Sugárvédelmi Kutatócsoport
Kutatási témák
A csoport fõ tématerületete a kis dózisú ionizáló sugárzások biológiai hatásainak numerikus modellezése. Az itt kidolgozott eljárások részben alkalmazhatók a belélegzett nem radioaktív aeroszolok légzõrendszeri transzportjának és modellezésének tanulmányozására is. A kutatásokat AEKI-s és külsõ projektek keretében végezzük. A kutatásokat Balásházy Imre vezeti, a munkában részt vesz még Farkas Árpád, Szõke István és Madas Balázs Gergely, valamint külsõ PhD hallgatók és szakdolgozatosok.
Az utóbbi évtizedben a sugárvédelem, a sugárbiológia és a toxikológia talán legalapvetõbb kérdése, hogy milyen a dózis - hatás összefüggés az úgynevezett kis dózis tartományban. A kutatási téma a világ gazdaságilag fejlett országaiban, és így az Európai Unióban is, kiemelt kutatási területnek számít. A kilencvenes évek végén emiatt is alakult a csoportunk az Intézet Sugárvédelmi és Környezetfizikai Laboratóriumán belül Balásházy Imre vezetésével.
A témakörben a csoport fõként az inhalált radon leányelemek biológia hatásának elemzésével foglalkozik. Ennek egyrészt az az oka, hogy a kutatás során alkalmazni tudtuk az inert aeroszolokra vonatkozó korábbi tüdõmodelljeinket, melyek ekkor már számos tekintetben egyedülállóak voltak. Emellett több tényezõ is különösen fontossá teszi a radon leányelemek biológiai hatásának vizsgálatát. Ezek közé tartozik az a tény, hogy a radonterhelésre vonatkozóan található a legnagyobb epidemiológiai adatbázis, továbbá, hogy a népesség sugárterhelésének több mint a fele ezektõl az izotópokból származik. Nem mellékes az sem, hogy nemdohányzóknál és passzív dohányosoknál az elsõ tüdõrák okozó tényezõ a radon, valamint Magyarország a tüdõrák statisztikák élén áll. Emellett széles körben elfogadott számítások szerint az európai országok lakosságának közel egy százaléka a radon-leánytermékektõl hal meg. Végül a gyakorlat szempontjából jelentõs tény, hogy a radon-leánytermékek alfa-bomlók, aminek hatása erõs és viszonylag könnyû modellezni.
Kutatási módszerünk a numerikus modellezés, mivel emberen kísérletezni etikai okok miatt nem igazán lehet, állaton is csak erõsen indokolt esetben, e területen az extrapoláció az állat- és az in vitro kísérletekbõl is komoly nehézségekkel jár, valamint mert a rák, mint legfontosabb késõi biológiai hatás, kialakulása meglehetõsen bonyolult folyamatok eredménye. Így a sugárzás következményeként létrejött rák kifejlõdését, leginkább a különbözõ területeken nyert kísérleti eredményeknek egy meglehetõsen komplex numerikus modellbe történõ integrálásával lehet majd megérteni, leírni és kvantifikálni.
A konkrét feladatokat hazai és nemzetközi projektekben valósítottuk meg. Eredményeinket könyvfejezetekben, hazai és nemzetközi konferenciákon, valamint folyóiratokban tettük közzé.
Kutatási projektek, elért fontosabb eredmények
Futó projektek
AEKI központi finanszírozású kutatási téma:
„Kis dózisok hatásának vizsgálata”
A téma célja:
Irodalmi epidemiológiai felmérések arra utalnak, hogy a 100 mSv – 1 Sv effektív dózis tartományban az ionizáló sugárzás okozta késõi rák kialakulásának kockázata LNT (lineáris küszöb nélküli) összefüggést mutat az effektív dózissal. A 100 mSv alatti szakaszban egyes in vitro kísérletek azt sugallják, hogy besugárzás hatására szintén van, vagy lehet megnövekedett kockázat, azonban ezen eredmények a dózis függvényében meglehetõsen nagy szórást mutatnak, más kísérletek a kis dózisok pozitív hatásáról számolnak be. A projektben, egy az inhalált radon-leányelemek biológiai hatását leíró komplex, mikrodozimetriai és mechanisztikus rákkockázati modell megalkotását és uránbányászokra, valamint lakossági radonterhelésekre történõ alkalmazását tûztük ki célul. Az eredményektõl hasznos információt remélünk az LNT hipotézis területén is.
A téma eddigi eredményei:
Megtörtént a centrális légutak geometriájának három-dimenziós numerikus leírása, abban CFD (computational fluid dynamics, numerikus áramlástani) számítások végzése, az Intézet által bérelt FLUENT CFD kóddal, a belélegzett radon-leányelemek légúti kiülepedés-eloszlásának meghatározására. Elkészült egy saját fejlesztésû mikrodozimetriai kód a centrális légutak hámszöveti sejtmagjainak három-dimenziós reprezentálására és a kiülepedett radonleányelemek alfa-nyomainak generálására. Az egyik legfontosabb fejlesztés, az irodalmi in vitro biológiai adatokon alapuló matematikai modelleknek a mikrodozimetriai modellünkbe történõ beépítése és továbbfejlesztése volt. Így már nem csak mikrodozimetriai paraméterértékeket, hanem sejthalál valószínûséget, sejttranszformáció valószínûséget és tüdõrák-kockázatot is tudunk számolni adott dózisterhelésekre vonatkozóan.
A modelleket alkalmaztuk az egyik átlagosnak tekinthetõ és talán legjobban dokumentált Új-Mexikói uránbányára, valamint lakossági radonterhelésre. Elemeztük a dózis, illetve a bányában vagy lakásban eltöltött idõ függvényében a sejtmagtalálatok és alfa-nyom húrhosszok eloszlását, valamint az elhalt és transzformálódott sejtek számát. Meghatároztuk a dózis-terhelés görbéket az epithélium valamennyi jellemzõ sejtmagtípusára és az összes sejtre is, különbözõ légzési módokra. Az eredményeink szerint a direkt hatások általában követik az LNT összefüggést, de ez alól kivétel a többszörös találatok eloszlása. A többszörös alfa-találatok száma uránbányára jellemzõ körülmények között nagyobb, mint az átlagos lakásban töltött feltételek mellett.
Az utóbbi évek irodalmi mikronyalábos (microbeam) kísérletei azt mutatják, hogy nem lesz kisebb a biológiai hatás, ha a sejtmag helyett a sejt citoplazmáját éri az alfa-találat. Ezért nemcsak a sejtmagok, hanem a sejtek geometriai leírására és biofizikai modellezésére is szükség van. Két különbözõ típusú epithélium modellt hoztunk létre. Az egyikben a sejtek ellipszoid alakúak, a másikban a sejtek geometriája téglatest. Az elsõ realisztikusabb geometriájú, a második térkitöltése valósághû.
Számításokat végeztünk az erõsen inhomogén, realisztikus depozícióeloszlás mellett és hipotetikus homogén eloszlás esetére is egy, a jobb felsõ tüdõlebenybe vezetõ 5 légúti elágazást magába foglaló geometrián. Azért számoltunk ezen lebenyre, mert az ICRP és számos cikk tanúsága szerint a volt uránbányászok tüdejének szövettani eredményei alapján itt a legnagyobb a tüdõrák kialakulásának valószínûsége. Számításaink révén arra a megállapításra jutottunk, hogy egyedül a direkt hatásokat figyelembe vevõ modell segítségével nem lehet eldönteni, hogy azért alakulnak-e ki a rákos sérülések szinte kizárólag a centrális légutak elágazásainak csúcsaiban, mert ott a nagy depozíciósûrûség miatt nagy a találatok száma, vagy mert szinte csak ott fordul elõ többszörös találat a kisdózis tartományban, avagy pedig azért, mert a rák kialakulásánál nem a többszörös találatnak, hanem a szomszédhatásnak (bystander effektus) van kulcsszerepe. Ennek eldöntésére további számításokat és modellfejlesztéseket tervezünk, valamint sikerült az ITN (Nuclear and Technological Institute, Lisszabon, Portugália) munkatársait meggyõzni, hogy erre vonatkozó kísérleteket végezzenek, melyeket mi terveztünk meg a számukra. E kísérletek még idén elkezdõdnek.
A sugárbiológiában paradigmaváltás történt az elmúlt 10 év során. A korábban felépült elmélet, mely szerint a rák kialakulásáért a direkt hatások felelõsek, úgy tûnik, összeomlik, és egyre inkább elõtérbe kerül az a nézet, hogy a szomszédhatásnak (bystander effektus) és esetleg a gén instabilitásnak van kulcsszerepe. A projekt keretében végzett bystander modellszámításaink szintén ezt támasztották alá. Számításaink szerint a bystander effektus hatása egyértelmûen nem követi az LNT hipotézist.
317-08 azonosítójú ETT projekt
"Összetett numerikus modell a környezeti radon és származékai okozta tüdõrák kockázatának becslésére"
A nemzetközi rákregiszterek szerint az új tüdõrákos esetek száma és a tüdõrákban elhunyt személyek száma világszerte évrõl - évre nõ. Hazánk tüdõrák elõfordulási gyakoriság értékei az egyik legmagasabbak a világon, de az Európai rákregiszterek szerint minden 10-18. európai ember is tüdõrákban hal meg. Az Amerikai Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala (US EPA) szerint a dohányzás után a radon és rövid felezési idejû bomlástermékei a második leggyakoribb tüdõrákot elõidézõ tényezõnek számítanak. Mivel a természetes háttérsugárzás nagy része a radontól származik, e terhelés a széles populációt, gyakorlatilag a Föld minden emberét érinti. Mindazonáltal ezen ionizáló radioaktív sugárzások kis dózisainak biológiai hatása máig vitatott, mivel nem ismertek eléggé azok az elemi sejtszintû folyamatok amelyek a kóros elváltozásokhoz vezetnek. Úgy tûnik, hogy az összetett numerikus modellek hatékony eszközök lehetnek a radon okozta tüdõrák kockázatának becslésében. Jelen pályázat célja egy olyan biofizikai mechanizmusokon alapuló, integrált modell kifejlesztése és alkalmazása, mely a környezeti radonszint ismeretében megadja a tüdõrák keletkezés valószínûségét. A kifejlesztendõ modell magába foglalja széles körû biológiai kísérletek és epidemiológiai felmérések releváns eredményeit azokban a dózistartományokban, ahol azok megbízhatóak és kiszámítja a kockázatot az alacsony terhelésszintekre, ahol az elõbbi módszerek nem hatékonyak.
K61193 számú OTKA projekt
„Ultrafinom és nanoméretû aeroszol részecskék mérése és légúti kiülepedése”
A négyéves projekt ez év végén zárul, mi csak az utolsó 3 évben és csak közremûködõként szerepelünk a munkában. A projekt koordinátora az ELTE, személy szerint pedig Salma Imre. A vállalt feladatunk a sztochasztikus tüdõmodell fejlesztése és alkalmazása ultrafinom és nano aeroszolokra, azaz 0,1 μm-nél kisebb részecskeméretû aeroszolokra. E részecskeméret tartománynak az utóbbi idõben oly mértékben nõtt meg a jelentõsége, hogy feltétlenül foglalkoznunk kell vele. Számos kísérleti eredmény mutat arra, hogy az egészségre gyakorolt hatásuk meglehetõsen más és jelentõsebb mértékû, mint a nagyobb szemcseméretû aeroszoloké.
Nemrég lezárult projektek
DERI_06_AEROSZOL1 számú konzorciális EURÉKA projekt
„Eszközfejlesztés az inhalált aeroszol szennyezõk egészségi hatásának meghatározásához.”
A hároméves projekt melyben három magyar partner, valamint kisebb mértékben osztrák és német partnerek vesznek részt 2007-2009 közötti idõtartamban fut. Az AEKI részérõl eddig a következõ fõbb feladatok valósultak meg, illetve a következõ eredmények születtek:
(A) A centrális légutak geometriája matematikai rácsozásának fejlesztése CFD számításokhoz. Rácsozáshoz az Intézet által bérelt GAMBIT nevû CFD pre-processzor programot használtuk, amely egyaránt alkalmas strukturált és nem strukturált matematikai hálók generálására. A rács elkészítésekor figyelembe kell venni, hogy a megoldó milyen típusú rácsokkal kompatibilis. Az általunk használt FLUENT nevû numerikus áramlástani (CFD) program, mint egy véges térfogat módszert alkalmazó kód, nem követel meg semmilyen rácsstruktúrát vagy topológiát, ezért célszerûnek láttuk a nagyobb flexibilitást nyújtó strukturálatlan háló alkalmazását. Strukturálatlan háló hasáb alakú cellákból is létrehozható, a geometria megfelelõ alegységekre való osztásával leggyakrabban tetraéderes rácsot használtunk. Cellatípuson belül a cellák alakjára és számára is számos feltételt szabtunk meg. Megjegyzendõ, hogy sûrûbb hálót érdemes készíteni azokon a helyeken, ahol a sebesség-gradiens nagy és durvább rácsot ott, ahol a sebesség közel állandó. Úgynevezett „size function” technikát alkalmazva a GAMBIT-ben olyan hálót generáltunk, amely a kritikus helyeken sûrû és optimálisan tölti ki a légutak belsejét. Ugyancsak célszerû sûrû rácsot alkalmazni azokon a helyeken, ahol a részecskekiülepedés várhatóan intenzívebb lesz. Hálózáskor érdemes még a numerikus diffúziót is figyelembe venni. A fen leírt elveket és megfontolásokat szem elõtt tartva idealizált és orvosi képalkotó eszközökkel nyert geometriákat hálóztunk be.
(B) Idealizált és realisztikus centrális, valamint felsõlégúti geometriákon, majd egyesített realisztikus felsõ és centrális légúti geometriákon CFD számítások végzése, valamint a partnerek által mért, a centrális légutakat modellezõ üvegcsõ-rendszerrel ekvivalens numerikus geometria elõállítása és azon CFD számítások végzése, a CFD számítások kísérleti validálásához.
A nagyfelbontású komputer tomográffal készült képsorozatokat a 3D-Doctor vásárolt szoftverrel numerikus szegmentáció alkalmazásával három-dimenziós testé alakítottuk. A GAMBIT szoftver nem fogadta be a 3D-Doctorral elõállított állományokat. Az állományok átkonvertálása saját szoftverek révén megoldódott és így sikeresen megvalósultak a betervezett feladatok.
Az eredmények szerint az idealizált és a realisztikus geometriákon a részecske kiülepedés-eloszlások nagyjából hasonlóak, de természetesen nem azonosak.
A realisztikus geometrián létrejött CFD számítások eredményei hasznosíthatók lesznek a mikrodozimetriai és rákkeletkezési modelljeink esetében is. Így a jövõre vonatkozóan egy hasznos feladat lesz e Déri Miksa projekt eredményeit beépíteni a fent vázolt mikrodozimetriai és rákkeletkezési modelljeinkbe.
NKFP 3/A/089/2004 számú konzorciális projekt
„Levegõkörnyezet és emberi tevékenység: a légkör aeroszol hatása a levegõ minõségére, az ökoszisztémára és az éghajlatra; kimutatás, felmérés, hatásvizsgálat és megelõzés”
A 2005-2007-ben futó hároméves magyar nagyprojekt 10 magyarországi konzorciumi tag részvételével valósult meg, amit az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézete (SZFKI) koordinált és az AEKI mint második tag vett benne részt. E hároméves NKFP projektben az Intézetünk a következõ feladatokat valósította meg:
Két partnerrel együttmûködve a sztochasztikus tüdõmodellt továbbfejlesztettük asztmás betegekre. A következõ fõbb fejlesztésekre került sor:
(A) Lehetõvé vált aszimmetrikus légzési ciklus bevitele. Korábban a be- és kilégzés ideje, valamint az azokat követõ esetleges légzési szünetek idõtartama azonos kellett, hogy legyen. Az új modellben e négy idõintervallum hossza egymástól független.
(B) Asztmás tüdõben a bronchiális tisztulást biztosító nyákréteg (mucus) fokozott termelése a légutak elzáródását okozhatja. Az új modellben input paraméter az elzáródás minimális és maximális bronchiális generációszáma és a hozzájuk tartozó elzáródási valószínûség. A köztes generációkban az elzáródás valószínûsége lineárisan nõ a generációszámmal.
(C) E fejlesztések után háromféle asztma modell került kidolgozásra. Az elsõben egyetlen számmal, egy „asztma faktorral”, jellemeztük valamennyi bronchiális légút összehúzódását.
(D) A második asztma modellben minden egyes generációban egy-egy külön input adat az összehúzódás mértéke.
(E) A harmadik asztma modellben véletlenszám-generátor sorsolja egy-egy légúti generáció adott légútja összehúzódásának mértékét, azaz az asztmafaktort a következõ feltételek mellett. Input adat egy minimális és egy maximális generációszám, ahol az összehúzódás elõfordulhat, ezenkívül minden egyes generációban adott egy minimális és egy maximális érték az összehúzódás mértékére, valamint egy konkrét generáció konkrét légútja összehúzódásának mértéke korrelál az elõtte és az utána következõ légút összehúzódásának mértékével, mégpedig úgy, hogy e mérték nem lehet nagyobb egy input értéknél, amely generációnként változhat.
(F) A korábbi asztma modellek a bronchiális generációkban a légutak átmérõjét valamilyen módon egy-egy input értékkel generációnként megszorozták. Ezt továbbfejlesztettük úgy, hogy a generáción belüli szûkületekre egy-egy eloszlást adtunk meg, és a szûkület nem feltétlenül érinti az egész generációt. A modellt a konzorciumi partnerek által kért számos esetre alkalmaztuk.
GVOP-3.1.1.-2004-05-0432/3.0 számú konzorciális projekt
„A légköri szennyezõk emberre gyakorolt hatásának mérése és analízise, valamint komplex mérõrendszerek továbbfejlesztése”
A hároméves projekt 2005-2007 években valósult meg három konzorciumi partnerrel. A koordinátor a Technoorg Linda Kft volt. Az AEKI második konzorciumi tagként vett részt a projektben. A 2006 szeptembere után csoportunk a fent már bemutatott CFD alapú mikrodozimetriai modellünket integrálta a „state vector model of carcinogenesis” (a rákkeletkezés állapotvektor modellje) „egysejt modellel”, melynek végpontja tüdõrák kockázat. Az utóbbi modell oly összetettnek mutatkozott, hogy nem volt kellõ számú kísérleti adat az alkalmazásához, így végül a „unit track length model” (egységnyi úthossz modell) beépítése és alkalmazása valósult meg. A feladat kapcsolódott a fent már bemutatott AEKI központi témához, azt egészítette ki, így ennek részletezésére itt nem térünk ki.