Ионизирующие излучения их свойства и эффекты

При проникновении квантов или частиц в биологический объект они постепенно теряют свою энергию на ионизацию, возбуждение, столкновение и поэтому проходят определенный путь.

В биологических объектах возможно образование различных ионов, но особенно большое значение приобретает радиолиз воды, т.е. образование радикалов типа Н+ и ОН^-. На важнейшее значение радиолиза воды указывает наблюдение, согласно которому при облучении высушенных продуктов и находящихся в растворах наибольший эффект наблюдается в последних.

Ионизирующее излучение обладает достаточно большой энергией, способной вызывать также нарушения внутримолекулярных связей, причем в участках, где эти связи наиболее слабые.

Внутримолекулярные разрывы могут носить как единичный, так и множественный характер. Разрыв внутримолекулярных связей ведет к нарушению биологических функций. Все вышеназванные эффекты можно рассматривать как физический путь усиления повреждающего действия ионизирующего излучения.

Опосредованное действие ионизирующего излучения в первую очередь связано с высокой реактогенностью различных ионов, особенно радикалов воды. Они способны, с одной стороны, взаимодействовать с различными молекулами, вызывая их повреждение, а с другой, вступая в реакции с кислородом, образовывать перекиси, которые, участвуя в различных реакциях окисления, также вызывают повреждение различных молекул. Особенно необходимо указать на образование перекиси водорода, гипероксида (Н₂О₂), а также атомарного кислорода.

В результате взаимодействия с ненасыщенными жирными кислотами образуются липидные радиотоксины, которые представлены в виде липидных перекисей, альдегидов, кетонов, эпоксидов. Они способны оказывать токсические и повреждающие эффекты на различные компоненты клетки, особенно ее мембрану. Кроме того, из тирозина, катехоламинов, триптофана, серотонина образуются так называемые хиноидные радиотоксины.

Таким образом, опосредованное действие ионизирующего излучения заключается в образовании химических веществ типа перекисей, липидных и хиноидных радиотоксинов, которые сами обладают высокой способностью повреждать различные структуры клетки. Следовательно, в результате прямых эффектов ионизирующего излучения, а также косвенных происходит повреждение нуклеиновых кислот, белков, липидов, нуклеопротеидов и других соединений. Учитывая, что липиды являются важнейшей составной частью клеточных мембран, ясно, что повреждение их ведет к повышению клеточной проницаемости. Следствием этого будут водноэлектролитные расстройства, которые возникают в клетке, нарушение ряда органелл клетки, таких, как митохондрии, что ведет к дефициту энергетического обеспечения биологических процессов клетки, а также лизосом с выходом за пределы их мембран большого количества ферментов с последующей их активацией и последующими эффектами в виде лизиса клетки.

Опосредованные эффекты необходимо рассматривать как химический или биохимический механизм усиления повреждающих эффектов ионизирующей радиации.

Эффекты повреждения радиации могут, с одной стороны, усиливаться, а с другой, ослабляться под влиянием ряда механизмов. Усиление повреждения происходит в случае увеличения интенсивности обмена, интенсивности кровоснабжения и доставки кислорода, накопления предшественников радиотоксинов. С другой стороны, повреждающие эффекты могут ослабляться накоплением перехватчиков радиотоксинов, активацией ферментов, принимающих участие в репаративных процессах молекулы, и других факторов.

Исследования показывают, что биологические эффекты различных ионизирующих излучений неодинаковы. Например, нейтроны вызывают повреждающие эффекты в 10 раз больше, чем гамма- излучение, а электромагнитные кванты способны только вызывать возбуждение и ионизацию. Резко выраженные повреждающие эффекты нейтронов связаны с ядерными реакциями, где быстрые нейтроны за счет большой энергии выбивают протоны и ядра из сложных биологических молекул, а медленные нейтроны способны объединяться с атомами молекул, превращая их в радиоактивные элементы. В результате чего биологический объект (организм человека) может служить источником радиоктивности. Учитывая различия биологических эффектов ионизирующего излучения, было введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Сравнение идет в этом случае с эффектами эталонного (рентгеновского излучения). Различия биологических эффектов ионизирующих излучений, таким образом, связаны с физикой прохождения их через биологический объект.

Таким образом, в связи с прямым повреждающим действием и эффектами физического, химического и биохимического повреждения ионизирующих излучений происходят нарушения различных структур клетки (мембран, внутриклеточных органелл, активности ферментов, особенно лизосомальных), возникает сложное расстройство структур и функций клеток.

Способность ионизирующих излучений вызывать повреждение облучаемых объектов получила название радиочувствительности.

Еще в 1906 году французские исследователи Бергонье и Трибандо установили зависимость радиочувствительности от интенсивности деления (митоза) и степени дифференцировки клетки. Причем чем более интенсивно происходит деление, чем клетка менее дифференцирована, тем она более радиочувствительна, а следовательно, и радиопоражаема. В соответствии с этим становится понятным, почему клетки костного мозга, лимфоидных узлов, эпителия кишечника, половых желез являются наиболее радиочувствительными, ибо они подвергаются интенсивному делению и обновлению.

Высокая чувствительность недифференцированных клеток к ионизирующему излучению послужила основанием для широкого использования ионизирующих излучений с целью лечения злокачественных опухолей.

Радиочувствительность клетки различна в зависимости от того, находится ли она в интерфазном состоянии или вступает в митотический цикл. Более чувствительна к повреждающим влияниям ионизирующего излучения клетка, находящаяся в митотическом делении. Причем чувствительность всех фаз митотического цикла - пресинтетической, синтетической, постсинтетической и митоза - значительно выше, чем у клетки, находящейся в немитотическом цикле.

Самой радиочувствительной является фаза митоза, ибо в связи со сложными изменениями в клетке нарушаются процессы деления хромосом, а, следовательно, генетического аппарата. Радиочувствительность клеток, находящихся в интерфазном состоянии, значительно ниже, чем делящихся.

Биологические эффекты ионизирующиего излучения на уровне клетки проявляются в виде торможения митоза, интерфазной гибели клетки, мутационных изменений с последующим нарушением детородной функции или возникновением злокачественных клеток.

Указанные повреждения, возникающие на клеточном уровне, во многом определяют изменения на других уровнях: тканевом, органном, системном и организменном, хотя их ни в коей мере нельзя свести к сумме клеточных расстройств, ибо их строение и регуляция являются более сложными.

Так, на тканевом и органном уровне повреждающие эффекты ионизирующих излучений зависят от интенсивности метаболизма, концентрации кислорода, расстройств регуляции - нервных и эндокринных влияний.

Большое значение приобретают нарушения, возникающие на уровне различных систем организма. Особенно нарушается система иммунитета. Ибо в связи с наибольшей чувствительностью клеток костного мозга и лимфоидных узлов происходит опустошение костного мозга, уменьшение количества лимфоцитов. На этом фоне выявляются нарушения клеточной и гуморальной формы иммунитета, резко ослабляется фагоцитарная способность лейкоцитов. Таким образом, возникает явление вторичного иммунодефицита, для которого характерны ослабления как неспецифических факторов защиты (фагоцитоза, комплемента), так и иммунологических механизмов.

Второй важнейшей системой, нарушения которой значительно усиливает патогенный эффект ионизирующих излучений, является система гемостаза. Нарушения ее достаточно сложны и связаны с расстройствами основных гемостатических механизмов - тромбоцитарною, сосудистого и фибринового.

В результате угнетения, а в некоторых случаях опустошения костного мозга, возникает тромбоцитопения различной интенсивности, следствием которой являются нарушения первой фазы свертывания крови — образование протромбиназы. Одновременно с этим имеют место нарушения функций печени и снижение образования фибриногена, протромбина, проконвертина. В результате чего нарушается превращение фибриногена в фибрин, и таким образом страдает фибриновый механизм свертывания.

Не менее важное значение принадлежит, с одной стороны, повреждению эндотелия сосудов, с другой, повышению их проницаемости в результате образования биологически активных веществ (серотонина, простагландинов). Одновременно с этим имеет место активация противосвертывающей системы, особенно фибринолитической.

Таким образом, в результате нарушения тромбоцитарною, фибринового и сосудистого механизмов, активации фибринолиза возникает расстройство гемостаза, проявляющееся замедлением свертывания крови и возникновением кровоизлияний различной интенсивности, вплоть до формирования профузных кровотечений, которые нередко являются причиной гибели больных (тромбогеморрагический синдром).

Известно, что нервные клетки являются самыми радиорезистентными, но в то же время в ходе эволюции нервная система сформировалась и выполняет интегративную функцию, а также обеспечивает анализ и синтез изменений, происходящих в органах. Учитывая это, следует ожидать быстрых и ранних функциональных изменений со стороны нервной системы.

Действительно, исследованиями отечественных ученых, в частности М.Н. Ливанова, было показано, что уже через несколько минут после действия ионизирующих излучений на организм изменяется биоэлектрическая активность кожных, блуждающих, депрессорных, чревных нервов, а также коры мозга. Эти изменения свидетельствуют о рефлекторных влияниях как самих ионизирующих излучений, так и продуктов нарушенного обмена веществ и расстройств гомеостаза. Следствием подобных изменений являются возможные нарушения интегрирующего и регулирующего влияния нервной системы.

Наряду с нервной системой, значительным изменениям подвергается и эндокринная система. Первоначальное изменение характеризуется о6щими сдвигами, характерными для стресса, которые характеризуются первоначальной активацией симпато-адреналовой и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой систем с последующим достаточно быстрым их истощением.

Указанные изменения со стороны нервной и эндокринной системы значительно усложняют биологические эффекты ионизирующих излучений и являются звеньями патогенеза лучевой болезни.

Т\ w w

В результате действия ионизирующих излучений на организм человека и животных на уровне целостного организма формируется лучевая болезнь. В настоящее время выделяют несколько форм лучевой болезни (табл. 3.2).

Таблица 3.2