БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Для понимания биологического действия излучения необходимо знать
все его этапы: молекулярный уровень (физические процессы взаимодействия
ионизирующего излучения с веществом), клеточный уровень (нарушение
биохимии и морфологии клетки, её генетического аппарата), уровень
целостного организма (морфологические и функциональные изменения
органов и систем).
Этапы
биологического
представлены в виде схемы.
Время течения
10
- 10 с
действия
ионизирующих
Облучение
Поглощение энергии излучения. Ионизация
и возбуждение молекул. Первичные радиационно – химические реакции
излучений
Этапы поражения
Первичное
взаимодействие
и радиохимические реакции
СекундыЧасы
Нарушение структур, функции, наследственности клеток, их гибель
Поражение
клеток
МинутыМесяцы
Нарушение функции органов и систем.
Морфологические изменения в органах
и системах
Поражение
организма
Годы
Отдалённые соматические эффекты
(сокращение жизни, развитие опухолей ,
гибель организма)
Неопределённо
долгое время
Генетические последствия облучения
(наследственные заболевания)
Поражение
популяции
Поглощение энергии излучения
и первичные радиационнохимические реакции
Всё начинается с чисто физического процесса – поглощения
энергии
в биосубстрате. Заряженные частицы, нейтроны и фотоны
вступают во взаимодействие с атомами биологического объекта и передают
им частично или полностью свою энергию. Все ионизирующие излучения
действуют в принципе одинаково: все они передают свою энергию
атомам вещества, вызывая их возбуждение или ионизацию.
Таким образом, физический процесс поглощения энергии
заканчивается образованием ионизированных и возбуждённых, т.е. очень
активных в химическом отношении, атомов и молекул Поглощённая в
тканях энергия излучения превращается в другие виды энергии (в тепло, в
химическую энергию). Происходит изменение тех молекул, которые
поглотили энергию.
Ведущей радиационно-химической реакцией является
разрыв
химических связей и возникновение активных радикалов.
Большую роль здесь играет первичная ионизация воды, которая
составляет около 70% массы человеческого тела. В воде образуются
свободные радикалы Н и ОН, обладающие высокой химической
активностью. В результате взаимодействия с ними происходит окисление
или восстановлении молекул и образование перекисных соединений. Под
действием излучения белки расщепляются на аминокислоты и
гистаминоподобные соединения, токсичные для человека. Сложные реакции
происходят в липидах, углеводах, нуклеопротеидах.
Возникшие под влиянием ионизации атомов и молекул первичные
реакции ведут к изменению структуры молекул, что приводит к нарушению
биохимических процессов в органах и тканях. Это выражается в
расстройстве тканевого дыхания, изменении действия ферментных систем,
извращении синтеза белков и т.д.
Присутствие кислорода в облучаемом объекте сильно увеличивает
выход многих радиационно-химических реакций. Ведь органические
радикалы, возникающие при действии ионизирующего излучения на
молекулы липидов, нуклеопротеидов, белков и других веществ, а также
радикалы воды отличаются выраженной способностью соединяться с
атомами кислорода. Недостаток кислорода понижает чувствительность к
излучению как нормальных, так и патологически изменённых клеток и
тканей. Иначе говоря, степень лучевых реакций зависит от концентрации
кислорода в биосубстрате.
Явление известно в радиобиологии под названием кислородного
эффекта.
Действие ионизирующего излучения на клетки
В клетке нет таких структур, которые не поражались бы при
облучении. По современным представлениям, гибель клеток вызывается в
первую
очередь
поражением
ядерных
структур
–
ДНК,
дезоксирибонуклеопротеидов и ДНК-мембранного комплекса.
Различают два вида гибели клеток вследствие облучения –
митотическую и интерфазную гибель.
Интерфазной гибелью называют гибель клетки до вступления её в фазу
митоза, в большинстве случаев в первые часы после облучения. Этот тип
гибели характеризуется расстройством всей метаболической организации
клетки.
Митотическая (репродуктивная, пролиферативная) гибель возникает
вследствие инактивации клетки, наступающей после облучения и после
первого или последующих митозов. Поэтому даже при воздействии
облучения в больших дозах этот вид гибели может проявляться через
отдалённый период времени (до нескольких суток).
Интерфазная
гибель
является
или
выражением
высокой
радиочувствительности клетки или следствием воздействия большой дозы
излучения.
В поражённых клетках выявляются физико-химические изменения:
повышение проницаемости клеточных оболочек, изменение вязкости и
гидрофильности цитоплазмы и др. Происходят и морфологически
определяемые сдвиги: слипание. Набухание, разрыв с последующей утратой
части хромосом или неправильным воссоединением концов, изменения
микросом и лизосом, увеличение ядра и изменение его формы и размеров
клеток, вакуолизация цитоплазмы.
При облучении в дозах, принятых в лучевой терапии, не во всех
клетках создаются условия, ведущие к их гибели. Наряду с клетками,
находящимися в таком состоянии, что нанесённые лучевые повреждения
оканчиваются их гибелью (летальные повреждения). Имеются облученные
клетки, в которых изменения сами по себе не приведут клетку к гибели, но
при повторном облучении проявятся в виде лучевого поражения клетки
(сублетальные повреждения).
Существуют и такие лучевые изменения в клетках, при которых эффект
воздействия реализуется в разной степени при определённых условиях
(например, температурных). При этих так называемых потенциальных
повреждениях клетки могут восстановиться (репарация) или же повреждения
появятся, но только при определённых условиях. Наличие этих двух
последгих видов повреждений клеток (сублетальных и потенциально
летальных) очень важно для объяснения репаративных изменений,
происходящих после облучения. Умение использовать радиобиологические
особенности поражённых излучением клеток позволяет проводить
направленные изменения радиочувствительности с помощью физических и
химических средств в сторону увеличения "радиотерапевтического
интервала", т.е. модифицировать лучевую реакцию.
Реакция организма на облучение
Ионизирующие излучения всегда оказывают повреждающее действие
на живое вещество. Непосредственным результатом повреждения является
отклонение деятельности органов и систем от обычного уровня. Лучевое
поражение организма складывается не только из повреждения, но и из
реакции на него. Степень повреждения пропорциональна дозе, а реакция
организма пропорциональна отклонению системы от обычного уровня.
Реакции организма на облучение весьма разнообразны и определяются
как действующим фактором – излучением, так и свойствами самого
организма.
Биологический эффект зависит от поглощённой дозы излучения; в
среднем эта зависимость прямая: с нарастанием дозы усиливается эффект.
Эффект облучения связан с распределением дозы во времени, т.е. со
скоростью поглощения энергии. Разделение одной и той же суммарной дозы
на отдельные фракции и проведение облучения с перерывами ведут к
уменьшению лучевого поражения, так как процессы восстановления,
начинающиеся сразу после облучения, способны хотя бы частично
компенсировать возникшие нарушения. Степень и форма лучевого
поражения определяются распределением энергии излучения в организме.
Наибольший поражающий эффект обуславливает облучение всего организма
(общее облучение). Меньшие изменения вызывает воздействие в той же дозе
локальное облучение. При этом не всё равно, какие части облучаются. Самые
большие последствия даёт облучение живота, а наименьшее –конечностей.
Биологическое действие зависит от вида излучения. Разные излучения даже в
равной дозе дают разный эффект. Неодинаковая степень лучевых
повреждений, развивающихся при воздействии равных доз разных
излучений, заставила сформулировать представление об относительной
биологической эффективности (ОБЭ) ионизирующих излучений. Например,
ОБЭ=1 у рентгеновского и тормозного излучения, гамма-излучения,
электронов, бета-частиц. ОБЭ=3 у медленных нейтронов. ОБЭ=10 у альфачастиц, быстрых нейтронов.
Радиочувствительность органов и тканей
Чувствительность органов и тканей у человека к ионизирующему
излучению неодинакова.
Это
свойство
принято
называть
относительной
радиочувствительностью.
Наиболее чувствительны к облучению кроветворная ткань, железистый
аппарат кишечника, эпителий половых желёз, эпителий кожи и сумки
хрусталика глаз. Следовательно, при облучении таких органов, как
лимфатические узлы, селезёнка, костный мозг, гонады, тонкая кишка,
возникают
наибольшие лучевые повреждения. Далее по степени
радиочувствительности идут эндотелий, фиброзная ткань, паренхима
внутренних органов, хрящевая ткань, мышцы, нервная ткань. Эта градация
основана на сравнительно грубых морфологических проявлениях лучевых
поражений. Она не в полнлй мере отражает функциональные последствия
облучения. Известно, в частности, что изменения функции нервной ткани
наступают быстро и даже при относительно малых дозах облучения.
Радиочувствительность тканей и клеток не является величиной
постоянной. Она меняется в зависимости от состояния организма, характера
его деятельности в момент облучения и особенно от действия внешних
условий (температуры, содержания кислорода и других факторов).