Действие ионизирующего излучения на углеводы.
Углеводы в целом достаточно устойчивы к действию ионизирующего излучения: окислительный распад, укорочение цепи и отщепление альдегидов от простых сахаров наблюдаются при дозах порядка 1000 Гр. Из продукта распада углеводов - глицеринового альдегида - синтезируется метилглиоксаль - вещество, ингибирующее синтез ДНК и белка, и подавляющее деление клеток. Чувствительна к облучению и гиалуроновая кислота, являющаяся составным элементом соединительной ткани: уже при дозе облучения около 10 Гр наблюдается значительное снижение ее вязкости, а при больших дозах – изменение структуры, связанное с отщеплением гексозамина и гексуроновых кислот.
Реакция клеток на облучение. Современные представления о механизмах интерфазной и митотической гибели клетки.
Три основных типа реакции клетки на облучение:
а) радиационный блок митозов (временная задержка деления) - наиболее универсальная реакция клетки на воздействие ионизирующих излучений, ее длительность зависит от дозы: на каждый Грей дозы клетка отвечает задержкой митоза в 1 час. Проявляется данный эффект независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем, причем с увеличением дозы облучения увеличивается не число реагирующих клеток, а именно время задержки деления каждой облученной клетки. Эта реакция имеет огромное приспособительное значение: увеличивается длительность интерфазы, оттягивается вступление клетки в митоз, создаются благоприятные условия для нормальной работы системы репарации ДНК.
б) митотическая (репродуктивная) гибель клетки - полная потеря клеткой способности к размножению; развивается при больших дозах ионизирующего излучения. Данный тип реакции не относится к клеткам, не делящимся или делящимся редко. В клетке не выражены дегенеративные процессы. Основная причина митотической гибели клетки - повреждение хромосомного аппарата клетки, приводящее к дефициту синтеза ДНК.
Показателем выживаемости клетки является ее способность проходить 5 и более делений.
Варианты митотической гибели:
1) клетка гибнет в процессе одного из первых четырех пострадиационных митозов, невзирая на отсутствие видимых изменений;
2) облученные клетки после первого пострадиационного митоза формируют так называемые "гигантские" клетки (чаще в результате слияния "дочерних" клеток), которые способны делиться не более 2-3 раз, после чего погибают.
в) интерфазная гибель клетки - гибель клетки, которая наступает до ее вступления в митоз. Для большинства соматических клеток человека она регистрируется после облучения в дозах в десятки и сотни Гр (лимфоциты, как радиочувствительные клетки, гибнут по этому механизму даже при небольших дозах). В клетке наблюдаются различные дегенеративные процессы вплоть до её лизиса.
Механизм интерфазной гибели (последовательность реакций, приводящих к лизису клетки):
1. За счёт разрывов в молекуле ДНК нарушается структура хроматина. В свою очередь, в мембранах идёт процесс перекисного окисления липидов.
2. Изменения ДНК-мембранного комплекса вызывают остановку синтеза ДНК.
3. Повреждение мембраны лизосом приводит к выходу из них ферментов - протеаз и ДНК-аз
4. ДНК-азы разрушают ДНК, что ведет к пикнозу ядра. Повреждение мембран митохондрий ведёт к выходу из них кальция, который активирует протеазы.
Вышеперечисленные процессы приводят к гибели (аутолизу) клетки.
Дозиметрия. Виды доз.
Дозиметрия - это измерение дозы или ее мощности.
Доза ионизирующего излучения - количество энергии ионизирующей радиации, поглощенной единицей массы любой облучаемой среды.
Мощность дозы - доза излучения в единицу времени.
Основная задача дозиметрии - определение дозы излучения в различных средах и в тканях живого организма.
Значение дозиметрии:
- необходима для количественной и качественной оценки биологического эффекта доз ионизирующих излучений при внешнем и внутреннем облучении организма
- необходима для обеспечения радиационной безопасности при работе с радиоактивными веществами
- с ее помощью можно обнаружить источник излучения, определить его вид, количество энергии, а также степень воздействия излучения на облучаемый объект.
Виды доз:
а) экспозиционная доза (Х) - количественная характеристика поля источника ионизирующего излучения (гамма или рентгеновского), характеризующая величину ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении.
Кулон на килограмм (Кл/кг, C/kg) -системная единица экспозиционной дозы; 1 Кл/кг равен эксп-ной дозе фотонного излучения, при которой сумма электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами,освобожденными в облученном воздухе массой 1 кг, при полном использовании ионизирующей способности всех электронов, равна 1 Кл.
Рентген (Р, R) - традиционная (внесистемная) единица экспозиционной дозы; 1 рентген равен экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения в воздухе, при которой в результате полной ионизации в 1 см3 сухого атмосферного воздуха при температуре 0о С и давлении 760 мм рт. ст. (т.е. в 0,001293 г сухого атмосферного воздуха) образуются ионы, несущие заряд, равный 1 единице заряда СГС каждого знака.
СГС - система единиц измерения, в которой существуют три независимые величины: сантиметр-грамм-секунда.
Соотношение единиц: 1 Р = 2,58*10-4 Кл/кг (точно); 1 Кл/кг = 3,88*103 Р (приблизительно).
Мощность экспозиционной дозы - величина, выраженная в мР/ч или мкР/ч. Обычные фоновые показатели мощности эксп-ой дозы для Беларуси - до 18-20 мкР/ч. По традиции экспозиционную дозу использовали в рентгенодиагностике благодаря тому, что ионизирующая способность рентгеновского излучения для воздуха и биологической ткани приблизительно одинакова. Однако, при переходе к высокоэнергетическим типам излучения, выяснилась ограниченность использования этой характеристики при оценке поглощенной дозы, особенно в живых организмах. В связи с этим экспозиционная дозаприменяется для оценки поля источника излучения, а для определения взаимодействия ионизирующих излучений со средой используетсяпоглощенная доза.
б) поглощенная доза (D) - количество энергии, поглощаемое единицей массы облучаемого вещества.
Джоуль на килограмм (Грей, Гр, Gy) - системная единица поглощенной дозы. 1 Дж/кг = 1 Гр.
Рад (rad, rd - radiation absorbed dose - поглощенная доза излучения) - традиционная (внесистемная) единица поглощенной дозы.
Соотношение единиц: 1 рад = 0,01 Гр.
Для мягких тканей человека в поле рентгеновского или гамма-излучения поглощенная доза в 1 рад примерно соответствует экспозиционной в 1 P.
Поглощенная доза не зависит от вида и энергии ионизирующего излучения и определяет степень радиационного воздействия, т.е. является мерой ожидаемых последствий облучения.
Учитывая существенные различия в механизме взаимодействия разных типов излучения с веществом, ионизирующей способности и т.д., следует ожидать, что одна и та же поглощенная доза может дать разный биологический эффект. Для количественной оценки такого различия вводятся понятия: “взвешивающие коэффициенты для различных видов излучения (WR)” и “эквивалентная доза”.
в) эквивалентная доза (HTR) - мера выраженности биологического эффекта облучения. При расчете эквивалентной дозы используют взвешивающие коэффициенты как множители поглощенной дозы:
EMBED MathType , где HTR -эквивалентная доза в органе или ткани Т, созданная излучением R; DTR- средняя поглощенная доза от излучения R в ткани или органе T; WR – взвешивающий коэффициент для излучения R.
Взвешивающие коэффициенты (WR) позволяют учесть относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов.
Так как WR - безразмерный множитель, системная единица для эквивалентной дозы та же, что и для поглощенной дозы - Дж/кг (специальное название - Зиверт: Зв, Sv)
Бэр (rem) -внесистемная единица эквивалентной дозы (бэр - биологический эквивалент рада).
Соотношение единиц: 1 бэр = 0,01 Зв.
Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения.
| Вид излучения и диапазон энергии | Взвешивающий коэффициент WR |
| Фотоны любых энергий | |
| Электроны и мюоны любых энергий | |
| Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра | |
| Нейтроны с энергией: менее 10 кэВ | |
| от 10 кэВ до 100 кэВ | |
| от 100 кэВ до 2 МэВ | |
| от 2 МэВ до 20 МэВ | |
| более 20 МэВ |
Риск развития стохастических последствий облучения организма человека зависит не только от эквивалентной дозы, но и от радиочувствительности тканей или органов, подвергшихся облучению. Радиочувствительность органов и тканей учитывает эффективная доза.
г) эффективная доза (Е) - величина воздействия ионизирующего излучения, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности; представляет сумму произведений эквивалентных доз в тканях и органах тела на соответствующие взвешивающие коэффициенты:
EMBED MathType ,
где HT - эквивалентная доза в ткани или органе T; WT - взвешивающий коэффициент для органа или ткани T.
Взвешивающий коэффициент WT характеризует относительный вклад данного органа или ткани в суммарный ущерб здоровью из-за развития стохастических эффектов. Сумма WT равна 1.
Системная единица эффективной дозы - зиверт (Зв, Sv); внесистемная единица – бэр. 1 Зв равен 100 бэр.
Для оценки эффектов облучения группы людей используют коллективные дозы:
а) коллективная эквивалентная доза (ST) в ткани T - используется для выражения общего облучения конкретной ткани или органа у группы лиц; она равна произведению числа облученных лиц на среднюю эквивалентную дозу в органе или ткани.
б) коллективная эффективная доза (S) - относится к облученной популяции в целом; она равна произведению числа облученных лиц на среднюю эффективную дозу.
В определении коллективной эквивалентной и коллективной эффективной доз не указано время, за которое получена доза. Поэтому при расчете коллективных доз всегда должно быть четкое указание на период времени и группу лиц, по которым проводился данный расчет.
Коллективные дозы используют для оценки лучевой нагрузки на популяцию и риска развития стохастических последствий действия ионизирующих излучений. Единицы коллективных доз – человеко-зиверт и человеко-бэр.
«Подушная доза» (per caput dose, Зв) - значение коллективной дозы, разделенное на число членов облученной группы.