Факторы, определяющие биологический эффект

Ионизирующих излучений (ИИ)

1. Проникающая способность (глубина проникновения в биоматериал). Высока у ЭМИ и нейтронов (особенно, «быстрых»). Низкая у альфа-излучений (микроны) и бета-излучений (1-2 см) – вызывает местные лучевые поражения.

2. Количество поглощенной энергии, измеряется в дж/кг (или Гр - грей, зиверт), 1 Гр=100 рад.

3. Плотность ионизации – количество событий ионизации атомов и молекул вдоль трека частицы. Выделяют редкоионизирующие и плотноионизирующие излучения. Плотноионизирующие излучения при равной поглощенной дозе обладают большей биологической эффективностью вследствие усиления лучевого поражения клеток и тканей организма и снижения их способности к пострадиационному восстановлению.

4. Радиочувствительность тканей – прямо пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцировки ее клеток (закон Бергонье-Трибондо). Ткани в порядке убывания радиочувствительности: лимфоидная – миелоидная – герминативный, кишечный и покровный эпителий – мышечная – нервная- хрящевая – костная.

Биологическое действие ИИ

Биологическое действие ионизирующих излучений обусловлено энергией, отдаваемой излучениями разных видов (альфа, бета-частицами, нейтронами, гамма-квантами) тканям и органам.

Несмотря на неодинаковую физическую природу различных видов ионизирующих излучений, существует определенная общность их биологического действия, обусловленная их ионизирующим действием на биосубстраты.

Различают два вида радиобиологических эффектов: детерминированные (нестохастические) и стохастические.

1. Детерминированные - клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующими излучениями, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от полученной дозы. Клиническая медицина к таким эффектам относит: лучевую болезнь, лучевой дерматит, лучевую катаракту, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.

2. Стохастические радиобиологические эффекты – вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующими излучениями, не имеющие дозового порога возникновения и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы. Клинически беспороговые эффекты диагностируются как злокачественные опухоли, лейкозы, а также наследственные болезни.

Кроме того, рассматривают соматические и наследственные радиобиологические эффекты. Соматические эффекты проявляются у самого облученного лица, а наследственные – у его потомков.

При стохастическом эффекте основным отдаленным соматическим эффектом является повышенная частота развития у облученного населения раковых заболеваний, появление которых будет происходить в течение нескольких десятилетий (первые 50 лет) после облучения. Стохастические наследственные эффекты появляются вследствие облучения гонад у лиц репродуктивного возраста.

Прямое действие.

При воздействии ИИ на биосубстрат происходит поглощение последним энергии излучения. Это приводит к ионизации атомов и молекул (то есть, потере атомом электрона, оставшаяся часть атома приобретает положительный заряд) или к возбуждению атомов, молекул (переход электрона на более высокий энергетический уровень в пределах атома).

Образовавшиеся в результате ионизации атомов ионы и свободные электроны взаимодействуют между собой и с окружающими неповрежденными атомами и молекулами, образуя при этом свободные радикалы.

Непрямое действие (через воздействие на биосубстрат образовавшихся свободных радикалов).

1. Радиолиз воды с образованием гидроксильного радикала (ОН), радикала водорода (Н), гидратированного электрона, перекиси водорода (Н₂О₂), гидропероксида (НО₂), супероксид-анион-радикала (О₂), атомарного и синглетного кислорода. Продукты радиолиза воды обладают сильным окислительным действием в отношении органических веществ биотканей.

2. Радиолиз молекул основных биологически важных органических веществ клетки (ДНК, нуклеотидов, аминокислот, белков, углеводов, фосфолипидов и др.) с образованием органических радикалов, обладающих повреждающим действием на ткани. В присутствии кислорода органические радикалы вступают с ним во взаимодействие. Высокое сродство кислорода к органическим радикалам лежит в основе так называемого «кислородного эффекта», суть которого состоит в усилении радиационного повреждения белков, ДНК и других биомолекул в присутствии кислорода.

Продукты радиолиза воды, активные формы кислорода и органические радикалы, в свою очередь, способны изменять структуру биологически важных макромолекул с нарушением их функции. Наибольшее значение для дальнейшей судьбы облученной клетки имеют процессы, происходящие в белках, ДНК и фосфолипидах.

- Нарушается структура белков (разрывы дисульфидных мостиков, водородных связей, пептидной цепи, окисление сульфгидрильных групп и т.д.). В результате изменяется вторичная и третичная структура белков, что приводит к нарушению их биологических свойств, в том числе ферментативной активности.

- Радиационные повреждения ДНК проявляются в виде нарушений структуры азотистых оснований, появлений разрывов ДНК, сшивок ДНК-ДНК и ДНК-белок, нарушений комплексов ДНК с другими молекулами. В повреждении ДНК велика роль «кислородного эффекта». В присутствии кислорода число повреждений оснований ДНК увеличивается более чем в 3 раза. В результате повреждается генетический аппарат клеток, возникают хромосомные аберрации, нарушаются процессы деления и воспроизведения.

- Разрушение фосфолипидов липидного бислоя клеточных мембран, усиление реакций перекисного окисления липидов (ПОЛ) способствует нарушению структуры и функции мембран клеток и внутриклеточных структур (митохондрий, лизосом, ядер др.), их вязкости, проницаемости, многих физико-химических характеристик. В результате нарушаются ряд жизненно необходимых для клетки функций биомембран – барьерная, рецепторно-сигнальная, регуляторная, транспортная и др.

Таким образом, многочисленные структурные и функциональные изменения в субклеточных структурах обуславливают нарушение процессов окислительного фосфорилирования. что ведет к истощению энергетических ресурсов клеток; выход и активацию гидролитических ферментов лизосом, угнетение синтеза ДНК и деления клеток, извращение ионного транспорта и др.

Многочисленные повреждения макромолекул и функциональные нарушения существенно влияют на жизнеспособность облученных клеток и тканей организма, на течение процессов их повреждения и репарации.

При высоких дозах облучения из-за расстройства метаболизма гибнет большое число клеток. Возникают морфологические и функциональные изменения в тканях, органах и системах. Это приводит к развитию общего заболевания организма.

Завершением стадии биологических реакций (у людей, перенесших острую стадию заболевания) являются отдаленные последствия (соматические и генетические) и раннее старение организма.

Формирование общего лучевого поражения начинается с молекулярного уровня, проходит клеточный, тканевой, органный, системный уровни и заканчивается уровнем целостного организма.

Как известно, тяжесть и прогноз лучевого поражения организма определяются, с одной стороны, величиной поглощенной дозы ионизирующего излучения, ее распределением в пространстве и времени, с другой – радиочувствительностью тканей, органов и систем, наиболее существенных для жизнедеятельности организма. Такие ткани, органы и системы принято называть «критическими», поскольку именно их повреждение определяет преимущественный тип лучевых реакций, специфику и время их проявлений, а также значимость для выживания или гибели организма в определенные сроки после облучения.

Различные формы лучевого поражения обусловлены степенью повреждения той или иной «критической» системы. Так, при облучении человека в дозах до 10 Гр гибель обусловлена повреждением системы кроветворения, 10-80 Гр – поражением желудочно-кишечного тракта, при облучении в дозах свыше 80 Гр гибель наступает в первые часы после воздействия от нарушения функции ЦНС.