Биологическое действие ионизирущего излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Механизм биологического действия излучения

Специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты заключается в том, что производимый эффект обусловлен не столько количеством поглощенной энергии, сколько той формой, в которой эта энергия передается. Никакой другой вид энергии, поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение.

Уже в течение долгого времени интерес к природе биологического действия ионизирующего излучения поддерживается так называемым «радиобиологическим парадоксом». Суть его заключается в том, что передача излучением мизерной энергии телу человека способна привести к катастрофическим последствиям.

Представим, что телу человека с массой 100 кг была передана энергия, равная 1000 Дж. С точки зрения молекулярной физики последствия такого воздействия просто ничтожны. Оно приведет к кратковременному повышению температуры тела не более чем на две тысячных градуса.

Если телу человека та же энергия будет передана г-излучением, то последствия будут трагические. Такое облучение характеризуется средней по телу поглощенной дозой, равной 1000 Дж/100 кг=10 Гр. Трагический опыт радиационных аварий показывает, что такое облучение с большой вероятностью приводит к гибели человека уже через 10-20 суток.

Тепловая энергия, переданная телу человека, равномерно и сколь угодно малыми порциями распределяется между всеми молекулами вещества. Поэтому тепловая энергия, переданная каждой молекуле вещества, настолько мала, что ее воздействие не способно разрушить ни одной молекулы.

Энергия ионизирующего излучения передается не всем молекулам вещества, а лишь их малой части при взаимодействии заряженных частиц с атомами и молекулами. Передача энергии приводит к значительным изменениям отдельных молекул - их ионизации или возбуждению, которые могут разрушить молекулу. Воздействие ионизирующего излучения на живые объекты вызывает существенное изменение свойств биологических макромолекул, важных для существования клеток. Несмотря на относительно малое число таких первичных повреждений, их оказывается достаточно для возникновения видимого биологического эффекта. Особую роль в формировании реакции живых клеток на воздействие ионизирующего излучения играют внутриклеточные процессы усиления первичных повреждений биологически важных макромолекул и, в первую очередь, процессы, происходящие в клеточном ядре.

Роль поражения клеточного ядра в биологическом действии ионизирующего излучения была выявлена почти сто лет тому назад. В результате интенсивных экспериментальных исследований биологического действия ионизирующего излучения уже в 1903 г. было установлено, что основную роль в радиочувствительности клетки играет поражение ее ядра, а через год, в 1904 г., был сформулирован фундаментальный закон: чувствительность клеток к воздействию ионизирующего излучения (биологическое действие рентгеновских лучей) тем сильнее, чем выше репродуктивная активность клеток и чем ниже степень дифференциации клетки в соответствии с ее морфологией и функцией. По имени авторов, французских радиобиологов, этот закон называют правилом Бергонье и Трибондо. Итогом обобщения радиобиологических данных стало появление в 1922 г. первой теории, объясняющей биологическое действие ионизирующего излучения (гибель клеток под действием излучения) возникновением событий ионизации в чувствительном объеме клетки - теории «точечного тепла» Ф. Дессауэра. Еще через три года, в 1925 г., работами Г. Надсона, Г. Филиппова и Г. Мюллера было доказано мутагенное действие ионизирующего излучения.

Исследование структуры клеточного ядра и открытие материального носителя клеточной наследственности - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) позволило создать более или менее определенную картину биологического действия ионизирующего излучения. Двойная спираль ДНК является важнейшей макромолекулой клетки. От ее целостности зависит дальнейшая судьба клетки - закодированная в ДНК информация необходима для воспроизводства клетки (ее деления) и, следовательно, для сохранения целостности и функции биологической ткани. Ионизирующее излучение, подобно другим факторам (физическим и химическим), может привести к разрушению отдельных химических связей в ДНК - к разрыву одной или обеих ее нитей. Если повреждена одна нить, то возможно восстановление структуры ДНК за счет действия механизмов репарации, которые по второй нити (комплементарной поврежденной) способны полностью восстановить повреждение первой. В области малых доз возникновение одинарных разрывов ДНК характерно при воздействии излучений с низкой ЛПЭ (фотонов, электронов, быстрых протонов). Если повреждены оба комплементарных участка ДНК, то такое восстановление становится невозможным, что приводит к нерепарируемому повреждению ДНК, которое может иметь тяжелые последствия для судьбы клетки. Такие разрывы, как правило, приводят к инактивации и гибели клеток. В области малых доз возникновение двойных разрывов ДНК происходит при воздействии излучения с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ) (альфа-частиц, медленных протонов). В этом случае достаточно, чтобы трек одной тяжелой заряженной частицы пересек обе спирали ДНК и повредил их. В области больших доз возникновение двойных разрывов ДНК возможно и при воздействии излучений с низкой ЛПЭ. Для такого события необходимо, чтобы треки двух заряженных частиц (электронов) пересекли комплементарные участки спирали ДНК и повредили их. Важнейшее значение в судьбе облученной клетки имеет работа системы репарации повреждений ДНК (рис. 3.1). Вместе с первичным эффектом (повреждением ДНК) репарация определяет раннюю клеточную реакцию на радиационное воздействие. При правильной репарации (обычно такая репарация возможна только в отношении одинарных разрывов ДНК) не наблюдается никаких последствий облучения. Напротив, ошибочная репарация одинарных разрывов может привести либо к гибели клетки или к возникновению ее нежизнеспособных потомков и их гибели (инактивации клетки, ее репродуктивной гибели), либо к возникновению при делении клетки жизнеспособных потомков с новыми свойствами (клеток-мутантов).

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) излучения зависит от его линейной передачи энергии (ЛПЭ) - энергии, которая тратится на ионизацию при прохождении единицы длины пути в веществе.

С увеличением ЛПЭ излучения растет вероятность поражения клетки, и падает ее способность восстанавливать поражение. Заметное увеличение в ОБЭ начинается при ЛПЭ около 10 кэВ/мкм, достигает своего максимального значения при ЛПЭ около 100 кэВ/мкм и с дальнейшим увеличением ЛПЭ относительная биологическая эффективность излучения резко падает.

Эта зависимость находится в согласии с представлением о том, что клетка погибает после поглощения достаточного количества энергии в определенном критическом объеме ее ядра. Эта вероятность постепенно увеличивается с увеличением ЛПЭ. По достижении определенной плотности передачи энергии излучения (его ЛПЭ) наступает ситуация, когда каждая последующая частица теряет свою энергию в уже уничтоженной клетке. При этом эффективность воздействия излучения, имеющего такую достаточно высокую ЛПЭ, резко падает, потому что энергия тратится впустую.

Биологические эффекты излучения у человека невозможно свести только к реакции на облучение отдельных клеток. Решающую роль в формировании биологических эффектов излучения играет коллективный отклик клеток, составляющих органы и ткани, на воздействие излучения. Эти тканевые реакции нацелены на сохранение целостности и функции органа и ткани, что во многом определяет развитие радиационного поражения. Клетки, из которых состоят органы и ткани тела человека, можно разделить на две неравные группы. К первой относятся мужские и женские половые клетки, в результате слияния которых может возникнуть человеческий зародыш. Ко второй группе - к группе соматических клеток относят все остальные клетки тела человека. Согласно современным представлениям биологические эффекты излучения делят на детерминированные и стохастические эффекты. В основе развития эффектов, относящихся к первой группе, лежит мутагенное действие излучения, в основе эффектов второго типа - гибель клеток органов и тканей под действием излучения.

Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова. Наиболее чувствительны к облучению костный мозг, лимфатическая ткань, зародышевые клетки. Менее чувствительны - костная, нервная и мышечная ткани.

Важным фактором при облучении является его продолжительность. Чем более дробно облучение во времени, тем меньше его поражающее действие. Это связано с наличием у человека механизмов, способных восстанавливать поврежденные ткани и нормализовать функции жизнедеятельности.

2. Детерминированные эффекты излучения

Детерминированные эффекты излучения возникают при облучении большими дозами. К таким эффектам относят:

а) острую и хроническую лучевые болезни;

б) локальные поражения органов или тканей (например, радиационные ожоги);

в) лучевую катаракту;

г) аномалии и врожденные пороки развития новорожденных, являющиеся детерминированными эффектами облучения плода в эмбриональном периоде.

В основе этих эффектов излучения, в первую очередь, лежит поражение (ограничение функциональной активности и гибель) значительного количества клеток облученного органа, ограничивающее воспроизводство клеток и гуморальное управление ими, обеспечивающее их нормальное функционирование, что приводит к наблюдаемым дефектам структуры и дефициту функции органа или ткани - детерминированным эффектам излучения. Как правило, детерминированные эффекты излучения специфичны и не возникают под действием других физических или химических факторов, а связь между эффектом и облучением носит причинно-следственный (детерминированный) характер. В отношении таких эффектов предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше - тяжесть эффекта зависит от дозы: чем больше повреждено клеток, составляющих ткань, тем сильнее нарушается ее целостность и функция. Значение пороговой дозы определяется радиочувствительностью клеток пораженного органа или ткани и способностью организма компенсировать или восстанавливать такое поражение и зависит от величины дозы и ее мощности. Величина пороговой дозы является наименьшей для интенсивно обновляющихся тканей, например, красного костного мозга, и наибольшей для слабо обновляющихся клеточных систем, например, нервной. Увеличение дозы сопровождается возрастанием числа поврежденных клеток в критических популяциях, вследствие чего детерминированные эффекты становятся более выраженными и возникают скорее. При ограниченном объеме поражения ткани функциональные нарушения со временем компенсируются, а структурные дефекты критических тканей замещаются «рубцовыми» тканями. Со временем в пораженном органе развивается фиброзирование ткани; такова, например, природа исхода радиационного поражения легочной ткани - пневмофиброза или пневмосклероза.

Имеющиеся данные о диапазонах доз, связанных с отдельными радиационно-индуцированными синдромами и смертью людей, подвергшихся острому равномерному облучению всего тела фотонами, иллюстрируют общие закономерности развития детерминированных эффектов:

- в силу индивидуальной радиочувствительности людей любой эффект характеризуется диапазоном значений пороговых доз;

- с ростом дозы облучения меняется биологический эффект, возникновение которого в конечном итоге приводит к смерти;

- с ростом дозы облучения растет тяжесть эффекта, которую отражает сокращение времени дожития (промежутка времени между облучением и смертью при отсутствии специализированной медицинской помощи).

3. Стохастические эффекты излучения

излучение генетический ионизирующий клеточный

Особенность стохастических эффектов, проявляющихся через 10-20 лет, (лейкозы, злокачественные опухоли различных органов, преждевременное старение) и генетических эффектов заключается в стохастической (вероятностной) природе проявления этих эффектов. Вероятность их проявления зависит от дозы облучения и не исключается при малых дозах.

Развитие стохастических эффектов излучения более ста лет является предметом радиобиологических исследований. Эксперименты показали возможность развития радиогенных (вызванных воздействием радиации) раков и наследственных заболеваний у облученных животных. Основным источником данных о развитии этих заболеваний у человека являются многолетние исследования последствий атомной бомбардировки американской армией двух японских городов - Хиросима и Нагасаки в августе 1945 года. К настоящему времени получены результаты исследования последствий облучения более 200 тысяч человек, переживших атомную бомбардировку, и их потомков. Исследования показали, что под действием достаточно доз радиации (более 0,2 Гр при облучении всего тела фотонами) у некоторых облученных развиваются радиогенные раки. Радиогенных наследственных заболеваний у лиц этой группы до сих пор обнаружено не было. Развитие такого рода заболеваний не было доказано и в других исследованиях больших групп облученных людей.

Наиболее распространенным до сих пор взглядом на механизм развития злокачественного новообразования (рака) при облучении является представление о мутациях соматических клеток, вызванных воздействием ионизирующего излучения. Мутацией называют возникающее естественное или искусственно вызываемое стойкое изменение структур клетки, ответственных за хранение наследственной информации. Эти структуры обеспечивают передачу наследственной информации от клетки к клетке в процессе деления, без которого невозможно существование организма. В результате мутации возникает клетка со свойствами, нехарактерными для данной ткани, например, способная к неуправляемому делению. Именно из таких клеток состоят безудержно растущие злокачественные раковые опухоли.

Считается, что начало развития рака может дать одна измененная клетка - носитель соматической мутации. Изменением в клетке, достаточным для возникновения мутации, может быть повреждение ДНК вследствие одного акта передачи энергии излучения (одной ионизации). Облучение дозой 1 мГр приводит к возникновению в 1 кг биологической ткани порядка 1014 ионизаций. Таким образом, даже при очень низких дозах в облученном организме имеется большое число клеток, которые могут иметь повреждения, необходимые для возникновения соматической мутации, способной развиться в радиогенный рак.

Как правило, проходят годы после облучения, прежде чем у больного разовьется радиогенный рак. Все это время развитие опухоли никак себя не обнаруживает. Этот период скрытого развития называют латентным периодом. Его величина различна для различных опухолей. Минимальная длительность латентного периода развития радиогенного рака у человека составляет 10 лет для злокачественных опухолей и 5 лет для лейкоза.

Согласно современным представлениям о закономерностях возникновения злокачественных опухолей облучение не приводит к образованию раков особого вида. Воздействие излучения приводит к увеличению частоты возникновения в облученной популяции опухолей и лейкозов, которые наблюдались в этой популяции и без облучения. Важнейшей особенностью радиационного канцерогенеза является вероятностная природа проявления этого эффекта. Можно предсказать ожидаемое количество дополнительных раков (опухолей или лейкозов) в группе людей, облученных определенной дозой, но указать, у кого конкретно возникнет рак, вызванный ионизирующим излучением, нельзя. Это означает, что, анализируя последствия воздействия излучения на большую группу людей, облученных одинаковой дозой, при определенных условиях можно установить вероятностную связь между дозой облучения и увеличением числа раков вследствие облучения. Однако невозможно указать, какое заболевание является следствием облучения, а какое - возникло спонтанно. Эпидемиологические исследования позволяют лишь определить избыточное число раков в облученной популяции.

4 Генетические эффекты излучения

Облучение половых клеток родителей может привести к особому виду стохастических эффектов - к наследуемым заболеваниям у потомков. Эти радиационные эффекты не следует смешивать с тератогенными, являющимися детерминированными эффектами облучения плода в эмбриональном периоде, и раками, которые могут возникнуть у новорожденных как следствие их собственного облучения в период внутриутробного развития.

Согласно современным представлениям изменчивость живых организмов под действием различных факторов и закрепление вновь приобретенных качеств в виде наследуемых изменений являются основой жизни. Следствием этого является высокий уровень наследуемых изменений у людей, включая и те, которые относятся к наследуемым заболеваниям. В радиобиологических экспериментах было показано, что, как и в случае с развитием рака, под действием излучения возникают те же наследуемые изменения, которые существуют в популяции и при отсутствии облучения. Поэтому выявить дополнительные изменения, вызванные излучением, можно только в радиационно-эпидемиологическом исследовании. До настоящего времени радиационно-индуцированные наследуемые эффекты у людей не были обнаружены. Вместе с тем потенциальная возможность возникновения таких эффектов принимается во внимание системой обеспечения радиационной безопасности при определении нормируемой дозиметрической величины - эффективной дозы.

В заключении можно сделать вывод:

При общем облучении людей дозами более 3 Гр основными эффектами излучения, которые могут стать причиной преждевременной смерти облученных, являются детерминированные эффекты излучения:

- при облучении всего тела дозой более 10 Гр смертельный исход ожидается в течение короткого интервала времени;

- облучение всего тела дозой 5 Гр без последующего лечения влечет за собой 50-процентную смертность в течение 60 дней;

- облучение всего тела дозой 3 Гр приводит к излечимой форме лучевой болезни, которая сопровождается кожными реакциями и выпадением волос;

- первые признаки недомогания (тошнота, рвота) возникают после облучения всего тела дозой 1 Гр.

В случае неравномерного облучения выживание возможно при гораздо более высоких дозах и в значительной степени зависит от степени поражения красного костного мозга и последующего лечения.

При общем облучении людей дозами менее 3 Гр основными эффектами излучения, которые могут стать причиной преждевременной смерти облученных, являются стохастические эффекты излучения, которые формируются в течение многих лет после облучения и клинически неотличимы от раковых заболеваний, присущих человеку:

- чтобы достоверно выявить возникновение раковых заболеваний (стохастических эффектов), вызванных дозой 1 Гр, необходимо провести сравнение между результатами многолетнего наблюдения за двумя однородными группами населения численностью примерно по 1 000 человек;

- чтобы выявить эффекты, вызванные дозой 0,1 Гр, необходимо располагать результатами длительного наблюдения за двумя группами в 100 000 человек каждая, одна из которых была бы однородно облучена указанной дозой;

- чтобы статистически подтвердить существование стохастических эффектов, вызванных дозой 0,01 Гр, необходимо располагать двумя эквивалентными группами численностью по 10 000 000 человек каждая, проживающими в одинаковых условиях, одна из которых была бы облучена указанной дозой, что в действительности не осуществимо.

Размещено на Allbest.ru