Механизмы поражения ионизирующим излучением живой ткани

Биологическое действие ионизирующих излучений является многоступенчатым. Создаваемая излучением ионизация – это лишь первое звено в сложной цепи процессов, приводящих в конце концов к радиационному поражению. В этой цепи можно выделить четыре основные стадии:

1. Физическая стадия (длительность 10^-15 – 10^-12 с). На этой стадии основным процессом является ионизация атомов и молекул.

2. Физико-химическая стадия (длительность до 10^-6с), в течение которой происходит разрушение или перестройка облученных молекул. Эта перестройка, в частности, приводит к возникновению большого числа свободных радикалов, обладающих высокой химической активностью.

3. Биохимическая стадия (длительность до 1 с). На этой стадии в результате повреждения биологически важных молекул (в первую очередь ДНК, а также белков и фосфолипидов) происходит инактивация ферментов, нарушается синтез белков, АТФ и других необходимых для организма веществ, повреждаются мембраны и другие структуры клеток.

4. Клиническая стадия (недели и месяцы), когда возникают видимые проявления радиационного поражения. Как правило, клинической стадии предшествует латентный период, длящийся, в зависимости от дозы и индивидуальных особенностей от нескольких часов до нескольких недель. Изменения, возникшие под действием облучения, во время латентного периода внешне никак не проявляются, что создает ложное впечатление благополучия.

Нетрудно сообразить, что в течение первых трех стадий вмешательство в ход процесса практически невозможно. Все медицинские мероприятия проводятся либо до облучения, с целью предотвращения его последствий, либо во время латентного периода и клинической стадии.

Ионизация, создаваемая облучением, и следующая за ней перестройка электронных оболочек влекут за собой повреждение или разрыв биологически важных молекул – нуклеиновых кислот, белков и фосфолипидов. Наиболее значимым является повреждение ДНК. Дело в том, что белки организма достаточно быстро обновляются, поэтому повреждение белковых молекул является преходящим. Повреждение же ДНК и РНК приводит к устойчивому нарушению синтеза белков. Изменение белкового состава клеток влечет за собой различные нарушения их структуры и функции, вплоть до гибели клетки.

Повреждение ДНК, как и других молекул, может происходить двумя способами:

1) Частица или квант попадают прямо в молекулу и непосредственно вызывают ее разрыв или перестройку. Такой механизм получил название прямого действия радиации.

2) Значительная доля излучения может поглощаться молекулами воды. При этом возникают различные свободные радикалы, которые либо сами взаимодействуют с биологически важными молекулами, либо присоединяют атом кислорода и образуют перекисные соединения, обладающие высокой химической активностью (Н₂О₂, НО₂^-, органические перекиси), что в конечном итоге также приводит к повреждению ДНК, белков и других жизненно важных молекул. В этом случае имеет место непрямое (косвенное) действие ионизирующей радиации.

Роль перекисных соединений отчетливо видна из так называемого кислородного эффекта. Он заключается в том, что при недостатке кислорода (гипоксии) перекиси почти не образуются, и повреждающее действие излучения несколько уменьшается. Например, в условиях высокогорья, где парциальное давление кислорода заметно снижено, LD₅₀ на 20-30% больше, чем в обычных условиях. В состав радиопротекторов часто вводят вещества, вызывающие гипоксию. Основной же механизм действия радиопротекторов состоит в том, что они связывают свободные радикалы, возникающие в момент облучения, и тем самым уменьшают непрямое действие радиации. Прямое действие излучения предотвратить практически невозможно.

В зависимости от объекта облучения и других условий на первый план может выйти как прямое, так и косвенное действие радиации. При облучении человека преобладает непрямое действие.

Наряду с поражением ДНК заметную роль играет повреждение мембран. При этом существенно, что возникающее под действием свободных радикалов окисление фосфолипидов может приобрести цепной характер: среди продуктов реакции опять возникают свободные радикалы, которые даже после окончания облучения могут поддерживать реакцию. В итоге это приводит к серьезным повреждениям клеточных мембран.

Повреждение мембран сказывается на всех их функциях, в частности нарушаются процессы транспорта, снижается электрическая прочность мембран, что ведет к электрическому пробою, еще более нарушающему их функции. Так, электрический пробой мембран митохондрий нарушает синтез АТФ, необходимой для энергообеспечения всех внутриклеточных процессов.

Степень и характер лучевых поражений в значительной степени зависят от линейной плотности ионизации. При высокой ЛПИ высока вероятность того, что несколько актов ионизации произойдут в одной и той же молекуле.

Это обстоятельство имеет особо существенное значение при воздействии ионизирующего излучения на ДНК. В случае низкой ЛПИ повреждение ДНК происходит преимущественно в одной нити, а при высокой – повреждаются обе нити. В первом случае восстановление поврежденного участка гораздо более вероятно, чем во втором, так как неповрежденная нить служит матрицей для копирования. Во втором случае, даже если восстановление произошло, могут возникнуть сбои в воспроизводстве генетической информации.

Особенно опасно воздействие ионизирующего излучения на ткани, находящиеся в состоянии интенсивного деления. Это связано с тем, что при митозе ДНК существует в виде одной нити, и даже малые дозы радиации могут приводить к серьезным последствиям. Именно поэтому органы и ткани, в которых интенсивно протекает клеточное деление, наиболее чувствительны к действию ионизирующей радиации. К таким органам относятся стволовые клетки кроветворной ткани костного мозга, половые органы, эпителий желудочно-кишечного тракта и др. Поражение наиболее чувствительных органов и тканей в значительной степени и определяет клиническую картину лучевой болезни. По этой же причине повышенной радиочувствительностью отличаются и клетки злокачественных опухолей, в которых происходит интенсивное деление. Это обстоятельство используется при лучевой терапии. Угнетается иммунитет, что приводит к развитию инфекционных осложнений, интоксикации и кровоизлияниям в ткани и органы.

Как было сказано ранее, для оценки биологического эффекта действия ионизирующего излучения на человека используется эквивалентная доза облучения. Однако одна и та же доза у разных людей может приводить к разным последствиям из-за индивидуальных различий в радиочувствительности. Можно представить это графически, отложив по оси абсцисс величину эквивалентной дозы, а по оси ординат – процент выживших после облучения организмов. Кривая будет иметь S-образный характер.

Подобный вид кривой «доза-эффект» объясняется тем, что наряду с лучевым поражением в тканях идут репаративные процессы. Организм активно борется с последствиями облучения, и при малых дозах происходит более или менее полное восстановление первоначального состояния. Процент погибших организмов очень низок и кривая на графике идет почти горизонтально. По мере увеличения дозы репаративных возможностей организма оказывается недостаточно и растет процент гибели. При очень больших дозах гибнут все облученные организмы – кривая сливается с осью абсцисс.

Опыт, накопленный при анализе облучения в разных ситуациях, дает представление о результатах облучения разными дозами. Так, например, при дозе до 25 бэр (0,25 Зв) изменения в организме незначительны и на состоянии здоровья серьезно не отражаются. Доза 50 бэр (0,5 Зв) вызывает некоторые патологические изменения, однако серьезной медицинской помощи в этом случае не требуется. При дозах 100-200 бэр (1-2 Зв) развивается легкая степень лучевой болезни; при дозах от 200 до 400 бэр (2-4 Зв) – лучевая болезнь средней тяжести, а при дозах выше 400 бэр (4 Зв) – тяжелая лучевая болезнь. Необходимо отметить, что индивидуальные особенности организмов приводят к большой вариабельности эффектов поражения. Так доза 250 бэр у мало чувствительного человека может привести к легкому лучевому поражению, а у человека с повышенной чувствительностью – вызвать тяжелую лучевую болезнь.

Все приведенные величины относятся к общему облучению организма. При локальном воздействии человек может перенести значительно большие дозы. При этом, разумеется, важно, какие именно органы попадают в зону облучения.

Важной особенностью ионизирующих излучений является кумулятивный эффект, который проявляется при длительном (хроническом) облучении. Те повреждения ДНК, которые клетки не смогли ликвидировать, постепенно накапливаются, что приводит к нарушению синтеза белков и расстройству различных функций организма.

Кумулятивный эффект учитывается при определении предельно допустимых доз облучения. Так предельно допустимая доза устанавливается на всю продолжительность жизни. В настоящее время ПДД для населения принята в размере 35 бэр (0,35Зв). Исследования показали, что при такой суммарной дозе никаких отклонений в состоянии здоровья не наблюдается. При средней продолжительности жизни 70 лет это соответствует предельно допустимой мощности дозы 0,5 бэр в год. Следует отметить, что это всего в 3-4 раза выше естественного радиоактивного фона.

Накопление дефектов в ДНК вызывает мутации, что сказывается на последующих поколениях. Этот эффект хорошо исследован на животных с малой продолжительностью жизни. Поскольку большинство мутаций приводит к нежелательным последствиям, а сам эффект может проявляться независимо от дозы облучения, необходимо стремиться свести к минимуму воздействие ионизирующего излучения на организм человека.

Выводы и заключение.

Знание природы и свойств ионизирующего излучения необходимо врачу для того, чтобы оценивать последствия воздействия ионизирующих излучений на организм человека. Количественная оценка этого воздействия, а также его механизмы будут рассмотрены на следующей лекции. Следует отметить, что ионизирующие излучения используются для диагностики и лечения ряда заболеваний, о чем в дальнейшем более подробно будет идти речь на кафедрах рентгенологии, военно-полевой терапии, военно-морской и радиационной гигиены и др.

«____»____________20__ г.

Исполнитель: Доцент Новикова Н.Г.

Поиск по сайту: