Od dziecka fascynowało mnie promieniowanie. W rozmowach przy rodzinnym stole mówiło się o nim dość sporo, bo nie mogło być inaczej, skoro wokół sami ścisłowcy, a w przedszkolu płyn Lugola. Pamiętam też pracownię fizyczną mojej Mamy, nauczycielki fizyki, gdzie było pełno tajemniczych sprzętów w starych wysokich regałach, a na jednym z nich widniała magiczna „koniczynka”. Dlatego słowo „promieniowanie” towarzyszyło mi od zawsze, początkowo jako coś mistycznego, wręcz magicznego, a z czasem główny obiekt zainteresowań, studiów i pracy zawodowej.

W trakcie wykładów, jakie prowadzę w ramach kursów z ochrony radiologicznej dla medyków, jak mantrę wymieniam trzy święte zasady ochrony przed promieniowaniem: a) stosować osłony, b) zwiększać odległość, c) zmniejszać czas narażenia. Zastanawiam się wówczas, czy rzeczywiście są tylko trzy zasady. Czasem wspominam o usuwaniu skażeń (tzw. dekontaminacji) czy oddziaływaniu pola magnetycznego i elektrycznego na poruszające się cząstki naładowane, lecz wyraz twarzy niektórych słuchaczy sugeruje jednoznacznie, abym poprzestał jedynie na owych trzech zasadach, już wystarczająco dla nich skomplikowanych. Jednak wrodzona ciekawość i instynkt ciągłego poszukiwania odpowiedzi na coraz to nowe pytania są zbyt silne, aby na tym poprzestać. I, jak się okazało, jest jeszcze jedna bardzo ważna zasada: zasada promieniowrażliwości.

Było to przed wakacjami 2010 roku, kiedy w moim macierzystym Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku (obecnie Narodowe Centrum Badań Jądrowych) otrzymałem od dyrekcji zezwolenie na przeprowadzenie kwerendy archiwalnej starych rejestrów dawek, jakie otrzymali pracownicy Instytutu od początku jego istnienia. Nie zdawałem sobie wówczas sprawy z ogromu benedyktyńskiej pracy, jaka mnie czeka. Przez blisko pół roku wertowałem stare teczki sprzed niekiedy kilkudziesięciu lat, mimo iż jestem fizykiem a nie historykiem. Gdy zakończyłem analizę ostatniej teczki, sięgnąłem po analogiczne dane medyczne. I w ten oto sposób stworzyłem w miarę kompletną bazę otrzymanych dawek i stanu zdrowia pracowników dawnego Instytutu Badań Jądrowych.

Przyczyn może być wiele

Opracowane wyniki nie pozostawiały złudzeń: pracownicy, którzy otrzymali dość spore dawki promieniowania, a było to kilkadziesiąt osób, dużo rzadziej chorowali na choroby nowotworowe. Co więcej, licząc względną zachorowalność nowotworową pomiędzy grupą o dawkach wyższych w stosunku do niższych, otrzymujemy spadek ryzyka, choć tutaj wynik jest nieznaczący statystycznie. O czym to może świadczyć? Oczywiście przyczyn może być wiele. Wśród nich wymienia się tzw. efekt zdrowego pracownika (healthy worker effect ), ale jak się potem okazało, nie ma on znaczenia w przypadku chorób nowotworowych. Może to być też fluktuacja statystyczna, gdyż kohorta pracowników ośrodka, a więc grupa badanych osób, jest relatywnie mała. Wreszcie może to oznaczać także to, że promieniowanie jonizujące w pewnych dawkach i pewnych warunkach może stymulować ludzki organizm do skuteczniejszej naprawy DNA, a co za tym idzie – zmniejszenia ryzyka wystąpienia nowotworu.

W międzyczasie udało mi się przy użyciu zaawansowanych metod statystycznych przetestować znacznie więcej danych pochodzących z wielu zagranicznych ośrodków jądrowych. Analizowałem także stan zdrowia mieszkańców obszarów o podwyższonym naturalnym tle promieniowania (także w Polsce – w Sudetach i na Podhalu) oraz ryzyko wystąpienia nowotworów płuc wśród osób narażonych na zwiększone stężenia radioaktywnego gazu radonu. Wszędzie wnioski okazały się zbliżone: stosowana od lat w ochronie radiologicznej hipoteza liniowego wzrostu ryzyka radiacyjnego wraz z dawką jest nieprawdziwa dla niskich dawek i załamuje się poniżej mniej więcej 150-200 mSv/rok (milisiwertów na rok). Oczywiście kwestią wciąż otwartą jest jej dokładny przebieg w tym zakresie, gdyż w tym przypadku dane już nie są tak jednoznacznie zgodne. Część danych pokazuje tzw. efekt hormetyczny, czyli prozdrowotne działanie niskich dawek, a część brak jakiegokolwiek efektu, co jest zgodne z tzw. modelem progowym, który zakłada, że promieniowanie jest szkodliwe dopiero po przekroczeniu pewnego progu dawki. Większość danych obarczona jest jednak na tyle dużymi niepewnościami, że trudno cokolwiek wnioskować.

Ale jak powyższe wnioski mają się do zasad ochrony radiologicznej i postulowanej przeze mnie wcześniej zasadzie promieniowrażliwości? Otóż analizując różne dane medyczne, w tym pochodzące od pacjentów poddawanych radioterapii, zauważyć można niekiedy pewną zależność: im większą promieniowrażliwość (promienioczułość) przejawia dana osoba, tym większe ryzyko wystąpienia pewnych chorób nowotworowych. Innymi słowy: promieniooporne osoby, a więc posiadające niską promieniowrażliwość, mogą reagować bardziej hormetycznie niż pozostałe. Wobec tego być może warto wprowadzić do zasad ochrony radiologicznej obowiązkowe badania poziomu promieniowrażliwości każdego przyszłego pracownika narażonego zawodowo na promieniowanie jonizujące?

Kropka nad „i”

Będąc fizykiem, skupiłem się na tym problemie od strony czysto teoretycznej, za pomocą aparatu matematycznego próbując opisać zachowanie napromienionej komórki. Do tego celu stworzyłem model stochastyczny wykorzystujący technikę Monte Carlo, w którym grupa komórek otrzymuje różne dawki, przy czym uwzględnione zostały wszystkie znane efekty biofizyczne, w tym takie, jak efekt sąsiedztwa (bystander effect ) oraz efekt odpowiedzi adaptacyjnej (adaptive response ). Postulowany model w pełni opisywał zachowanie się komórek w zależności od wartości i mocy dawek, a co najważniejsze jakościowo zgadzał się z istniejącymi danymi eksperymentalnymi. To była kropka nad „i” mojej świeżo obronionej pracy doktorskiej.

W późniejszym okresie skupiłem się bezpośrednio na zjawisku radiacyjnej odpowiedzi adaptacyjnej, który jest podstawowym efektem odpowiedzialnym za łamanie hipotezy liniowej i wyjaśnia fenomen pozytywnej stymulacji organizmu, nieco analogicznie do szczepionki. Dzięki wielu obliczeniom poprzedzonym symulacjami Monte Carlo udało mi się ostatecznie zapisać stricte deterministyczną formułę na prawdopodobieństwo zajścia odpowiedzi adaptacyjnej w zależności od dawki oraz czasu, jaki minął od jej otrzymania lub w ogólniejszej postaci – od rozkładu mocy dawki w czasie. Była to pierwsza tego typu próba całościowego matematycznego opisu tego zjawiska, gdyż używane dotychczas modele opisywały odpowiedź adaptacyjną w zależności tylko od dawki lub tylko od czasu. Jak się później okazało, mój model opisuje też tzw. efekt poprzedzającej dawki (priming dose effect ), dość często opisywany eksperymentalnie, głównie na myszach. Jego podstawowym założeniem jest sprawdzenie częstości dowolnych uszkodzeń popromiennych po podaniu dużej dawki promieniowania (D2), którą poprzedziła, z pewnym wyprzedzeniem czasowym, dawka niska (D1). Okazuje się, iż uszkodzeń jest zdecydowanie mniej, niż gdyby dany organizm naświetlony był jedną dawką łączoną (D1+D2), a nawet samą dawką D2. Innymi słowy mała dawka poprzedzająca (D1) działa stymulująco na organizm i przyczynia się do osłabienia działania dawki dużej (D2), analogicznie do wspomnianej już szczepionki. Pierwszy raz zjawisko to zaobserwowano w Japonii przy badaniu myszy, ale podobne eksperymenty przeprowadza się także w Polsce. Szczęśliwie zaproponowana przeze mnie formuła odpowiedzi adaptacyjnej zaprzęgnięta do symulacji Monte Carlo modeluje jakościowo dokładnie taki sam efekt.

Stworzony przeze mnie model odpowiedzi grupy komórek na promieniowanie posłużył następnie do stworzenia znacznie szerszego modelu, który w ścisły sposób pokazuje ewolucję komórek od pierwotnego oddziaływania promieniowania jonizującego po rozwój wyindukowanych już komórek nowotworowych. Wraz z prof. Ludwikiem Dobrzyńskim z NCBJ i pozostałymi współpracownikami udało się nam znaleźć fizyczne podstawy tzw. krzywej Gompertza (opisującej rozwój nowotworu), i udowodnić, iż można skutecznie wymodelować i zapisać za pomocą matematycznych formuł proces popromiennej transformacji nowotworowej, zaczynając od pojedynczego aktu oddziaływania promieniowania. Być może dzięki temu posuniemy się choć o krok w możliwościach walki z tą okrutną chorobą.

Osłony przeciwradiacyjne

Starałem się łączyć pracę naukową z pracą ściśle aplikacyjną, w tym z pracą dla przemysłu w programie budowy pierwszej polskiej elektrowni jądrowej, oczywiście wciąż skupiając się na kwestii ochrony przed promieniowaniem. Zostałem osobą odpowiedzialną za aspekty ochrony radiologicznej z ramienia inwestora i przyszłego operatora naszej nieistniejącej jeszcze elektrowni jądrowej. Niezależnie od pracy w przemyśle nawiązałem także kontakty z amerykańskim przedsiębiorstwem produkującym fotoluminescencyjne detektory promieniowania jonizującego, aby móc zastosować tę technologię także w polskich warunkach. Po długich zmaganiach natury formalno-administracyjnej w Polskim Centrum Akredytacji wraz z kolegą udało mi się stworzyć pierwsze w Polsce prywatne akredytowane laboratorium oferujące usługi dozymetrii środowiskowej i indywidualnej, a więc pomiarów dawek promieniowania dla podmiotów stricte komercyjnych. Nie było to łatwe, zwarzywszy na monopol państwowych instytutów w tym zakresie. Laboratorium już działa, chociaż na niewielką skalę.

Jednakże największym wyzwaniem dla współczesnej ochrony radiologicznej nie jest dozymetria, lecz stworzenie dobrych osłon przeciwradiacyjnych. Oczywiście świetnym materiałem tego typu jest znany wszystkim ołów, jednak to materiał bardzo ciężki i w praktyce trudny do wykorzystania np. w statkach kosmicznych, które musiałyby udźwignąć wiele ton tego pierwiastka. Alternatywą są osłony lekkie, a równie skuteczne, które dodatkowo posiadają regulowaną zdolność do pochłaniania promieniowania. Jaki jednak miałby być ich mechanizm działania? Aby odpowiedzieć na to pytanie, dowiedzmy się, jaki jest mechanizm oddziaływania promieniowania z materią.

Skupmy się na najpowszechniej występującym, a jednocześnie sprawiającym dużo kłopotów z punktu widzenia ochrony radiologicznej typie promieniowania, czyli wysokoenergetycznej fali elektromagnetycznej, znanej szerzej jako promieniowanie gamma oraz X (rentgenowskie). Z punktu widzenia oddziaływania z materią promieniowanie gamma i X niczym się od siebie nie różnią z wyjątkiem energii, gdyż gamma posiada ją zdecydowanie większą niż X. Gdy taki foton przechodzi przez materię, oddziałuje z nią na kilka sposobów poprzez efekty fizyczne, spośród których najważniejszymi są cztery: efekt fotoelektryczny, rozpraszanie Comptona, kreacja cząstek elektron-pozyton w polu jądra atomowego oraz analogiczna kreacja tych cząstek w polu innego elektronu. Ten ostatni efekt nosi niekiedy nazwę kreacji triplet. W przypadku ołowiu mamy do czynienia z dużymi masywnymi jądrami, a przez to z dość dużą liczbą elektronów. Stosując materiał lekki, będziemy mieć do czynienia ze zdecydowanie mniejszymi jądrami, wobec tego prawdopodobieństwo zajścia tych czterech efektów będzie mniejsze, co skutkuje słabszą osłoną przeciwradiacyjną. Czyli bezsprzecznie ołów znów triumfuje. Ale w powyższym wywodzie zapomnieliśmy o pewnym szczególe: otóż zakładamy milcząco, że liczba elektronów jest ściśle skorelowana z wielkością jądra (czyli typem pierwiastka). A tymczasem wcale tak być nie musi. Jest to o tyle istotne, że dwa spośród wymienionych wyżej efektów, tj. efekt Comptona i kreacja triplet, w ogóle nie potrzebują jąder atomowych do tego, aby zaistnieć. Jak więc rozwiązać ten problem?

Wyobraźmy sobie osłonę przeciwradiacyjną zbudowaną z materiału, który świetnie akumuluje ładunek elektryczny. Takim materiałem może być na przykład płytka z grafenu, która teoretycznie potrafi zgromadzić nawet kilka kulombów na centymetr kwadratowy, czyli bardzo duży ładunek elektryczny, a co za tym idzie – bardzo dużo dodatkowych elektronów. Dzięki tym elektronom prawdopodobieństwo zajścia efektu Comptona i kreacji triplet gwałtownie rośnie, co skutkuje zwiększeniem współczynnika pochłaniania promieniowania, a w efekcie zwiększeniem możliwości osłonnych takiego materiału. Jeśli do tego dodamy informację, że ładunek ten można przecież dowolnie dokładać lub ujmować, to pojawi nam się przed oczami lekka skuteczna osłona przeciwradiacyjna z możliwością zdalnej regulacji poziomu pochłaniania promieniowania, co może mieć duże znaczenie dla np. przemysłu kosmicznego czy medycyny (kolimatory, zmienne osłony etc.). W chwili obecnej pomysł ten został zgłoszony do urzędu patentowego i opublikowany w międzynarodowym czasopiśmie fizycznym. Trwają także rozmowy z jednym z instytutów na temat rozpoczęcia prac badawczych, a w dalszej kolejności, miejmy nadzieję, także wdrożeniowych, chociaż chętnych do zainwestowania na razie brak. Niestety tematyka ochrony radiologicznej nie cieszy się wielkim zainteresowaniem wśród instytucji przyznających granty naukowe.