Общая характеристика радиационных поражений

Радиационными (лучевыми) поражениями называются патологиче­ские изменения в организме, возникающие в результате воздействия на не­го ионизирующего излучения. В мирное время радиационные поражения могут наблюдаться в случаях нарушения техники безопасности при работе с радиоактивными источниками.

Ионизирующее излучение — важный абиотический фактор. Источник ионизирующего излучения — радиоактивные вещества и космические лу­чи. Доза излучения (1 рад) — это такая доза излучения, при которой на 1 грамм ткани поглощается 100 эрг энергии. Единица дозы излучения, ко­торую получает человек, называется бэр (биологический эквивалент рент­гена); 1 бэр равен 0,01 Дж/кг. В течение года человек в среднем получает дозу 0,1 бэр и, следовательно, за всю жизнь (в среднем 70 лет) 7 бэр.

Под влиянием ионизирующего излучения в организме образуются вещества, обладающие высокой химической активностью, в первую оче­редь продукты радиолиза воды, возникают нарушения молекулярных свя­зей на клеточном уровне, прежде всего в клетках кроветворения, кишечно­го эпителия, половых желез. Характер и выраженность радиационных по­ражений зависит от вида ионизирующего излучения, его дозы, времени облучения, возраста и пола пациентов.

Существует два типа ионизирующих излучений:

— корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа, бета и нейтронное излучение);

— электромагнитное (гамма- и рентгеновское излучение ) с очень ма­лой длиной волны.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра имеют массу 4 и заряд 2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер и при ядерных реакциях. Энергия альфа- частиц не превышает нескольких МэВ (1 эВ = 1,60206 ? 10^-19Дж). Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см (под длиной пробега частицы понимается наибольшее расстояние от источника излучения, при котором еще можно обнаружить частицу, до ее поглощения веществом).

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы альфа-частиц. В зависимости от приро­ды источника бета-излучений скорость этих частиц может лежать в преде­лах 0,3-0,99 скорости света. Энергия бета-частиц не превышает несколь­ких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела — 2,5 см. Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы и заряда).

Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медлен­ные нейтроны (с энергией 1 КэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма- излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может на­блюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность ней­тронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий со­ставляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, анало­гичные показатели для быстрых нейтронов - соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей

способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения.

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны (порядка 3 ? 10^-2нм). Оно ис­пускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высо­кая длина (0,01-3 МэВ) и малая длина волны обуславливает большую про­никающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей иони­зирующей способностью, чем альфа- и бета-излучения.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентге­новских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей источник бета-излучения и др. Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ. Рентгеновское излучение, как и гамма-излучение, обладает малой ионизи­рующей способностью и большой скоростью.

При распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой скоро­стью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для ха­рактеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактив­ного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, делен­ное на этот промежуток времени: a = dN / dt.Единицей измерения активно­сти является Кюри (Ku), соответствующая 3,7 ? 1011 ядерных превраще­ний в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226.

Для измерения количества поглощаемой энергии вводится понятие дозы излучения, или сокращенно дозы. Под дозой понимается количество поглощаемой энергии в единице объема облучаемого вещества. Таким об­разом, доза равна:

D = E/V эрг/см^Л3,

где D — доза излучения, E — поглощенная энергия в эргах и V — ве­личина облучаемого объема в кубических сантиметрах.

Энергия, поглощенная в единице объема облучаемого вещества за единицу времени, называется мощностью дозы.

P = D/t эрг/смЛ3 ? сек,

где P — мощность дозы, D — доза излучения, t — время облучения.

Дозы рентгеновских и гамма-лучей измеряются в международных единицах - рентгенах. Рентген - такое количество рентгеновых или гамма- лучей, под действием которого в 1 смЛ3 воздуха (при t = 0 и нормальном атмосферном давлении) образуются ионы, несущие заряд в одну электро­статическую единицу каждого знака.

Степень радиационного поражения клетки зависит от дозы, вида и мощности излучений, условий среды, содержание кислорода, жизненного цикла клетки. В результате нарушений ДНК и цитоплазмы могут быть раз­личные эффекты действий радиации на клетки: интерфазная гибель вскоре после облучения; репродуктивная гибель в процессе митоза или через не­сколько митозов, в некоторых клетках происходит репарация сублеталь­ных повреждений, могут появиться мутантные клетки с генетическими на­рушениями или с онкологическими последствиями.

При облучении нарушаются и структуры цитоплазмы. Высоко- чувст­вительны внутриклеточные мембраны и митохондрии, повреждения их приводит к нарушениям обмена веществ, окислительного фосфорилирова­ния, недостатку АТФ и внутриклеточной энергии. Нарушения в лизосом- ном аппарате приводят к высвобождению протеолитических ферментов, которые могут вызвать аутолиз (самопереваривание) клетки. Однако эти структуры в клетке многочисленны, менее чувствительны, эти нарушения легче восстанавливаются.

Прямое действие имеет место при больших (чрезмерных) дозах облу­чения и проявляется в виде: денатурации с последующим протеолизом белковых структур (разрыв основных связей белковой молекулы), фотоли­за белковых молекул, т. е. потери ими белковых связей, обуславливающих биохимические свойства, и деполимеризации белков, т. е. изменении и из­вращении их первоначальных биохимических свойств.

Непрямое действие не приводит к непосредственной гибели клеток, а вызывает реакцию гидролиза воды, которая является основной биологиче­ской средой, обеспечивающей биологические и биохимические реакции в жи­вом организме.

Инактивация ферментов приводит к выраженному нарушению кле­точного обмена веществ к его патологическому извращению. В самой клетке наиболее радиочувствительными оказались дезоксирибонуклеино­вая кислота (ядерная) и рибонуклеиновая кислота (протоплазматическая).

Таким образом, радиочувствительность отдельных клеток и тканей прямо пропорциональна дозе облучения, количеству образующихся ионов воды и количеству свободного кислорода в данных клетках ткани. Известно, что содержание свободного кислорода в клетках тем больше, чем меньше их функциональная дифференцированность. Наиболее радиочувствительными являются ткани, в которых клетки находятся в состоянии постоянного деле­ния и размножения. Напротив, наиболее дифференцированные клеточные элементы, экономично использующие кислород, наиболее устойчивы к ио­низирующим излучениям. Поэтому по радиочувствительности на первом месте стоят клеточные элементы костного мозга, на втором месте половые клетки, на третьем мышечные и костные клетки и на последнем, как наибо­лее дифференцированные элементы — клетки нервной системы.

В то же время центральная нервная система, как наиболее функцио­нально активная система, первой отвечает патологическими реакциями на возникшие нарушения в других более радиочувствительных системах. Та­ким образом, функциональные нарушения нервной системы возникают объ­ективно раньше, чем могут быть выявлены сложные нарушения в тканях с наибольшей радиочувствительностью (костный мозг, клетки крови и т. д.) и являются клиническим проявлением начального периода лучевой болезни.

В настоящее время все большее признание получает теория о решаю­щей роли действия радиации на генетические структуры клетки, наруше­ния функций и структуры ДНК хромосом, ядра. ДНК — это уникальная структура клетки, наиболее чувствительная к облучению, повреждение ее чревато различными трагическими последствиями для всей клетки и даже последующих поколений. При облучении в результате прямого и косвен­ного действия радиации в ДНК наступают различные структурные нару­шения: разрывы водородных связей, нарушения оснований и точечные му­тации, одиночные и двойные разрывы цепи ДНК, усиление распада ДНК, нарушение мембранного комплекса ДНК, разрывы хромосом и хромосом­ные мутации. Одновременно нарушаются ее функции: синтез ДНК, насту­пает задержка митозов (делений), нарушается генетический код, синтез РНК, нарушается обмен веществ и т. д. Эти структурно-метаболические изменения ДНК могут привести к гибели клетки. С другой стороны, одно­временно происходят восстановительные процессы, восстанавливание ДНК с помощью специальных ферментных систем, причем легче восста­навливаются одиночные разрывы, труднее — двойные разрывы ДНК.

Доказательством данных (вышеперечисленных) патогенетических звеньев развития лучевой болезни являются:

1. Нечувствительность дезоксирибонуклеиновой кислоты, лишенной воды крадиоизлучениям.

2. Выраженный профилактический эффект к лучевым поражениям в ре­зультате введения в организм средств, защищающих тиогруппы ферментатив­

ных систем от перекисей и гидроперекисей, и средств, вызывающих гипоксию (уменьшающих количество свободного кислорода в клетках и, тем самым, уменьшающих образование перекисей и гидроперекисей из радикалов воды).

3. Волнообразно-периодическое течение лучевой болезни, синхронное с патологическими реакциями нервной системы и с развивающимися ра­диохимическими реакциями. Чем больше доза облучения, тем более выра­жено прямое действие ионизирующих излучений. Лучевая болезнь I-II сте­пени возникает в результате непрямого первичного биологического эффек­та как пускового звена, лучевая болезнь ІІІстепени развивается, как след­ствие смешанного действия прямого и непрямого с превалированием по­следнего, а молниеносные формы есть результат преобладания прямого действия ионизирующих излучений (смертельные формы) (рисунок 1).

Рисунок 1 — Эффект радиационного излучения на органические структуры

В клинической картине лучевой болезни большое значение имеет инди­видуальная чувствительность организма к реакции, однако, поражения в ос­новном зависят от интенсивности дозы и от площади облучаемого участка.

Брахитерапия является типом лучевой терапии, в котором радиоак­тивный источник (изотоп) располагается как можно ближе к опухоли и удерживается там в течение некоторого времени. В современной, так на­зываемой брахитерапии с высокими дозами излучения, источники излуче­ния имеют высокую мощность и обеспечивают сокращение времени лече­ния с достижением радиологической эффективности, которая сравнима с

внешней лучевой терапией. Лечение производится при помощи устройства автоматического введения. В то время, когда это устройство не использу­ется, радиоактивный источник хранится в специальном защитном контей­нере. Источник, обычно капсула с изотопом иридий-192, присоединен к кончику длинного провода. Перед началом лечения один или несколько аппликаторов вводятся в тело пациента интракавитально или интерстици- ально таким образом, чтобы аппликатор располагался как можно ближе к заданной мишени. Затем аппликаторы соединяются с устройством автома­тического введения специальными трубками, в которых провод с источни­ком может свободно перемещаться и вводиться в аппликатор внутри тела пациента. Эта методика выполняется дистанционно, и обслуживающий персонал клиники не подвергается воздействию излучения. Реальное время лечения после размещения источника внутри тела пациента составляет примерно 2-20 минут в зависимости от плана лечения и активности ис­пользованного источника. Основной группой пациентов для лечения с ис­пользованием брахитерапии являются пациенты с раком шейки матки, собственно матки и влагалища, предстательной железы, молочных желез, опухолями бронхов, головы, шеи и некоторые другие.

В зависимости от дозы облучения выделяют 4 степени течения лучевой болезни у лиц, подвергшихся своевременному и рациональному лечению:

I (легкая) степень — 1-2 Гр;

II (средняя) степень — 2-4 Гр;

III (тяжелая) степень — 4-6 Гр;

IV (крайне тяжелая) степень — 6-10 Гр.

В последние годы предложено выделять острейшие или молниенос­ные формы ОЛБ с кишечным (10-20 Гр), токсическим (20-80 Гр) и цереб­ральным (80 Гр и выше) вариантами течения.

5.2.