Биологическое действие ионизирующих излучений.

Под биологическим действием ионизирующих излучений понимают их способность вызывать функциональные, анатомические и метаболические изменения на молекулярном, клеточном, органном и организменном уровнях. Биологическое действие ионизирующих излучений обусловлено энергией, отдаваемой излучениями разным тканям и органам.

В основе биологического действия ионизирующих излучений лежат:

• поглощение энергии излучения биосубстратом;

• ионизация и возбуждение атомов и молекул с последующим радиолизом, образованием активных свободных радикалов, развитием первичных радиационно-химических реакций и повреждением крупномолекулярных соединений.

Первичное действие излучения может быть прямым и непрямым (косвенным). При прямом воздействии излучения происходит возбуждение и ионизация молекул вещества тканей и органов.

Передача энергии ионизирующего излучения веществу осуществляется в очень короткий срок (см. табл.13):

Таблица 13. Стадии лучевого поражения

Ионизация и возбуждение атомов и молекул облученной ткани является первичным физическим процессом, обусловливающим пусковой механизм биологического действия ионизирующего излучения, которое, поэтому, называют прямым действием. При этом происходит разрыв молекулярных связей с образованием свободных радикалов.

Так как 70% массы тела составляет вода, то под влиянием ионизирующего излучения также происходит радиолиз воды с образованием свободных радикалов H,⁺ OH^- и перекиси водорода - H₂O₂. Свободные радикалы окисляют и восстанавливают молекулы органических веществ, растворимых в воде: белков, нуклеопротеидов, липидов, ферментов и т.д.

Наряду с водными радикалами в облученном организме активно действуют органические радикалы. Таким образом, изменение молекулы, непосредственно не поглотившей энергию ионизирующего излучения, а получившей ее от других измененных молекул, представляет механизм непрямого или косвенного действия.

Основным субстратом первичных окислительных реакций являются биолипиды и нуклеопротеиды. В результате радиационного воздействия нарушается структура тканей и клеток.

Возникшие под влиянием ионизации атомов и молекул первичные реакции ведут к изменению структуры молекул, что приводит к нарушению биохимических процессов в органах и тканях и выражается в расстройстве тканевого дыхания, изменении действия ферментативных систем, нарушении синтеза белков и т.д.

Ионизирующее излучение всегда оказывает повреждающее действие на живое вещество. Реакции организма на облучение разнообразны и определяются как действующим фактором - излучением, так и свойствами самого организма.

Особенности биологического действия излучений:

1) Биологический эффект зависит от поглощенной дозы излучений, эта зависимость прямая - с нарастанием дозы усиливается эффект;

2) Эффект облучения связан с распределением дозы во времени, т.е. со скоростью поглощения энергии. Распределение одной и той же суммарной дозы на отдельные фракции ведет к уменьшению степени лучевого поражения, т.к. процессы восстановления, начинающиеся сразу после облучения, способны хотя бы частично компенсировать возникшие нарушения.

3) Степень и форма лучевого поражения определяется распределением энергии излучения в организме. Наибольший поражающий эффект обусловливает облучение всего организма - общее облучение. Меньшие изменения вызывает воздействие в той же дозе на отдельные части организма - локальное облучение, при этом имеет значение, какие части организма облучаются. Самые большие последствия дает облучение живота, а наименьшие - облучение конечностей.

4) Биологическое действие зависит от вида излучения. В зависимости от значения линейной передачи энергии (ЛПЭ - энергия, переданная заряженной частице на единице длины ее пробега в веществе) все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие.

К редкоионизирующим излучениям относят все виды излучений (независимо от их физической природы), имеющие ЛПЭ < 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим - те, для которых ЛПЭ превышает эту величину.

ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии всякой заряженной частицей максимальна, что приводит к характерному распределению ионизации, описываемому известной кривой Брегга, с максимумом, пиком Брегга, в конце пути. Эту особенность взаимодействия тяжелых ядерных частиц используют при лечении опухолей, так как она позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине пораженной ткани при минимальном ее рассеивании в здоровых тканях по ходу пучка.

Установлено, что ЛПЭ пропорциональна квадрату заряда: -частица, образующаяся при радиоактивном распаде и имеющая заряд +2, вызывает появление ионов в четыре раза чаще чем другие частицы. В воздухе -частицы в зависимости от начальной энергии образуют 40000-100000 пар ионов, а -частицы - 30-300. Длина пробега частиц возрастает с увеличением их энергии.

В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать вглубь атомов; достигая ядер, они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них. При упругом рассеивании на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь 10-15% энергии, а при столкновении с почти равными с ними по массе ядрами водорода - протонами, энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи.

В результате упругого рассеивания нейтронов образуются сильноионизирующие протоны. Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, образуют протоны, -частицы и фотоны -излучения, также способны вызывать ионизацию. При таких ядерных реакциях могут образовываться радиоактивные изотопы элементов и возникать наведенная радиоактивость, которая в свою очередь, также вызывает ионизацию. Ионизируют вещество и сами ядра отдачи, возникающие при ядерных превращениях.

Таким образом, при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или фотонами. Следовательно, преимущественный вклад того или иного вида ядерного взаимодействия нейтронов зависит от их энергии и состава облучаемого вещества. По величине энергии различают четыре вида нейтронов: быстрые (Е > 100кэВ), промежуточные (Е = 1-100 кэВ), медленные (Е < 1 кэВ) и тепловые ( Е около 0,025 кэВ).

Наибольшее практическое значение в радиобиологии имеют быстрые нейтроны. Все остальные, образуясь по мере замедления, также вносят свой вклад в общий процесс поглощения энергии.

Нейтроны относят к плотноионизирующим излучениям, так как образуемые ими протоны отдачи сильно ионизируют вещество. Возникновение протонов происходит на большой глубине из-за высокой проникающей способности нейтронов.

Итак, все виды ионизирующих излучений сами или опосредованно вызывают или возбуждение, или ионизацию атомов либо молекул биосистем. Однако, при облучении объектов разными видами ионизирующих излучений в равных дозах возникает количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты.

Поэтому было введено понятие об относительной биологической эффективности (ОБЭ) ионизирующих излучений. Например, доза быстрых нейтронов в 1 грей (100 рад) оказывает такое же биологическое действие на человека, как 10 Гр (1000 рад) гамма-излучения.

5) Наличие скрытого периода действия радиации. Скрытым периодом называется промежуток времени, который охватывает период от момента облучения до появления изменений, регистрируемых клинически. Продолжительность скрытого периода обратно пропорциональна поглощенной дозе. Чем выше доза, тем короче скрытый период. Необходимо иметь в виду, что скрытый период является понятием условным, чисто клиническим, так как в действительности реакция на облучение развивается непрерывно.

6) Свойство кумуляции - накопления. Если участок кожи облучить в дозе 1 Гр, то никаких визуальных изменений не будет. Если облучение повторять несколько дней подряд, разовьется эритема. Если облучение ежедневно продолжать 2-3 месяца - то возникает некроз. Это происходит потому, что в тканях постепенно накапливаются небольшие изменения, вызываемые каждым облучением, что в итоге приводит к большим повреждениям.

В формировании биологического эффекта особую роль играет функция интегрирующих систем организма - нервной системы, эндокринного аппарата и гуморальной системы, транспортирующей по организму токсические продукты, образующиеся в тканях в результате облучения.

Нервные рецепторы испытывают воздействие токсических продуктов, что приводит к нарушению процессов нервной регуляции, а возникновение самоускоряющихся цепных реакций в облученном организме обусловливает дальнейшее развитие этапов лучевого поражения с характерной периодичностью течения патологического процесса.

Из сказанного вытекают два важных положения:

Первое - взаимодействие ионизирующего излучения с живым веществом происходит по законам физики и сопровождается возбуждением и ионизацией атомов и молекул и первичными радиохимическими процессами (реакциями). Но это лишь первичное действие радиации.

Второе - ионизация атомов и молекул является лишь пусковым механизмом для разыгрывающихся в дальнейшем в живом организме вторичных процессов, которые развиваются по биологическим законам. Поэтому эффективность биологического действия ионизирующих излучений оценивается с точки зрения тяжести этих вторичных повреждений.

ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА КЛЕТКУ И ОРГАНИЗМЫ ТЕПЛОКРОВНЫХ ЖИВОТНЫХ.

В результате облучения в клетке можно зарегистрировать множество самых разнообразных реакций - задержку деления, угнетение синтеза ДНК, повреждение мембран и др. Степень выраженности этих реакций зависит от того, на какой стадии жизненного цикла клетки произошло облучение.

Около 30 лет назад было установлено, что синтез ДНК в клетке происходит в интерфазе, занимая определенный промежуток времени. Это позволило разделить интерфазу на 3 периода - период синтеза ДНК (S - период), пред-(G₁) и постсинтетические (G₂) периоды (G - от англ. Gap - интервал), четвертый период - митоз (М). Продолжительность жизненного или митотического цикла - время между двумя последовательными делениями клетки - слагается из отдельных стадий, длительность которых в разных тканях варьирует относительно друг друга по величине располагаясь как правило, следующим образом: М < G₂ - S - G₁. Более продолжительны периоды G₁ и S, а самый кратковременный - митоз, завершается в течение 30-60 минут. Стадию (фазу) покоя клетки обозначают G₀.

Некоторые лучевые реакции легко переносятся клеткой, т.к. являются следствием повреждения множественных структур, утрата которых очень быстро восполняется. Такие преходящие клеточные реакции называются физиологическими эффектами облучения (например, различные нарушения метаболизма, ингибирование нуклеинового обмена или окислительного фосфорилирования, слипание хромосом и др.). Как правило, подобные реакции проявляются в ближайшие сроки после облучения и со временем исчезают. Наиболее универсальная из них - временная задержка (угнетение) клеточного деления, часто называемая радиационным блокированием митозов. Деление клетки прекращается и возобновляется спустя некоторое время, различное у разных объектов, но оно всегда увеличивается параллельно с дозой излучения. Для большинства культур клеток задержка деления соответствует примерно 1 часу на каждый 1 Гр. Продолжительность времени задержки деления зависит и от стадии клеточного цикла, в котором находятся клетки в момент облучения; наиболее продолжительно оно в тех случаях, когда воздействию подвергаются клетки в стадии синтеза ДНК или в постсинтетической стадии, а самое короткое время задержки митоза - при облучении в митозе. Реакцию задержки деления следует отличать от полного подавления митоза, наступающего после воздействия больших доз, когда клетка значительное время продолжает жить, но необратимо утрачивает возможность к делению.

ЛЕТАЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ КЛЕТОК. ФОРМЫ КЛЕТОЧНОЙ ГИБЕЛИ.

В 1906 г. И.Бергонье и Л.Трибендо отметили, что радиочувствительность ткани прямо пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированности составляющих ее клеток. Подавление способности к делению клетки ионизирующим излучением является наиболее важным. В связи с этим под клеточной гибелью или летальным эффектом облучения понимают утрату клеткой способности к пролиферации. Выжившими клетками считают те, которые сохранили способность к неограниченному размножению, т.е. клонообразованию. Таким образом речь идет о репродуктивной гибели клетки. Эта форма лучевой инактивации клеток наиболее распространена в природе.

При наблюдении за облученными клетками было установлено, что их гибель происходит как в процессе 1-го пострадиационного деления, так и во 2-м, 3-м и 4-м митозах. При облучении в дозе 2 Гр гибель потомков клеток наблюдалась после 2-го и 3-го делений, а после облучения в дозе 4 Гр клетки более чем в 80% успешно заканчивали пострадиационное деление, но зато вероятность деления дочерних клеток (1 генерация) и “внучек” (2-ая генерация) составляла около 30%, а остальные 70% клеток, начав деление, погибали.

Другая разновидность репродуктивной гибели потомков облученных клеток - образование т.н. гигантских клеток, возникающих в результате слияния двух соседних, чаще “сестринских” клеток. Такие клетки способны к 2-3 делениям, после чего они погибают.

Основной причиной репродуктивной гибели клеток являются структурные превращения ДНК в виде т.н хромосомных перестроек, или аберраций хромосом. Основные виды аберраций: фрагментация хромосом, формирование хромосомных мостов, дицентриков, кольцевых хромосом, появление внутри- и межхромосомных обменов и т.д.

Некоторые аберрации, например мосты, механически препятствуют делению клетки. Обмен внутри хромосом и между ними приводит к неравномерному разделению хромосом, к утрате генетического материала, что вызывает гибель клетки из-за нехватки метаболитов, синтез которых кодировался ДНК утраченной части хромосомы.

Оценка поражения может проводиться путем мета- и анафазного анализа. При метафазном анализе изучают специально приготовленные препараты метафазных клеток, на которых хорошо различима структура отдельных хромосом. Этот метод позволяет выявить все типы аберраций, но он весьма трудоемок. При анализе анафаз легко различимы только “летальные” для клеток аберации - мосты и фрагменты. Этот метод позволяет провести оценку радиочувствительности. Аберрации хромосом с образованием фрагментов называют концевыми нехватками или делециями.

Еще одна форма радиационной инактивации клеток - интерфазная гибель - наступает до вступления клеток в митоз. При дозах облучения 10 Гр гибель может наступить “под лучем” или вскоре после облучения. При дозе облучения до 10 Гр гибель наступает в первые часы после облучения и может быть зарегистрирована в виде различных дегенеративных изменений клетки - чаще пикноза или фрагментации хроматина.

Для большинства соматических клеток взрослых животных и человека интерфазная гибель регистрируется только после облучения дозами в десятки и сотни грей. При меньших дозах наблюдается репродуктивная форма гибели, причиной которой являются структурные хромосомные повреждения.

В зависимости от радиочувствительности установлены 3 группы критических органов или тканей:

I группа - все тело, гонады и красный костный мозг.

II группа - мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталик глаза и др. органы, за исключением тех, которые относятся к I и III группам.

III группа - кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, лодыжки и стопы.