Характер связи с дозой облучения

Глава 16. Радиобиологические эффекты

Радиобиологическими эффектами называются изменения, возникающие в биологических системах при действии на них ИИ. Сложность организма как биологической системы предопределяет многообразие радиобиологических эффектов. Критериями их классификации служат уровень формирования, сроки появления, локализация, характер связи с дозой облучения, значение для судьбы облучённого организма, возможность передачи по наследству последующим поколениям и другие.

Классификация радиобиологических эффектов

Уровень формирования

На молекулярном уровне облучение биосистем вызывает набор характерных изменений, обусловленных взаимодействием биомолекул с самим излучением либо продуктами радиолиза воды. К таким изменениям относят разрывы, сшивки, изменения последовательности мономеров в молекулах биополимеров, потерю ими фрагментов, окислительную модификацию, образование аномальных химических связей с другими молекулами. Доля повреждённых биомолекул положительно связана с их молекулярной массой. Например, после облучения в дозе 10 Гр в клетке оказываются повреждёнными 0,015% молекул олигосахаридов, 0,36% - аминокислот, 1% - белков и 100% нуклеиновых кислот. С уязвимостью ДНК и её уникальной ролью генетической матрицы связана ведущая роль повреждений ДНК как основы радиобиологических эффектов, формирующихся на более высоких иерархических уровнях биосистемы. Во время митоза повреждения ДНК в клетке проявляется хромосомными аберрациями, основными видами которых являются фрагментация хромосом, формирование хромосомных мостов, дицентриков, кольцевых хромосом, внутри- и межхромосомных обменов и т.п. Однако многие клетки погибают после облучения ещё до митоза, а следовательно, и до появления хромосомных аберраций.

На клеточном уровне воздействие ИИ вызывает интерфазную или репродуктивную гибель клеток, временный блок митозов и нелетальные мутации.

Действие ИИ на системном уровне характеризуется цитопеническим эффектом, в основе которого лежат, преимущественно, гибель клеток и радиационный блок митозов.

Радиобиологические эффекты, возникающие на уровне организма и популяции, классифицируются в соответствии с критериями, перечисленными ниже.

Сроки появления

По этому признаку радиобиологические эффекты, возникающие в организме и популяции, принято подразделять на ближайшие и отдалённые. Ближайшие эффекты проявляются в сроки до нескольких месяцев после облучения и связаны с развитием цитопенических состояний в различных тканевых системах организма. Примерами ближайших эффектов облучения могут быть острая лучевая реакция, острая лучевая болезнь, лучевая алопеция, лучевой дерматит.

Отдалённые эффекты возникают спустя годы после облучения, на фоне полной регрессии основных клинических проявлений острого поражения. Несмотря на причинную связь с облучением, отдалённые радиобиологические эффекты не являются специфическими для радиационного воздействия – эта патология вызывается и нелучевыми факторами. Примерами отдалённых последствий облучения являются опухоли, гемобластозы, гипопластические, дистрофические, склеротические процессы. Интегральным проявлением этих последствий служит сокращение продолжительности жизни организмов, перенесших острое лучевое поражение. В случае общего внешнего однократного облучения млекопитающих данный эффект составляет 2-6% средней видовой продолжительности жизни на каждый грей, хотя в области малых доз облучения (по разным данным, менее 4-15 сГр) он, по-видимому, не проявляется.

Локализация

Радиобиологические эффекты могут быть классифицированы в зависимости от органа или части тела, в которых они регистрируются. Весьма актуальна такая классификация в практике лечения онкологических заболеваний, когда поражённый опухолью участок тела облучается в высокой дозе при тщательном экранировании здоровых тканей. При локальном облучении органа или сегмента тела наиболее сильное поражающее действие ИИ проявляется именно в нём (такой эффект называют местным действием ИИ). Однако изменения возникают и в необлучённых тканях. В последнем случае говорят о дистанционном действии ИИ. Его примером может служить уменьшение числа миелокариоцитов в костном мозгу экранированной конечности после облучения животных. Данный эффект обусловлен миграцией форменных элементов в опустошённые участки кроветворной ткани, подвергшиеся облучению, подавлением митотической активности «радиотоксинами», поступающими с кровью в экранированные ткани из облучённых, физиологическим стрессом, сопровождающим облучение. Конечно, эти факторы влияют и на ткани в зоне облучения, однако в ней непосредственное действие ИИ преобладает над опосредованным.

Местное действие ИИ имеет решающее значение для возникновения не только ближайших, но и отдалённых радиобиологических эффектов. Поэтому для оценки риска канцерогенного эффекта, сопровождающего неравномерное облучение, каждому органу присвоен взвешивающий коэффициент, величина которого меньше 1. Умножением эквивалентной дозы облучения органа на соответствующий ему взвешивающий коэффициент получают эффективную дозу облучения органа. Суммируя эффективные дозы для органов, подвергшихся облучению, получаютэффективную дозу неравномерного облучения организма.Последняя численно равна эквивалентной дозе равномерного облучения организма, при которой вероятность развития потенциально смертельной опухоли соответствует рассматриваемому варианту неравномерного облучения.

Характер связи с дозой облучения

По данному критерию радиобиологические эффекты чётко разграничены на стохастические (вероятностные) и нестохастические (детерминированные).

Признаками стохастического эффекта являются (1) беспороговость и (2) альтернативный характер. Беспороговость стохастических эффектов означает, что сколь угодно малые дозы облучения способны влиять на частоту их возникновения. Альтернативный характер проявляется в том, что стохастические эффекты, подчиняясь закону «всё или ничего», не могут быть охарактеризованы таким показателем, как «выраженность». Примером стохастического эффекта облучения на клеточном уровне может служить гибель клетки; на уровне целостного организма – возникновение злокачественной опухоли. С увеличением дозы облучения вероятность возникновения стохастического эффекта растёт (рис. 66, слева), но его качество остаётся неизменным. При достаточно больших дозах часть облучённых организмов погибает до развития у них соответствующих стохастических эффектов, что объясняет «плато» на графике, показанное пунктиром.

Признаками нестохастического эффекта являются (1) пороговый характер и (2) градиентная связь амплитуды с дозой облучения. Если доза облучения превышает пороговую величину (Д_п), то нестохастический эффект возникает со 100% вероятностью, причём его амплитуда монотонно возрастает с увеличением дозы (рис. 66, справа).

Рисунок 66. Стохастические и нестохастические эффекты как функция дозы облучения

Знание дозовых «порогов» нестохастических эффектов (т.е. минимальных значений вызывающих их доз) весьма важно для диагностики и профилактики лучевых поражений. В таблице 67 представлены минимальные величины доз ИИ, вызывающих некоторые из нестохастических эффектов облучения организма человека.

Таблица 67.