4 Virkningen av ioniserende stråling på mennesker og andre levende skapninger.
Erik O. Pettersen, Fysisk Institutt, Universitetet i Oslo
Faglig uenighet om lave stråledosers farlighet
Store doser ioniserende stråling kan brukes for å helbrede kreft, slik man gjør ved Radiumhospitalet og andre sykehus. Dette er en bruk av stråling som bare kan utføres av eksperter fordi store stråledoser kan være meget farlige dersom man gir strålingen feil. Målet er å avlive kreftceller, noe som krever at man gir stråledoser som er dødelige for vevscellene. Samtidig skal en ikke drepe normalvevet. Det betinger at stråledosene må leveres til kroppen etter meget strenge regler som man har lært gjennom mer enn 100 års forskning innen radiobiologi og stråleterapi.
Det betryggende i dette fagområdet er at de stråledosene vi snakker om i miljøsammenheng ligger i et dosenivå i størrelsesorden 10.000 til en milliard ganger lavere enn det som brukes i kreftbehandling. I miljøsammenheng snakker vi gjerne om stråledoser som ligger innenfor det som representerer normal variasjon i bakgrunnsstråling og meget sjelden noe som ligger særlig høyere enn dette.
Mens det aldri har vært tvil om den kraftige virkningen til de store dosene som brukes i kreftbehandling har det i lengre tid rådet faglig strid om farligheten av små stråledoser som de man snakker om i miljøsammenheng. Striden gjelder først og fremst effekten av strålingen på mennesker og høyerestående dyr, som alle har i størrelsesorden samme følsomhet for stråling. For de fleste encellede dyr, bakterier og virus er spørsmålet mindre aktuelt blant annet fordi disse tåler kjempedoser som ligger fra 100 og opptil 10.000 ganger høyere enn de vi mennesker tåler.
Striden skyldes et kompleks av forhold. For det første har det vært vanskelig å måle noen som helst effekt på enkeltindivider av de meget små stråledosene som er aktuelle i miljøsammenheng. Selv om helsen til for eksempel befolkningsgrupper som bor i områder med høy bakgrunnsstråling ser ut til å være meget bra har mange likevel følt bekymring fordi menneskers helse er avhengig av så mange forhold. Hva som skyldes stråling og hva som skyldes andre ting kan være vanskelig å avgjøre. Derfor er man oftest nødt til å samle informasjon fra biologiske modeller siden det selvsagt ikke er aktuelt å utsette mennesker for eksperimenter med ekstra bestråling. Modellene er imidlertid ikke med sikkerhet representative for mennesket selv.
Strålevernet i alle land har basert sine anbefalinger på matematiske og fysiske modeller som er teoretisk fundert og som ikke har rot i målinger av biologiske effekter ved de lave dosenivåene vi her snakker om. For sikkerhets skyld har man da valgt å anta at enhver stråledose er skadelig, ja selv bakgrunnsstrålingen i våre hjem. Dette baseres på en enkel logikk som sier at en dobling av stråledosen vil påvirke dobbelt så mange molekyler i det bestrålte vevet og dette vil i sin tur medføre en dobbelt så stor effekt på vevet. Det er imidlertid langt fra klart et denne enkle logikken holder når vi kommer til en komplisert organisme som et menneske, et dyr eller en plante. Det finnes en omfattende litteratur fra de siste 30 år som indikerer at en viss økning av bakgrunnsstrålingen kan ha visse helsemessige fordeler snarere enn ulemper. Blant annet finnes det flere indikasjoner på at små ekstra stråledoser kan forlenge levetiden til smågnagere og redusere antall krefttilfeller i befolkningen. Det finnes flere omfattende oversikter over dette fagfeltet, her kan for eksempel nevnes FN’s rapport fra 1994 (UNSCEAR, 1994).
Det virker også logisk for mange at alle levende skapninger egentlig er tilpasset et noe høyere bakgrunnsnivå av ioniserende stråling enn det vi omgis av i dag. Under hele evolusjonen av livet på jorda har nivået av denne typen stråling ligget høyere enn i dag. Noen av de radioaktive isotopene som jordsmonnet og bergartene var utstyrt med fra starten av er i dag borte fordi de har rukket å gi fra seg all sin radioaktivitet. Til tross for at livet har blitt bestrålt fra tidenes morgen og til tross for at denne strålingen varierer kraftig fra sted til sted har ingen skapninger utviklet sanser som gjør det mulig å merke at strålingsnivået endres og dermed flykte til områder med lav stråling. Ioniserende stråling synes på mange måter å være den påvirkningsfaktor for liv som er aller mest utbredt i universet. Få kjemiske stoffer og ingen annen stråling har påvirket alt liv og all materie til alle døgnets tider i alle deler av verdensrommet slik den ioniserende strålingen har gjort. Men fordi vi har sett at stråling kan være farlig ved store doser har vi basert vårt strålevern på at den kanskje også kan være farlig ved små doser.
Som ofte er tilfelle når fagfolk strides opplever man også i dette tilfellet at data ved slike lave stråledoser ofte blir tolket forskjellig avhengig av tilknytningen den enkelte forsker har til de forskjellige fagmiljøene. Svake antydninger om enkelte positive effekter av stråling ved lave doser, for eksempel på de av atombombeoffrene i Hiroshima og Nagasaki som faktisk fikk små doser, kan ha blitt overvurdert av den ene fløyen og bagatellisert av den andre.
Det meste av uenigheten skyldes naturligvis at vesentlig kunnskap mangler innen sentrale områder av dette problemkomplekset. Man har blant annet manglet kunnskap om hvordan stråling ved lave doser påvirker vev over tid. Man har dermed også manglet kunnskap om hvordan effektene av slike stråledoser påvirker kreftutvikling. Men verst har det vært at man inntil for kort tid siden har manglet kunnskap om vesentlige mekanismer ved selve kreftutviklingen generelt. Nyere tids kreftforskning har imidlertid avhjulpet det siste punktet, noe som på sikt kan få stor betydning for vår forståelse av lavdosestrålingens betydning for kreftutvikling.
For å komme inn på mulige mekanismer for strålingens virkning på levende organismer er det nødvendig med en enkel innføring i strålingens virkning på molekylnivå.
Strålingens virkning på molekyler generelt
Generelt virker ioniserende stråling slik at den kløver molekyler eller fjerner elektroner fra molekylene og derav har den fått sitt navn. Strålingen kan ionisere molekylene. Et ion er jo ikke annet enn et molekyl som mangler ett eller flere elektroner. De fleste kryssordløsere vet derfor at ordene ion og molekyl kan passere som synonymer i kryssord.
Slik ionisering krever høy energi. Ioniserende stråling er derfor mer høyenergetisk enn annen stråling. For eksempel kan ikke UV-stråling ionisere molekyler. Til det har den for lav energi. Synlig lys og radiobølger er stråling som har ennå lavere energi og er derfor ikke ioniserende.
Hvilke molekyler er viktige for de levende skapningene?
I levende organismer skjer det ionisering i alle typer av molekyler, ikke minst i vannmolekylene som blir spaltet av strålingen slik at det dannes reaktive stoffer og ioner av selve vannet. Ett ionisert molekyl kan så reagere med andre molekyler og på den måten endre disse. Til slutt kan det hele ende opp med en endring av et molekyl som er viktig for organismen. Erfaring fra nærmere 50 år med studier over hele verden har vist at det er én type av molekyler i organismene som er av særlig betydning med hensyn til effekten av strålingen. Det gjelder arvestoffet, DNA (som er en forkortelse for deoksyribo nukleinsyre( acid)). Andre molekyler har betydning for strålingens effekt bare på den måten at de i sin tur kan påvirke DNA. Det er altså først når DNA er endret at man ser ut til å få noen effekt av ioniserende stråling.
Virkningen av ioniserende stråling på celler
Levende organismer består alltid av celler. Derfor har man ofte fokusert på cellenes evne til å tolerere strålingen når man skulle vurdere effekten av strålingen på hele organismen. Det er således studier av cellenes reaksjon på å bli bestrålt som har vist at det er DNA som er det betydningsfulle molekylet for strålingens virkning. Om man bestråler bare cellenes membraner eller bare deres proteiner får man kun en effekt dersom noe av strålingsenergien i ettertid blir overført fra det molekylet som primært ble bestrålt og over til DNA. Endringen i ett enkelt protein eller flere betyr åpenbart ingenting. Så lenge DNA er uskadet kan cellen erstatte alle andre bestanddeler.
DNA-skader som ikke skyldes stråling
Selv de aller fleste skader i DNA er fullstendig uten betydning for cellenes videre liv. Det oppstår faktisk flere hundrede tusen skader i DNA i alle menneskekroppens celler hver eneste dag under normale forhold. Dette har ingenting å gjøre med stråling. Tvert imot skyldes det helt normal aktivitet i cellene. Først og fremst skyldes det for menneskenes og mange dyrs vedkommende at kroppen har høy temperatur. DNA er ikke stabilt ved kroppstemperaturen på 37°C. Dessuten skyldes det at vi har en metabolisme som benytter et av de mest reaktive stoffene på jorda, nemlig oksygen, i sin metabolisme. Og sist, men ikke minst skyldes det måten som DNA lages på i cellene, altså selve DNA-syntesen, som er slik innrettet at den i seg selv induserer et enormt antall skader.
Betydning av feilreparasjon for kreftutvikling
Grunnen til at organismene tåler alle disse DNA-skadene er at skadene repareres relativt effektivt. Dette forhindrer at cellen dør av skadene.
Reparasjonen er imidlertid langt fra perfekt. Etter hvert som man blir eldre samles det derfor opp et stadig større antall av skader som er feilreparert i mange av våre cellers DNA. En vesentlig mekanisme i løsningen av kreftens gåte var nettopp forståelsen av samspillet mellom flere slike feil for at en celle skulle utvikle seg til å bli en kreftcelle. Det er bred enighet i dag om at denne økningen i antall feilreparerte DNA-skader med økende alder er den mest sannsynlige forklaringen på at kreft stort sett er en sykdom som kommer med høy alder. Dessuten fremmes kreft av stoffer som frembringer DNA-skader og som øker muligheten for at feilreparasjoner i DNA spres til etterkommere av skadede celler, slik som for eksempel flere av de stoffene som finnes i sigarettrøyk. Skal organismen beskytte seg mot kreftutvikling er det faktisk viktigere å avlive celler med DNA-skader enn å reparere skadene. Cellene inneholder derfor gener for begge prosessene: gener som kan reparere DNA-skader i de tilfellene dette er nødvendig for å hindre for stort celletap, og gener for å la cellen begå selvmord dersom den har DNA-skader samtidig som faren for et for stort celletap ikke er til stede.
Det finnes imidlertid en type skader i DNA som alltid har relativt stor sannsynlighet for å medføre at cellen dør i stedet for at DNA repareres. Det gjelder de skader hvor hele DNA brekkes i to. Siden DNA består av to tråder spunnet sammen kaller vi dette for et dobbelttrådbrudd. Dette er en skade som oppstår meget sjelden under normale forhold, men er mer vanlig som følge av ioniserende stråling.
DNA-skader som skyldes stråling
Det er ikke mange DNA-skadene som oppstår ved den lille stråledosen som miljøbidraget fra strålingen gir oss. Anslagsvis kan det utgjøre én skade pr. cellekjerne i kroppen hver 20. dag på grunn av vanlig bakgrunnsstråling. Sammenlignet med de flere hundrede tusen DNA-skadene som må repareres i hver eneste cellekjerne hver eneste dag pga de andre nevnte grunnene blir dette et mikroskopisk lavt antall.
Strålingen spiller likevel en spesiell rolle siden den induserer et litt annet typespekter av DNA-skader enn de andre påvirkningene. Riktignok er også de fleste DNA-skadene som stråling induserer av en lettreparerbar type, og repareres på akkurat samme måte som alle de DNA-skadene som oppstår av andre grunner enn stråling. Imidlertid er en viss andel av de DNA-skadene som skyldes ioniserende stråling av typen dobbelttrådbrudd. Disse er meget vanskelige å reparere og medfører derfor større sannsynlighet for at cellen dør enn andre DNA-skader. Grovt sett må man derfor si at en DNA-skade som er frembragt av ioniserende stråling medfører langt større sannsynlighet for at en celle skal dø enn en DNA-skade som er frembragt pga cellenes metabolisme.
Strålingens mulige dualistiske natur
Ved første øyekast skulle man tro at det som er sagt til nå styrker den modellen strålevern er bygget på, nemlig at enhver økning i stråledosen må resultere i en økt biologisk effekt av strålingen. I virkeligheten er vi her snarere fremme ved den egenskapen ved ioniserende stråling som kan tenkes å forklare at den faktisk kan ha en viss beskyttende effekt mot kreftutvikling, selv om det må erkjennes at det ennå ikke er vitenskapelig bevist at sammenhengen er reell.
De siste års radiobiologiske forskning viser nemlig at celler som mottar ørsmå stråledoser opptrer annerledes enn celler som mottar større doser. Ved de minste stråledosene er det bare noen ytterst få celler som i det hele tatt mottar strålingsenergi. Dette har sammenheng med strålingens fysiske natur. Den består av enkeltpartikler som slett ikke treffer over alt, men bare hist og pist. De aller fleste cellene mottar derfor ingen energi ved slike små stråledoser. De få cellene som mottar energi ser ut til å dø av svært små skader og muligens avliver de seg selv ved såkalt cellulært selvmord, apoptose. Dette har kroppen råd til fordi den med stor letthet kan erstatte de få cellene som tapes på denne måten ved at uskadde stamceller deler seg og danner nye friske celler som overtar for de få som dør. Dermed unngås det at noen celler lever videre med feilreparert DNA.
Ved noe større stråledoser skjer ikke dette. Da setter cellene i stedet igang en reparasjon av stråleskadene på samme måten som de hele tiden reparerer DNA-skader som oppstår av andre grunner enn stråling. Dette fenomenet kalles strålingsindusert stråleresistens og er kartlagt for en mengde forskjellige typer av menneskeceller. For organismen som hele er også denne prosessen både logisk og fornuftig siden det antallet av celler som får skader ved større stråledoser er såvidt høyt at det ville bli vanskelig å erstatte alle disse cellene dersom de bare ble avlivet. Følgelig er det i dette tilfellet fornuftig for organismen at DNA-skadene repareres for å redde cellenes liv.
Problemet på sikt er imidlertid at reparasjon av DNA-skader alltid innebærer en fare for feilreparasjon med senere økt risiko for kreftutvikling. De minste stråledosene kan dermed tenkes å gi en viss beskyttelse mot kreftutvikling ved at de rensker bort noen få celler som allerede har feilreparert DNA fra tidligere DNA-skader. Større stråledoser derimot, øker faren for senere kreftutvikling ved at den økte reparasjonen av nye DNA-skader berger livet til en del celler med feilreparert DNA.
Videre forskning
Nyere kreftforskning såvel som radiobiologisk forskning synes altså å indikere at ioniserende stråling kan ha en motsatt virkning på organismene som helhet ved små sammenlignet med store stråledoser. Strålevernmodellene har likevel forblitt stort sett uendret og en endring av disse internasjonalt ser fremdeles ut til å kreve både tid og ytterligere innsikt i strålevirkningens mekanismer. Det er imidlertid grunn til å merke seg at det ikke bare kan ligge en betydelig økonomisk gevinst for samfunnet, men også en helsegevinst i det å forstå sammenhengen mellom slike stråledoser og helse.
Referanse:
United Nations Scientific Committee on Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR). 43rd session, Vienna 7-11 March 1994. Report to the General Assembly, Annex B: ”Adaptive responses to radiation in cells and organisms” United Nations, New York 1994 (V94-20498)