ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TƯƠNG TÁC VẬT LÝ VI MÔ ĐẾN TÁC DỤNG
SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HÓA
Nguyễn Đông Sơn
Phân viện Vật Lý Y Sinh Học
1. Mở đầu
Để có thể vận dụng tốt nhất những ưu điểm của bức xạ trong việc tiêu diệt tế bào ung thư (trong xạ
trị) cũng như để phòng chống hiệu quả nhất những tác hại của bức xạ (trong an toàn bức xạ) cần hiểu rõ
tác dụng sinh học của bức xạ, tức là những tác dụng bức xạ gây nên cho tế bào, phần tử cơ bản nhất của
cơ thể sống.
Trong xạ trị, tác dụng sinh học của bức xạ được đánh giá qua liều hấp thụ: đó là năng lượng được cơ
thể hấp thụ trong một đơn vị khối lượng cơ thể. Đơn vị đo của nó trong hệ SI là gray (Gy), 1 Gy = 1 J/kg.
Trong an toàn bức xạ, tác dụng sinh học của bức xạ được đánh giá qua liều tương đương, đó là tích giữa
liều hấp thụ và một hằng số, đặc trưng cho loại bức xạ gây nên liều hấp thụ đó. Như vậy tác dụng sinh
học cũng được qui về việc đo liều hấp thụ trong cơ thể.
Đại lượng liều hấp thụ, theo định nghĩa, cũng như trong các phép đo đạc, là một đại lượng vĩ mô: nó
cho biết năng lượng hấp thụ trung bình trong một đơn vị khối lượng cơ thể /1/. Trong các phép đo liều,
kích thước được đo là hữu hạn. Tại các trung tâm xạ trị các kỹ sư y vật lý chuẩn liều của thiết bị chiếu xạ
bằng cách đo liều hấp thụ tại một vị trí xác định trong phantom nước. Các đầu dò được sử dụng có thể
tích nhạy khoảng 1 mm
3
. Giá trị đo được của liều hấp thụ đóng vai trò trung tâm trong các tính toán về
liều tuyệt đối sẽ cấp cho khối u. Như vậy việc đánh giá liều hấp thụ trong cơ thể là hoàn toàn vĩ mô, sự
hiểu biết về quá trình vi mô xảy ra trong cơ thể là không được xét đến.
Tuy nhiên tác dụng sinh học của bức xạ lại phụ thuộc vào các tương tác vi mô, xảy ra ở những kích
thước khoảng dưới 1 µm trong cơ thể. Điều này là do đặc trưng tập trung năng lượng của bức xạ ion hóa;
của tính chất gián đoạn của các mức năng lượng của nguyên tử, phân tử; của sự kiện là tác dụng của bức
xạ lên tế bào xảy ra chủ yếu qua việc gây tổn thương ADN; và cũng do khả năng hồi phục những tổn
thương nhỏ của ADN.
Để có thể đánh giá được tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa, cần hiểu rõ vai trò của quá trình tương
tác vi mô giữa bức xạ ion hóa và cơ thể sống. Bài báo này cố gắng làm rõ vai trò đó, thông qua việc xem
xét chi tiết quá trình tương tác giữa bức xạ ion hóa và cơ thể sống.

bào, và chủ yếu là các phân tử nước, vốn chiếm một tỉ lệ khối lượng khoảng 80% trong tế bào. Tuy nhiên
hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua việc gây tổn thương cho DNA, phân
tử mang thông tin di truyền của tế bào (lý thuyết bia). Những tổn thương gây ra trên các màng và các ống
vi mô cũng có thể là những cơ chế bổ sung làm tế bào bị nhiễm độc /2/.
Các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nó. Đó là tác dụng trực
tiếp. Phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ ion hóa các phân tử nước
trong vùng lân cận nó. Khi đó, các phân tử nước sẽ bị phân ly (sự thủy phân do bức xạ) và dẫn
đến việc hình thành các gốc tự do OH
•
, H
•
và hydroxyl H
2
O
2
. Các gốc tự do và hydroxyl công
phá các phân tử ADN, thường bằng cách lấy đi nguyên tử hydro trong các liên kết của ADN.
Đây là quá trình hoá lý, xảy ra trong khoảng thời gian từ 10
-12
s đến 10
-2
s sau khi bức xạ đi qua
tế bào /3/.
Kết quả của các tác dụng (trực tiếp cũng như gián tiếp) là sự tổn thương của ADN. Các tổn
thương này có thể là đứt nhánh đơn, đứt nhánh đôi, tổn thương base hoặc những tổn thương bội,
trong đó có thể gồm cả đứt nhánh và đứt nhiều liên kết base.
Sau quá trình hoá lý là quá trình sửa chữa của ADN, được điều khiển bởi các enzym sửa
chữa đặc hiệu (quá trình hoá sinh). Khả năng sửa chữa các tổn thương phụ thuộc vào loại và mức
độ tổn thương, vào thời điểm xảy ra tổn thương trong chu kỳ của tế bào. Quá trình sửa chữa tổn
thương về cơ bản chấm dứt sau khoảng 8 giờ.

bé. Trong các phân tử hữu cơ, liên kết cộng hóa trị có năng lượng liên kết lớn nhất
(khoảng 150-400 kJ/mol /5/, tương ứng với khoảng 1,5- 4 eV/liên kết), do đó chúng có
độ bền cao đối với sự công phá của bức xạ. Loại mối nối thứ hai là liên kết hidrô, có
năng lượng liên kết khoảng 0,2-0,4 eV/liên kết, dễ dàng bị bẻ gãy hơn, ngay cả với bức
xạ không ion hóa như tia tử ngoại. Trong phân tử ADN các nhánh chính có liên kết cộng
hóa trị, còn các base nối với nhau bằng liên kết hydro. Điều này khiến cho ADN tương
đối vững bền với các tác nhân có năng lượng thấp, nhưng lại dễ dàng bị đứt gãy do các
bức xạ ion hóa. Chính sự khác biệt này sẽ giải thích tại sao một lượng nhỏ năng lượng
được hấp thụ bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một tác hại lớn hơn nhiều so với các
tác nhân khác
1
.
Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng
lượng từ vài chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến vài chục MeV (trong xạ trị). Năng lượng này cao
hơn nhiều so với năng lượng ion hóa trung bình, do đó chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường
đi của mình
2
.
Ảnh hưởng của mức độ tập trung của năng lượng mà môi trường hấp thụ được từ bức xạ lên
tác dụng sinh học có thể thấy rõ khi so sánh tác dụng sinh học của các hạt nặng mang điện
(proton, hạt alpha) và các hạt nhẹ (electron, photon). Các hạt nặng mang điện, khi bỏ ra trong cơ
thể cùng một năng lượng như electron, sẽ gây nên một tác hại hàng chục lần lớn hơn. Lý do là vì
các hạt nặng mang điện bỏ năng lượng trong một thể tích bé (tập trung), còn hạt electron bỏ ra
năng lượng trên một thể tích rộng (phân tán). Điều này liên quan đến khả năng ion hóa riêng của
từng loại bức xạ, nghĩa là số cặp ion được tạo ra trên một đơn vị chiều dài của môi trường mà
bức xạ đi qua.
Các hạt nặng mang điện có khả năng ion hóa riêng rất lớn, do đó mất năng lượng rất nhanh và chỉ đi
được một quãng ngắn, trong khi gây ra trên đường đi của mình rất nhiều cặp ion. Một hạt α có động năng
1 MeV chỉ đi được khoảng 6 µm trong mô của cơ thể người /4/, xấp xỉ kích thước của nhân tế bào, và gây
ra khoảng 5.500 cặp ion/µm. Trong khi đó các electron khả năng ion hóa riêng bé, nên có quãng chạy lớn

phục được những tổn thương nhỏ. Do đó trong trường hợp bức xạ là electron, tác hại sẽ ít hơn do hạt α.
Ví dụ trên cho thấy tác dụng sinh học của bức xạ không chỉ phụ thuộc vào tổng năng lượng
bức xạ bỏ ra trong vật chất, mà còn phụ thuộc vào phân bố vi mô của năng lượng bức xạ bỏ ra.
Cùng một lượng năng lượng hấp thụ, nếu được hấp thụ trong một thể tích càng bé thì tác hại của
nó càng lớn
3
.
Để đặc trưng cho tính chất tập trung của năng lượng mà môi trường hấp thụ được từ
bức xạ, trong y sinh học người ta dùng khái niệm hệ số truyền năng lượng tuyến tính
(linear energy transfer: LET). Theo định nghĩa của ủy ban quốc tế về đơn vị đo bức xạ
(ICRU), hệ số truyền năng lượng tuyến tính của các hạt mang điện trong một môi trường
là tỉ số LET = L
∆
= (dE/ds)
∆
, trong đó dE là năng lượng mà hạt mất do va chạm trên
quãng đường ds, mà trong mỗi va chạm đó, năng lượng bức xạ mất đi nhỏ hơn một giới
hạn cho trước ∆.
Việc phải đưa vào một giới hạn năng lượng ∆ là để bảo đảm rằng năng lượng mà bức
xạ bỏ ra sẽ được hấp thụ dọc theo quĩ đạo của hạt, chứ không được chuyển đi xa do bức
xạ hãm. Thường người ta chọn ∆ khoảng từ 10 keV đến 20 keV /8/.
Các hạt nạng mang điện có LET lớn, khoảng trên 10 keV/µm, còn electron cũng như
photon có khả năng ion hóa yếu, dưới 3,5 keV/µm.
Vậy tính chất cục bộ của sự hấp thụ năng lượng thể hiện ở chỗ bức xạ có LET càng
cao thì tác dụng sinh học càng lớn. Điều này có thể được giải thích như sau.
Như đã đề cập ở trên, điều này có liên quan đến sự kiện là bức xạ gây tổn hại cho tế
bào chủ yếu thông qua việc công phá ADN, và do khả năng sửa chữa những tổn thương
nhỏ của ADN. Thật vậy, với bức xạ có LET bé, mật độ các cặp ion hóa là bé, nên xác
suất trúng ADN thấp, do đó tổn thương là nhẹ. Còn khi LET cao, mật độ các cặp ion
hóalà lớn, nên xác suất trúng ADN cao, do đó tổn thương là nặng. Các tổn thương nhẹ sẽ

các phản ứng hóa học, làm xuất hiện các chất có khả năng công phá trực tiếp ADN. Các chất này
là các gốc tự do như OH
•
và H
•
: những phân tử trung hòa nhưng có hoạt tính hóa học rất mạnh;
hay tương đương, e
-
eq
(một electron được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước); hoặc các phân tử
hydrogen peroxide H
2
O
2
, hay các gốc tự do hữu cơ R
•
, RO
2
. Số lượng gốc tự do này tỉ lệ với liều
hấp thụ
4
.
Các gốc tự do này sẽ công phá các phân tử sinh học. Ở cấp độ vĩ mô có thể thấy mức độ tổn
thương của ADN do các gốc tự do là tỉ lệ với số lượng gốc tự do được tạo ra. Tuy nhiên, ở cấp
độ vi mô, điều này còn phụ thuộc vào vị trí hình thành của các gốc tự do. Nguyên nhân là vì các
gốc tự do có thời gian sống chỉ khoảng vài µs nên không thể đi xa được và chỉ có thể phá hoại
ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm, khoảng bằng đường kính của một nucleosome. Như
vậy, chỉ trong trường hợp bức xạ ion hóa hay các electron thứ cấp do chúng gây ra đi băng qua
ADN thì các gốc tự do mới phát huy tác dụng.
Việc xem xét quá trình hình thành gốc tự do có thể giải thích hiệu ứng oxy. Đối với bức xạ

→ H
2
O
2.
Sự tăng thêm mật độ H
2
O
2
khi

có oxy dẫn đến xác suất công phá ADN tăng lên. 4
Bức xạ từ nguồn Co-60 sẽ sinh ra khoảng 7gốc tự do/100 eV /Krieger/. Một liều 2 Gy tạo nên trung
bình 1µmol gốc tự do/dm
3
/10/.
Do thời gian sống ngắn của các gốc tự do, nên oxy chỉ phát huy tác dụng khi có mặt
trong nhân lúc bị chiếu. Việc bổ sung thêm oxy ngay cả khoảng 1µs sau khi bị chiếu
cũng không gây nên sự tăng độ nhạy tia, điều này đã được xác nhận trong các phép đo in
vivo.
Trên cơ sở xem xét vai trò của các chất tự do, ta cũng có thể giải thích tại sao hiệu ứng oxy giảm tác
dụng đối với bức xạ có LET cao. Thật vậy, khi đó, một mặt, như đã đề cập trong giai đoạn vật lý, xác suất
gây ion hóa trực tiếp trên ADN cao hơn làm cho vai trò của tác dụng gián tiếp giảm vai trò, mặt khác,
càng nhiều H
2
O
2
hình thành theo sơ đồ OH

Như vậy, trong giai đoạn hóa lý, các quá trình vi mô xảy ra trong phạm vi kích thước dưới
một µm sẽ có vai trò quyết định trong tác dụng của bức xạ ion hóa lên tế bào. Sau đây, chúng ta
tiếp tục xem xét giai đoạn hóa sinh. Trong giai đoạn này, các tổn thương của ADN được sửa
chữa. Việc khảo sát khả năng sửa chữa các tổn thương sẽ một lần nữa cho thấy vai trò của sự hấp
thụ năng lượng cục bộ trong tế bào.
c. Giai đoạn hóa sinh:
Cả hai tác dụng trực tiếp hay gián tiếp đều dẫn đến sự tổn tương trên ADN. Các loại tổn thương của
ADN có thể chia làm 6 loại:
1. Đứt một nhánh,
2. Đứt hai nhánh
5
,

5
Các thí nghiệm in vivo cho thấy đối với bức xạ có LET bé, tỉ lệ giữa tổn thương một nhánh và hai
nhánh là 20:1. Số lượng đứt một nhánh tăng tỉ lệ bình phương liều hấp thụ, trong khi đó số lượng đứt
hai nhánh tăng tỉ lệ liều hấp thụ /10/.

3. Tổn thương base
4. Nối giữa các phân tử trong ADN,
5. Nối giữa ADN và protein,
6. Tổn thương bội (bulky lession).
Tổn thương của base có thể là sự đứt mối liên kết hidro giữa hai base, sự biến đổi cấu trúc hoá học
của base, sự mất một base, sự ghép vào một base không đúng hay nối hai base nằm đối diện và chéo nhau
chéo (cross linking). Một dạng đặc biệt của sai hỏng base là sự nhị trùng hóa hai base (base
dimerization): hai base cùng phía nối nhau. Điều này chỉ xảy ra đối với base loại Thymin hay Cytosin.
Cho đến nay người ta thấy việc đứt một nhánh và hai nhánh chỉ do bức xạ ion hóa gây nên, còn tia tử
ngoại chỉ có khả năng gây nên sự nhị trùng hóa.
Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào bị chiếu. Khi
đó mỗi tế bào sẽ có nhiều ngàn chỗ đứt gãy trên chuỗi xoắn đơn và có khoảng 100 chỗ đứt trên

aflatoxin, Benzpyren,
Acetylaminofluoren, Methy-
nitrosohamstoff, H
2
O
2
ở 0
o
C.
từ 10.000 đến 2.600.000
D
37
là liều để giảm số tế bào sống sót xuống còn 37%
Như ta thấy, vai trò của các tổn thương khác nhau đối với sự sống còn của tế bào là khác
nhau. Điều này được giải thích là vì khả năng sửa chữa chúng khác nhau. Hiện nay chưa có
những số liệu đáng tin cậy về khả năng sửa chữa các loại tổn thương này, nhưng người ta tin
rằng các tổn thương đứt nhánh đôi là khó hồi phục hơn đứt nhánh đơn, còn các tổn thương bội là
thuộc loại không hồi phục được. Do đó tác dụng sinh học sẽ càng lớn nếu càng nhiều các tổn
thương bội hay các đứt nhánh đôi. Xác suất xảy ra tổn thương đứt nhánh đôi và tổn thương bội là
phụ thuộc vào độ tập trung của năng lượng quanh ADN. Điều này giải thích tại sao các tương tác
vi mô lại có ảnh hưởng lớn đến tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa.
4. KếT LUậN
Việc xem xét sự hấp thụ năng lượng trong vật chất sống cho thấy các tương tác vi mô có
vai trò quan trọng đối với tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa. Nó giải thích được các hiệu ứng
oxy, hiệu ứng LET, hiệu ứng nhiệt độ. Nó cũng cho thấy giới hạn áp dụng của khái niệm liều hấp
thụ như một đại lượng vĩ mô, đặc biệt khi tính toán an toàn bức xạ trong X quang chẩn đoán
cũng như trong một số trường hợp của y học hạt nhân. Trong trường hợp này, cần phải thực hiện