Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень

Згідно з загальноприйнятими концепціями радіаційного захисту (див. список літератури до розділу 8), існує кілька основних фізико-хімічних механізмів пошкоджень, що викликаються дією радіоактивних випромінювань на живі істоти.

Первинна стадія (умовно її можна назвати фізичною), пов'язана з іонізацією молекул води (нагадаємо ще раз, що в тілі людини на воду припадає близько 3/4 загальної ваги) відщеплюється електрон згідно з реакцією

Цей процес в типових випадках триває дуже короткий час

Наступна так звана фізико-хімічна стадія, яка триває приблизно протягом 1 мкс, характеризується декількома процесами (реакціями), а саме:

а) відщепленням протону від додатного іона

б) приєднанням електрона до нейтральної молекули води з утворенням від'ємнезарядженого іона тобто

в) перетворення цього іона на атом водню і від'ємне заряджений іон , тобто

Таким чином, продуктами цих реакцій є утворення як заряджених і , так і нейтральних частинок.

Слід зауважити, що протон та іон не відіграють в наступному будь-якої значної ролі, бо внаслідок дисоціації їх є досить багато в звичайній воді, тоді як нейтральні утворення - молекула водню Н і гідроксильна група ОН є вільними радикалами. Вони мають нсспарсний електрон і тому хімічно є дуже активними.

На цій стадії виникає ще й водневий пероксид за реакцією який є дуже сильним окислювачем.

Після фізико-хімічної стадії наступає стадія, яку можна умовно назвати хімічного. На цій стадії, яка триває типово кілька секунд, продукти реакцій, що отримані на попередній стадії, починають взаємодіяти з органічними молекулами в клітинах, можуть атакувати комплекси молекул в хромосо­мах тощо.

Таким чином, перші три стадії (фізична, фізико-хімічна та хімічна) по суті ще не викликають великих порушень в тканинах. Токсична дія випромінювання пов'язана з вто­ринними реакціями, при яких відбувається розрив зв'язку всередині складних органічних молекул. Вільні радикали та інші активні біохімічні продукти стають каталізаторами для вторинних реакцій вже біологічного порядку, що розви­ваються лавиноподібно за типом ланцюгової реакції і мо­жуть призвести організм до стану, який називають проме­невою хворобою.

Всі ці процеси відбуваються на останній біологічній стадії, тривалість якої може змінюватися в дуже широких межах - від кількох хвилин до десятків років. Радіаційні пошкодження на біологічній стадії звичайно поділяють на такі два класи:

а) соматичні, що впливають лише на опромінену живу істоту (наприклад, людину);

б) спадкоємні, що передаються на репродуктивні орга­ни і переходять до наступних поколінь.

Біологічна стадія характеризується, таким чином, віддаленими впливами зазначених вище фізико-хімічних механізмів дії випромінювання на живі істоти, які пов'язані з сповільненням чи зупиненням процесів ділення клітин, що призводять до відповідних змін в клітинах наступних поколінь та до передчасної загибелі клітинної популяції і організму в цілому.

Слід зазначити, що іонізуюче випромінювання діє на всі біооб'єкти, починаючи з найпростіших вірусів та бактерій і закінчуючи такими найскладнішими, як людина. Вивчення радіочутливості біооб'єкта, тобто його сприйнятливості до дії різних видів іонізуючого випромінювання, довело, що ця дія відбувається на всіх рівнях організації живих істот -молекулярному, клітинному та організменному.

Найважливіші біологічні макромолекули - білки, нуклеїнові кислоти, ферменти тощо - під дією іонізуючого випромінювання втрачають свою біологічну активність (гармональну, ферментативну та ін.), в них відбувається деполімеризація або, навпаки, виникають нові хімічні утворення. В клітинах навіть руйнується процес ділення, що може інколи відбуватися при Доведено, що найбільш радіочутливою частиною клітин є його ядро. Загибель клітин внаслідок опромінення ядра відбувається при дозах, які в десятки та сотні разів менші за ті дози, що призводять до загибелі цих клітин при опроміненні їх цитоплазми. Водночас було екснериментально встановлено, що заміна цитоплазми опроміненої клітини па цитоплазму неопромінених відновлює властивість клітини до подаль­шого ділення.

Важливим результатом подібних радіаційних експери­ментів було встановлення того принципового факту, що загибель живих організмів відбувається внаслідок одночас­ного ураження багатьох клітин і тканин. Внаслідок цього ураження порушується загальна регуляція життєво важли­вих процесів, що відбуваються у кістковому мозку, лімфа­тичній системі, кишковому тракті, статевих залозах та інших системах організму людини і тварини.

На рис. 8.14 наведена так звана крива виживання, яка характеризує залеж­ність кількості особів (людей, тварин), що виживають при опро­міненні, від поглину­тої дози.

Більш точно, від­далені впливи дії раді­ ації поділяють на ранні та пізні ефекти.

Рис.8.14. Крива виживання.

Для характеристики ранніх радіаційних ефектів часто вводять так звану "летальну дозу" Це така доза, яка є летальною для 50% опромінених об'єктів певної популяції через 30 діб після опромінення. Для людської популяції летальна поглинута доза, становить від 3 до 8 Гр, або 300-800 рад при загальному опроміненні тіла рентгенів­ськими променями. При поглинутій дозі = ймовірність смерті є дуже малою, тоді як при поглинутій дозі ймовірність вижити є вже дуже малою.

При поглинутих дозах порядка смерть наступає від пошкодження білих кров'яних клітин (в основ­ному — лімфоцитів). Ці форменні елементи крові звичайно забезпечують захист від інфекцій. При їх загибелі під дією великих доз радіації опромінена людина не може протисто­яти будь-яким інфекціям, які стають смертельно небезпек ними. Ризик смерті при зменшується, якщо пацієнт утримується в стерильному приміщенні і йому робиться пересадка спинного мозку для стимуляції появи додаткових білих кров'яних клітин. Без подібних заходів смерть опроміненої людини настає через 3-5 діб, якщо При значно більших поглинутих дозах радіації відбувається катастрофічна загибель клітин шлунково-кишкового тракту, а при ще більших дозах гинуть клітини центральної нервової системи. Слід однак зазначити, що в експериментах на тваринах смерть не наступала миттєво навіть при 500 Гр.

Щодо пізніх радіаційних ефектів, то одним з найнебез-печніших проявів дії радіації є рак. Основний механізм появи цього смертельно небезпечного захворювання пов'я­заний з руйнуванням системи контролю ділення клітин. Наслідком стає більш швидкий процес ділення опромінених клітин у порівнянні з швидкістю цього процесу в неопро-мінених (нормальних) клітинах. Такий процес прискореного ділення клітин називається, як відомо, проліферацією клі­тин. Ефект проліферації передається у спадщину дочірнім клітинам, внаслідок чого можуть з'являтися злоякісні пухлини. Між часом опромінення людини і знаходженням у неї ракового захворювання може пройти досить великий (до ЗО років) проміжок часу - так званий "латентний період".

На жаль, не існує порогової дози, нижче якої немає ризику захворіти раком. Разом з тим немає прямих підтверджень того факту, що будь-які малі дози радіації здатні викликати рак. Це досить незвичайне, на перший погляд, протиріччя можна пояснити такими експери­ментальними даними, наведеними англійськими радіоло­гами Торном і Веннартом.

Нехай є людська популяція, що включає в себе мільйон людей. Тоді виявляється, що при еквівалентній дозі радіаційного, випромінювання в І мілізіверт яку отримала кожна людина, загальна кількість випадків захворювання раком будь-яких органів і тканин складає: у чоловіків - 10.5 випадків, у жінок - 15.5 випадків. Різниця в п'ять випадків пов'язана з захворюваннями жінок на рак молочної залози (більш докладні дані в табл. 8.2). Цікавим є той факт, що добуток кількості людей TV в групі на еквівалентну дозу (це так звана популяційна

еквівалентна доза) залишається величиною сталою, тобто Іншими словами, така ж кількість чоловіків (всього їх буде 10-11) або жінок (їх буде 15-16) захворіє на рак будь-якої форми за умови, що буде взята група не в мільйон, а в тисячу людей, якщо еквівалентна доза стане не а 1 Такий самий результат буде спостерігатися і для Ітюдей при

Таблиця 8.2. Кількість захворювань на рак внаслідок радіаційного випромінювання