem). Model zakłada też, że wielokrotne ekspozycje na małe dawki promieniowania (np. 10 razy po 1 mSv) będą miały takie same skutki stochastyczne, jak pojedyncze narażenie na wyższą dawkę (1 raz 10 mSv). Nie uwzględnia mocy dawki (szybkości przyjmowania określonej "porcji" promieniowania), a z uwagi na działanie mechanizmów naprawczych DNA bardzo istotny jest czas, w którym przyjmujemy dawkę promieniowania. Mechanizmy naprawcze dość skutecznie - do pewnej granicy - usuwają uszkodzenia wywołane promieniowaniem.

Model liniowy bezprogowy przyjął się  głównie dzięki swojej matematycznej prostocie. Jeśli dawka X spowoduje 1 przypadek raka na 1.000 osób, to dawka 1/1000 X wywoła 1 na 1.000.000, zaś dawka  1/1.000.0000 X spowoduje 1 na 1.000.000.000. Matematycznie wygląda to bardzo ładnie, jednak jest nie do udowodnienia empirycznego, że akurat ta mała dawka promieniowania wywołała nowotwór, zwłaszcza po wielu latach, kiedy organizm był narażony jeszcze na inne czynniki mutagenne.

Tu leży druga wada modelu LNT - ignorowanie mechanizmów naprawczych komórek w organizmach żywych. Mechanizmy te usuwają uszkodzenia DNA, albo - jeśli uszkodzenia są poważne - powodują zaprogramowaną śmierć komórki (apoptozę). Mechanizmy te uruchamiają się od razu po powstaniu zmian w DNA, wywołanych promieniowaniem lub innymi czynnikami, mogącymi uszkodzić genom.

Źródło - LINK

Pamiętajmy też, że promieniowanie jonizujące (i inne czynniki środowiskowe) jest tylko jednym z czynników, mogących uszkadzać DNA komórek, a przez to prowadzić do zmian nowotworowych. Pisałem o tym osobno we wpisie o mutacjach [LINK].

Trudność przy powiązaniu zachorowania na nowotwór niskimi dawkami promieniowania wynika też z faktu, że nowotwory są chorobami bardzo rozpowszechnionymi, mającymi wiele przyczyn, z których nie wszystkie są jednoznacznie potwierdzone. "Poziom podstawowy" zachorowalności, bez uwzględniania narażenia na promieniowanie, to 42 przypadki na 100 osób w perspektywie całego życia. Przyczynami mogą być różne czynniki, wynikające z diety, stylu życia, nałogów (alkohol, tytoń), narażenia na substancje chemiczne (benzen), czynniki fizyczne (ciepło, ultrafiolet) itp. Dobitnie pokazuje to poniższy diagram:

https://www.env.go.jp/en/chemi/rhm/basic-info/2018/03-04-03.html

Badania epidemiologiczne mogą wykryć wzrost zachorowań na nowotwory rzędu 1,2-1,3 x (20-30%), podczas gdy niskie dawki (1-100 mSv) mogą powodować wzrost zachorowań na poziomie 1,001-1,04 x (0,1-4%). Tak nieznacznego wzrostu, nawet jeśli występuje, po prostu nie wykryjemy wobec obecności w/w innych czynników, a także błędów statystycznych (wielkość próby) i niepewności pomiaru (badania ankietowe, niepełne dane dotyczące nałogów, obciążeń dziedzicznych, obecność pominiętego czynnika itp.). Nawet jeśli stwierdzimy skutek, który można powiązać z ekspozycją na promieniowanie, to nie możemy wykluczyć dodatkowego czynnika:

• Przykładem może być obniżenie ilorazu inteligencji u szwedzkich dzieci narażonych między 8 a 25 tygodniem ciąży na opad promieniotwórczy z Czarnobyla. Spadek IQ był wyższy, niż by wynikało z hipotezy LNT, jednakże miały tu skutek inne czynniki: zwiększona liczba urodzeń w 1986 r. (większa próba) oraz wyższy średni wiek matek rodzących dzieci w tym roku.

W przypadku brytyjskich pracowników narażonych zawodowo na promieniowanie, którzy otrzymali dawkę do 500 mSv stwierdzono 2-3x wyższe ryzyko nowotworu niż u osób, które przetrwały wybuchy bomb atomowych w Hiroszimie i Nagasaki. Ryzyko to jednak było znacznie niższe niż średnia w Wielkiej Brytanii z uwagi na tzw. efekt zdrowego pracownika (to samo tyczy pilotów, którzy otrzymują wysokie dawki, jednakże przechodzą liczne rygorystyczne badania zdrowotne i wywodzą się ze zdrowszej części populacji).

***

Model LNT jest przykładem stosowania tzw. zasady ostrożności, zgodnie z którą jeśli istnieje prawdopodobne, chociaż słabo znane, ryzyko negatywnych skutków nowej technologii, jest lepiej jej nie wprowadzać w życie zamiast ryzykować niepewne, ale potencjalnie bardzo szkodliwe, konsekwencje [LINK].

Zasada ta jest bardzo konserwatywna, wewnętrznie sprzeczna, a jej ścisłe stosowanie w ochronie radiologicznej mogłoby doprowadzić do całkowitego zaprzestania wykorzystywania promieniowania jonizującego. Cytując Davida Deutscha "Szkoda płynąca z innowacji jest zawsze skończona, tymczasem korzyści mogą być potencjalnie nieskończone". Czy z powodu ryzyka wypadków i zanieczyszczenia środowiska rezygnujemy z transportu samochodowego? Nie, opracowujemy coraz bezpieczniejsze samochody i infrastrukturę, dążymy do zmniejszenia toksyczności spalin, a tam, gdzie to możliwe, ograniczamy ruch i proponujemy alternatywy. Pomyślmy, idąc dalej tym tropem, jak by wyglądała obecna cywilizacja, gdyby człowiek pierwotny zrezygnował z używania ognia po pierwszym oparzeniu?

Racjonalnym podejściem jest zasada ALARA (as low as reasonably achievable), która zakłada ograniczanie dawek, do najniższego poziomu, przy którym możliwe jest osiągnięcie celu, np. diagnostyki medycznej. Przy tym podejściu ryzyko jest ważone w stosunku do możliwych korzyści, a ograniczanie dawki ma swoje granice w postaci możliwości osiągnięcia celu (np. wykonania prześwietlenia czy tomografii). Przykładowo, tomografia głowy powoduje przyjęcie dużej dawki, jednak zysk (wykrycie zmian w mózgu) przewyższa ryzyko (nieznaczne zwiększenie prawdopodobieństwa wystąpienia nowotworów w przyszłości). 

Ryzyko nowotworów u dzieci od poszczególnych rodzajów diagnostyki [LINK]

Podobnie w przypadku prześwietleń złamanych kończyn, gdzie pewną dawkę trzeba przyjąć, jeśli zdjęcie ma być wyraźne, jednak zysk (poprawne nastawienie złamania) znacznie góruje nad potencjalnym zagrożeniem (szczególnie że dawki przy prześwietleniach kończyn są bardzo małe, a kończyny wykazują największą odporność).

***

Wracając do modelu LNT, to był on niewątpliwie bardzo ważnym etapem rozwoju ochrony radiologicznej - pierwszym modelem próbującym powiązać dawkę promieniowania z występowaniem skutków stochastycznych. I nawet pomimo braku wystarczających dowodów doświadczalnych w zakresie wpływu małych dawek model LNT dość dobrze sprawdza się w zakresie dużych i bardzo dużych dawek promieniowania, gdzie istnieją dane epidemiologiczne a zależność zbliżona jest do liniowej. Obecnie jednak coraz częściej uznaje się model liniowy progowy, a swoich zwolenników ma też hormeza radiacyjna, którą omówię w przyszłości. 

***

Podoba Ci się mój blog i chcesz wesprzeć twórcę? Zapraszam na Patronite - https://patronite.pl/