Механизм биологического действия ионизирующих излучений

Механизм действия излучений на живой организм очень сложный и пока ещё до конца не вы­яснен. Однако результаты многочисленных исследова­ний свидетельствуют о том, что у разных видов излу­чений он, в основном одинаковый, начиная от исходных актов поглощения и переноса энергии излучения через первичные радиационно-химические процессы и кончая патолого-физиологическими и патолого-морфологическими изменениями в облучённом организме.

В механизме биологического действия ионизирую­щих излучений на живые объекты условно можно вы­делить два основных этапа. Первый этап определяется как первичное (непосредственное) действие излуче­ния на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап — опосредованное дей­ствие, которое обусловливается нейрогенными и гумо­ральными сдвигами, возникающими в организме под влиянием радиации.

Для объяснения механизма первичного действия ионизирующих излучении на биосубстрат предложено более десяти гипотез и теорий, многие из которых имеют уже только историческое значение.

Впервые теорию о начальных процессах лучевого поражения живого организма выдвинул в 1903 г. Г. Шварц; это так на­зываемая лецитиновая теория. Сущность её заключается в том, что при лучевом воздействии происходит разложение лецитина с образованием холиноподобных токсических веществ, которыми и отравляется организм.

Несколько позже, в 1905 г., появилась теория Бергонье и Трибондо, согласно которой ведущее значение в лучевом поражении имеет нарушение обмена веществ. По мнению авторов, наиболее уязвимыми являются молодые делящиеся клетки с наиболее ин­тенсивным обменом.

Е.С. Лондон (1911) объяснял первичные лучевые процессы в тканях нарушениями ферментативных процессов в организме.

В 1923 г. Дессауер выдвинул гипотезу теплового эффекта (точечного тепла). Суть её сводится к тому, что в местах взаимодействия излучения с биосубстратом (в микрообъёмах) происходит резкое повышение температуры, которое приводит к нарушениям функции и структуры клетки. Однако последующие исследования и математические расчёты показали ошибочность таких предположе­ний. Оказалось, что количество энергии, поглощаемой живыми тка­нями, ничтожно по тепловому эквиваленту, и те глубокие биохи­мические процессы, которые возникают при облучении, связаны не только с превращениями энергии излучения в тепло, но и со слож­ными физико-химическими изменениями в биомолекулах.

По гипотезе Штрауса (1923) в основе лучевого поражения лежит действие ионизирующих излучений на липоиды ароматиче­ского ряда как наиболее радиочувствительные компоненты клетки.

Теoрии прямого и непрямого действия ионизирую­щих излучений. Под прямым действием излучений при­нято считать радиационно-химические превращения мо­лекул, возникающие под непосредственным действием радиации в месте поглощения её энергии. При этом основное поражающее действие связано с самим актом ионизации.

Непрямым, или косвенным действием ионизирую­щих излучений называют радиационно-химические из­менения структур (молекул, клеток и т.д.), обусловленные продуктами радиолиза воды или растворённых в ней веществ.

В качестве примера можно проследить действие из­лучения на молекулы воды. Гамма-квант, или заря­женная частица, взаимодействуя с молекулой воды, ионизируют её, в результате образуется два иона:

В этом случае физико-химические свойства ионизиро­ванных молекул воды будут отличаться от молекул воды электрически нейтральных.

Продолжительность существования ионов воды и ионизированных молекул растворенных в ней веществ очень короткая. У ионов она составляет Ю-10 с, за это время они претерпевают ряд превращений, образуя свободные радикалы. Положительный ион воды распа­дается на протон и гидроксильный остаток, отрица­тельный — на атомарный водород и гидроксильный остаток:

На молекулы ряда веществ (ферменты, витамины и др.) прямое действие излучений в основном прояв­ляется окислительными и реже восстановительными реакциями, т. е. отнимается или присоединяется элект­рон, например,

(реакция окис­ления)

Обладая очень высокой химической активностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные ра­дикалы взаимодействуют друг с другом или с раство­ренными в поде веществами. Реакции могут идти сле­дующими путями:

H^·+OH H₂O (рекомбинация);

Н^·+ Н^· H₂;

OH+OH H₂O +O;

OH+OH H₂O₂.

При наличии растворенного кислорода в воде об­разуются и другие перекиси:

H^·+O₂ HO₂ (гидропероксид);

HO₂+HO₂ H₂O₂+2O;

HO₂+H H₂O₂.

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют этап первичных химических соединений воды и растворенных в ней веществ, а в случаях облу­чения животных и растений, и биологических молекул. Продолжительность этого этана—10^-5—10^-6 с.

Взаимодействие свободных радикалов с органиче­скими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) действия. Величина прямого и непрямого действия в первичных радиобиологических эффектах различных систем неодинаковая. В абсолютно чистых сухих веществах будет преобла­дать прямое, а в слаборастворимых—косвенное дей­ствие радиации.

О различии прямого и косвенного действия радиа­ции на биологические объекты и величину их влияния на развитие лучевого поражения можно судить по двум феноменам — эффекту разведения и кислородно­му эффекту.

Эффект разведения — это состояние, при ко­тором абсолютное число поврежденных молекул ве­ществ в слабом растворе не зависит от его концентра­ции и остается для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в раст­воре образуется постоянное количество активирован­ных радикалов. Эффект разведения достаточно четко проявляется в опытах in vitro с растворами и суспен­зиями микромолекул, вирусов, фагов и т. д. Он свидетельствует о величине косвенного действия радиации при лучевом повреждении этих микроскопических структур. Однако эффект разведения не проявляется при облучении суспензий перевиваемых клеток и тка­ней животных, так как в данном случае большая часть активных радикалов воды поглощается «поверхност­ными» метаболитами и не доходит до активных макро­молекул клетки.

Кислородный эффект. В развитии первичных реакций при обучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением его концентрации в окружающей среде и объекте об­лучения усиливается эффект лучевого поражения, и наоборот, при понижении концентрации кислорода на­блюдается уменьшение степени лучевого поражения. Это явление было названо кислородным эффектом.

Кислородный эффект нередко применяется в кли­нической медицине при лечении больных с злокачест­венными новообразованиями. Для усиления лучевого поражения клеток опухоли создают условия повы­шенного содержания кислорода в ней и одновременно для уменьшения радиационного повреждения здоро­вых клеток обеспечивают гипоксическое состояние ок­ружающих тканей.

Установлено, что в результате взаимодействия сво­бодных радикалов воды с органическими соединения­ми и взаимодействие радикалов органических веществ с молекулярным кислородом, растворенным в тканях организма, образуются органические перекиси, кото­рые обладают высокой химической активностью и раз­личным временем существования. Они играют основ­ную роль в первичных биохимических реакциях орга­низма при действии излучения.

Дальнейшее изучение прямого и непрямого дейст­вия излучений позволило получить данные для количе­ственной и качественной характеристики первичных процессов лучевого поражения.

На основе представления о прямом действии излу­чения возникла теория «мишени или попаданий», кото­рая была развита Кроутером, Тимофеевым-Рессовским, Ли, Циммером и др. Из нее следует, что ионизирую­щая частица или g-квант одномоментно действует на чувствительную часть (мишень) структуры или моле­кулы клетки, вызывая ее гибель или генетические из­менения. Имеется количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом, с увеличением дозы происходит увеличение в геометрической прогрессии количества поврежденных единиц в объеме облучения. Когда гибель клеток, разрушение молекул, инактивацию ферментов можно описать экспоненциальной кри­вой, говорят об одноударном поражении, т. е. инактивация объекта происходит под действием одного попа­дания. Клетки растительных и животных тканей повреждаются по S-образной кривой, вычерченной в нор­мальных координатах. Это говорит о том, что для их инактивации или разрушения требуется более одного попадания в мишень, и поэтому данный процесс назы­вается многоударным.

Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия из­лучений первичных радиобиологических процессов (О. Хуг и А. Келлерер). Отличие ее от теории попада­ний состоит в том, что взаимодействие излучений с оп­ределенным участком клетки происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость эффекта обусловливается не только мишенью попада­ния, но и (в большей мере) состоянием биологическо­го объекта как динамической системы.

Гипотезы, отражающие преимущественно непрямое действие ионизирующих излучений, т. е. качественную сторону возникновения и развития послелучевых процессов в организме. Выяснено, что первичная реактивация биомолекул идет как прямым, так и непрямым путем п в большинстве случаев тот и другой путь ве­дет к активации одних и тех же реакций.

Теория липидных радиотоксинов (первичных, радио­токсинов и цепных реакций). Роль токсических веществ в первичных радиохимических процессах при облуче­нии клеток была экспериментально показана Б. Н. Тарусовым, Ю, Б. Кудряшовым и др. Ими установлено, что при воздействии ионизирующего излучения в тка­нях животных, особенно в печени, селезенке и других органах образуются липидные (первичные) радиотоксины. Процессы, возникающие в начальный период развития лучевого поражения, протекают в организме с очень малой скоростью вследствие действия ингиби-рующих веществ—антиокислителей. Под влиянием ак­тивных радикалов, образующихся при лучевом воздей­ствии, происходит усиление окислительных цепных ре­акций биолипидов, в результате этого появляются про­дукты окисления ненасыщенных жирных кислот (аль­дегиды и кетоны).

Структурно-метаболи­ческая теория. Автор этой теории А. М. Кузин считает, что динамика и место нарушения обмен­ных процессов при дейст­вии радиации обусловле­ны нарушениями цитоплазматических структур в живой клетке. За осно­ву гипотезы взято дейст­вие первичных радиоток­синов, которые представ­ляют собой комплекс веществ метаболитов, обла­дающих токсическими свойствами, — это хиноны или ортохиноны. Неко­торые из токсических метаболитов всегда и небольших количествах содержатся в клетках здоровых тканей. При действии радиации содержание их значительно увеличивается и дополнительно появляются новые ток­сические соединения. Первичные радиотоксины образу­ют большое количество вторичных радиотоксинов, ко­торые играют существенную роль в патогенезе и исхо­де лучевых поражений.

Рассматривая теории и гипотезы первичных меха­низмов лучевых поражений необходимо отметить, что ни одна отдельно взятая из них не объясняет механизмы первичного биологического действия ионизирующих из­лучений. Общий их недостаток состоит в том, что вы­двигаемые положения не удается подтвердить в экспе­риментальных условиях на теплокровных животных. Большей аргументацией отличаются структурно-мета­болическая теория, а также теория липидных токсинов с цепными разветвленными реакциями и теория «попа­даний». Они дают более правильное представление о первичных механизмах непосредственного действия ра­диации на животный организм, которое в дальнейшем усиливается нейроэндокринными и гуморальными ре­акциями.