Первичные процессы при действии ионизирующих излучений

Воздействие ИИ на живую ткань — очень сложный и не изученный до конца процесс. Большинство происходящих в тканях процессов связывают с первичными механизмами действия ионизирующей радиации.

Различают прямое и косвенное действие ИИ на живую биологическую ткань. В результате прямого действия в ней происходит ионизация и возбуждение сложных молекул с последующей их диссоциацией, разрывом химических связей и т. п.

В простых веществах, молекулы которых состоят из атомов одного и того ж элемента (газа, металла и т. п.), процессу ионизации сопутствует процесс рекомбинации. Ионизированный атом присоединяет к себе один из свободных электронов, которые всегда имеются в среде, в результате вновь образуется нейтральный атом. То же происходит и с возбужденным атомом, который возвращается в нормальное состояние в процессе перехода электрона с внешних оболочек атома на освободившееся место на ближайших к ядру оболочках. При этом происходит испускание одного или нескольких фотонов характеристического излучения.

Таким образом, ионизация и возбуждение атомов простых веществ не приводят к каким-либо изменениям физико-химической природы облучаемой среды.

Иначе обстоит дело при воздействии ИИ на сложные органические вещества, молекулы которых состоят из большого числа различных атомов. В возбужденном состоянии молекула может находиться очень короткое время: 1 * 10^-14 - 1 * 10^-13 с.

За это время энергия возбуждения может трансформироваться в колебательную энергию и сконцентрироваться на одной из химических связей, что может привести к развалу молекулы (отрыву от нее какого-либо фрагмента и т.п.).

Результатом ионизации является скачкообразное изменение электромагнитного поля молекулы, в результате чего возможен разрыв 15-20 химических связей.

Косвенное действие связано с радиационно-химическими процессами, обусловленными продуктами радиолиза воды, которая, как известно, составляет 60-70 % от общей массы биологической ткани. Образующиеся при этом свободные радикалы (H, OH и, особенно, гидропероксид HO₂) и сильные окислители отличаются очень высокой химической активностью. Они вступают в реакции с молекулами ткани, вызывая биохимические сдвиги (подавление активности ферментов, образование токсинов и др.), повреждение клеточных структур, нарушение обменных процессов, замедление и прекращение роста клеток, а в конечном счете — расстройство жизнедеятельности организма в целом. Индуцированные продуктами радиолиза воды химические реакции распространяются на многие сотни и тысячи молекул, первично не затронутых излучением.

Специфика действия ИИ на живой организм состоит именно в том, что производимый ими биологический эффект обусловлен не количеством переданной энергии, а ее последующей трансформацией. Этим во многом объясняется известный радиобиологический парадокс, суть которого заключается в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощения энергии и крайней степенью выраженности реакции биологического объекта вплоть до летального исхода.

Сопоставление наблюдаемых радиационных эффектов в живом организме с величиной тепловыделения дает удивительно высокую эффективность утилизации энергии ИИ. Если условно перевести суммарную энергию, поглощенную организмом человека при абсолютно летальной (без лечения) дозе 10 Гр (1000 рад), в эквивалентную тепловую (приблизительно 150 ккал или 40 кДж), то окажется, что эта энергия примерно равна энергии, заключенной в стакане горячего чая, и если ее подвести в виде тепла, то она повысит температуру тела не больше чем на 0,01 градуса. В то же время человек переносит без очевидного для себя вреда воздействие других видов излучений (например, видимого и инфракрасного) в гораздо большем энергетическом выражении.

Действие ионизирующих излучений на биологические объекты можно разделить на 3 этапа:

1. Физическая стадия лучевого воздействия – ионизация и возбуждение на атомарном уровне. Длительность протекания этого процесса 10^-14 – 10^-13 секунды. При этом поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в слабых местах клетки: в белках – это SH–группы, в ДНК – хромофорные группы тиамина, в липидах – ненасыщенные связи. Ионизированные и возбужденные атомы тем самым дают начало химическим реакциям.

2. Этап химических преобразований.

Они соответствуют процессам взаимодействия радикалов, нуклеиновых кислот и липидов с водой, О₂, ОН и возникновению гидроперекисей, т.е. возникает свободно радикальная реакция приводящая к повреждению структуры мембран клеток и как следствие, высвобождение ферментов и изменение их активности.

3. Нарушения, наступающие в результате высвобождения ферментов и изменения их активности, соответствуют 3 этапу лучевого поражения – биохимическому. В дальнейшем возникают нарушения обмена веществ в системах организма с изменением функций, с нейрогуморальными реакциями. Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы клетки и легко проникают в нее благодаря увеличению проницаемости мембран. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных соединений клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков.

Диссоциация молекул и образование новых соединений под воздействием радикалов ведут к нарушениям в клеточной структуре биологической ткани. Это может вызвать нарушение кинетики клеточного деления, взаимодействия клеток, изменение их генетического аппарата или гибель. Если в генетическом аппарате происходят стойкие изменения, то в результате могут возникнуть генетические изменения, то есть мутации у потомства.

Изменения в клетках обусловливают нарушение обменных процессов в организме, приводят к негативным физиологическим эффектам, изменению функций тканей и органов, в результате чего происходит поражение всего организма вплоть до его гибели. Оно может проявиться сразу после воздействия или в виде отдаленных последствий. Биологические этапы воздействия, исключая отдаленные последствия, в отличие от физико-химических этапов, протекают в течение длительного промежутка времени: от нескольких минут до многих часов, суток и лет.

Видовая чувствительность биологических объектов к ИИ весьма различна. Наиболее чувствительны млекопитающие и человек, для которых летальные дозы рентгеновского и гамма-излучения составляют несколько единиц грей (сотен рад). Одноклеточные растения и бактерии наиболее устойчивы к излучениям: летальные дозы для них достигают 1000-1500 Гр (100-150 тыс. рад). Индивидуальная внутривидовая радиочувствительность биологических объектов также значительно колеблется. Неодинаковой чувствительностью к ИИ обладают и различные органы и ткани: радиочувствительность ткани прямо пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированности составляющих ее клеток. Эта закономерность по имени ученых, открывших ее в 1906 году, получила в радиобиологии название «правило Бергонье-Трибондо». В порядке убывающей радиочувствительности все органы и ткани организма человека подразделяются на группы критических органов, то есть органов, тканей, частей тела или всего тела, облучение которых в данных условиях наиболее существенно в отношении возможного ущерба здоровью.

Группы критических органов:

1 группа – красный костный мозг, гонады, все тело;

2 группа – органы и ткани, не включенные в 1 и 3 группы;

3 группа – кожный покров, костная ткань, стопы, лодыжки, голени, кисти, предплечья.

Основные виды радиационных поражений

Биологические последствия воздействия ИИ проявляются в виде радиационных эффектов (эффектов облучения) — нестохастических (пороговых) и стохастических (вероятностных).

Детерминированные (нестохастические) радиационные эффекты называют также пороговыми, поскольку они возникают при облучении в дозах, превышающих определенный, конкретный для соответствующего эффекта порог и развиваются у каждого человека, подвергшегося такому радиационному воздействию. К ним относятся ближайшие соматические эффекты, возникающие непосредственно после облучения (спустя часы, недели, месяцы): лучевая реакция, острая и хроническая лучевая болезнь разной степени тяжести, лучевые ожоги. Кроме того, выделяют отдаленные соматические последствия в виде нарушений здоровья, развивающихся спустя годы и даже десятилетия, в частности радиационную катаракту, расстройство функции воспроизводства, склеротические и дистрофические изменения разных тканей и другие. Характер и тяжесть порогового эффекта вплоть до летального исхода прямо зависят от величины дозы облучения. Определенное значение имеют, кроме того, индивидуальные особенности и исходное состояние организма человека, подвергшегося радиационному воздействию, а также условия облучения: режим сообщения дозы (однократное или протяженное во времени), размещение источника ИИ относительно тела человека (внешнее, внутреннее или сочетанное облучение), масштабы облучения (общее или локальное, равномерное или неравномерное) и пр. Принято считать, что нестохастические эффекты возникают при облучении в дозах более 0,5-1,0 Гр (50-100 рад).

Острые лучевые поражения возникают после однократного или повторных (в течение нескольких суток) воздействий ИИ в массивных дозах. При однократном облучении всего тела в дозе до 0,25 Гр (25 рад) каких-либо изменений в организме не наблюдается, однако хромосомный анализ может указать на повышение частоты аберрантных клеток костного мозга. При дозе 0,25-0,50 Гр (25-50 рад) внешние признаки лучевого поражения обычно отсутствуют, однако могут наблюдаться быстро проходящие изменения крови. Облучение в дозе 0,5-1,0 Гр (50-100 рад) приводит к лучевой реакции с кратковременным снижением числа тромбоцитов и лейкоцитов на 4-6-й неделе и появлению астенического синдрома без существенной потери работоспособности. Более высокие дозы ИИ вызывают острую лучевую болезнь (табл. 1).

Таблица 1.

Ожидаемые последствия острого воздействия ИИ на организм

Форму острой лучевой болезни определяют величина дозы излучения, ведущие патогенетические процессы и соответствующие клинические проявления. Приведенные данные относятся к нелеченым случаям острого лучевого поражения. Но и в этих случаях, если не последует смертельный исход, в результате репаративных процессов в организме биологический эффект воздействия ИИ постепенно снижается. Восстановление от лучевого поражения протекает по экспоненциальному закону, и полного выздоровления часто не наблюдается.