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.