Биологическое действие ионизирующих излучений

Ионизирующее воздействие фотонов непосредственно не может химически или биологически повредить клетку. Ионизация, создаваемая ИИ в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу.

Канцерогенез (лат. cancerogenesis; cancero – рак + греч. genesis, зарождение, развитие) – сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли.

Мутагенез - это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (возникновение мутаций).

Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

После воздействия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Детерминированные радиобиологические эффекты имеют чёткий дозовый порог проявления (например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1-2 Зв на всё тело). Стохастические эффекты не имеют чёткого дозового порога проявления. С увеличением дозы облучения возрастает лишь частота их проявления. Проявиться они могут как спустя много лет после облучения (злокачественные новообразования), так и в последующих поколениях (мутации).

3.1. Действие радиации на организм человека

В 1898 году Анри Беккерель в течение шести часов носил в карманном жилете пробирку с радием, которую подарила ему Мария Склодовская-Кюри и через некоторое время на его теле там, где хранилась пробирка с радием, образовался ожог. Так впервые было обнаружено особое свойство радия воздействовать на живую ткань. Это положило начало новой отрасли науки – радиационной биологии.

1. Физико-химические (вызывающие перераспределение энергии за счет ионизации). Продолжительность – секунды. (Процесс образования ионов длится всего около 10-13 с, после чего наступают физико-химические изменения ткани.)

2. Химические повреждения клеток и тканей (образование свободных радикалов, возбужденных молекул и т.д.). Продолжительность – от секунды до нескольких часов.

3. Биомолекулярные повреждения (повреждение белков, нуклеиновых кислот и т.д.). Продолжительность – от микросекунд до нескольких часов.

4. Ранние биологические эффекты (гибель клеток, органов, всего организма). Длится стадия от нескольких часов до нескольких недель.

5. Отдаленные биологические эффекты (возникновение опухолей, генетические нарушения, сокращение продолжительности жизни и т.д.). Длится годами, десятилетиями и даже столетия.

Радиочувствительность и радиорезистентность – понятия, характеризующие степень чувствительности животных и растительных организмов, а также их клеток и тканей к воздействию ИИ. Чем больше возникает изменений в ткани под влиянием радиации, тем ткань более радиочувствительна, и, наоборот, способность организмов или отдельных тканей не давать патологических изменений при воздействии ИИ характеризует степень их радиорезистентности, т.е. устойчивости к радиации. Различные виды живых организмов существенно различаются по своей радиочувствительности. Выявлена общая закономерность: чем сложнее организм, тем он более чувствителен к действию радиации. По степени возрастания чувствительности к ионизирующим излучениям живые организмы располагаются в следующем порядке:

вирусы → амеба → черви → кролик → крыса → мышь →
→ обезьяна → собака → человек.

Клеточная радиочувствительность - интегральная характеристика клетки, определяющая вероятность ее гибели после радиационного воздействия. На клеточном уровне радиочувствительность зависит от ряда факторов: физиологического состояния, организации генома, состояния системы репарации ДНК, содержания в клетке антиоксидантов, интенсивности окислительно-восстановительных процессов.При усилении функциональной активности радиочувствительность клеток повышается Антиоксиданты (антиокислители) — ингибиторы окисления, природные или синтетические вещества, способные тормозить окисление органических соединений.

Быстро размножающиеся клетки млекопитающих проходят четыре стадии цикла: митоз (митоз - деление ядра эукариотической клетки с сохранением числа хромосом); 1-ый промежуточный период (GI); синтез ДНК и 2-ой промежуточный период (G2). Наиболее чувствительны к облучению клетки в фазах митоза и G2. У клеток, находящихся в начальной стадии усиленного деления, радиочувствительность резко возрастает. Максимальная резистентность к радиации наблюдается в период синтеза ДНК. Среди зрелых форм клеточных элементов радиочувствительность тем ниже, чем они старее.

Выделяют два пути поражения клеток ИИ: прямой и косвенный (непрямой).

Прямой путь поражения клетки характеризуется поглощением энергии излучения молекулами клеток, и в первую очередь молекулами ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), входящими в структуру ядерных хромосом. При этом происходит возбуждение молекул, их ионизация, разрыв химических связей. Разрушаются ферменты и гормоны, что приводит к физико-химическим сдвигам в организме. Происходит аберрация хромосом. Хромосомы надрываются, разрываются на осколки или структурно перестраиваются. Наблюдаемая тесная зависимость между степенью их аберраций и летальным эффектом облучения свидетельствует о решающей роли поражения ядерного материала в исходе лучевого поражения клеток.

Рассмотрим строение клетки (рис. 5). Клетка состоит из оболочки, ядра и ряда клеточных органелл. Ядро, отделённое от цитоплазмы мембраной, содержит ядрышко и хроматин. Последний представляет собой определенный набор нитевидных частиц – хромосом. Вещество хромосом состоит из нуклеиновых кислот, которые являются хранителями наследственной информации и специальных белков.

При воздействии больших доз излучения (как и при воздействии высокой температуры) нарушается целостность ее оболочки и составных частей цитоплазмы, ядро уплотняется, разрывается, но может и разжижаться. Клетки погибают. При небольших дозах излучения наиболее опасным является повреждение ДНК, в которых закодирована структура белков. Повреждение ДНК дает толчок для повреждения генетического кода.

Косвенное воздействие ИИ проявляется в химических реакциях, происходящих в результате разложения или диссоциации воды (организм человека состоит на 85-90 % из воды). Вероятность попадания ионизированной частицы в молекулу воды в 104 раз больше, чем в молекулу белка. Рассмотрим процесс радиолиза воды.

Под действием ИИ в воде образуется положительно заряженный ион воды:

Н₂О à Н₂О⁺ + е^–

Освободившийся электрон может соединяться с другой молекулой воды, которая приобретает отрицательный заряд:

Н₂О + е^– à Н₂О^–

Разложение положительного иона воды можно записать так:

Н₂О+ → Н⁺ + ОН*

Водород (Н⁺) и гидроксильная группа ОН*, обладая большой химической активностью, взаимодействуют с биологическими веществами и вызывают их изменение. При наличии кислорода в воде могут образовываться гидроперекисные радикалы НО₂ и перекись водорода Н₂О₂, которые также являются сильными окислителями.

Наличие промежуточного этапа в биологическом действии ИИ (образование продуктов разложения воды) не означает, что это действие не может быть вызвано и прямой ионизацией биологически важных веществ, например белков, ферментов и др.

Очевидно, отношение прямого и косвенного действий ИИ будет меняться в зависимости от конкретных условий облучения, в частности от поглощенной дозы и содержания воды в облучаемом объекте.

В соответствии с убыванием степени радиочувствительности клетки организма можно расположить в такой последовательности:

1) высокая чувствительность: лейкоциты (белые кровяные тельца), кроветворные клетки костного мозга, половые зародышевые клетки семенников и яичников (сперматозоиды и яйцеклетки), клетки эпителия тонкого кишечника;

2) средняя чувствительность: клетки зародышевого слоя кожи и слизистых оболочек, клетки сальных желез, клетки волосяных фолликулов, клетки потовых желез, клетки эпителия хрусталика, хрящевые клетки, клетки сосудов;

3) достаточно высокая устойчивость: клетки печени, нервные клетки, мышечные клетки, клетки соединительной ткани, костные клетки.

На тканевом уровне наиболее радиочувствительными в организме будут интенсивно делящиеся, быстро растущие и мало специализированные ткани, например, кроветворные клетки костного мозга, эпителий слизистой оболочки тонкого кишечника и эпителий кожи. В коже возникает фиброз (фибро́ з (лат. fibrosis) - уплотнение соединительной ткани с появлением рубцовых изменений в различных органах, возникающее, как правило, в результате хронического воспаления. Наименее радиочувствительными будут специализированные слабо обновляющиеся ткани, например, мышечная, костная, нервная. Исключением являются лимфоциты, отличающиеся высокой радиочувствительностью. В то же время ткани, резистентные к непосредственному действию ИИ, оказываются весьма уязвимыми в отношении отдаленных последствий.

ИИ может быть однократным, фиксированным и хроническим.

Клетки при воздействии не смертельной для них дозы способны к репарации, т.е. восстановлению. Не все повреждения ДНК равнозначны по последствиям радиационного воздействия. Восстановление одиночных разрывов нитей ДНК происходит достаточно эффективно. Например, в клетках млекопитающих скорость репарации половины радиационных одиночных разрывов составляет ~ 15 мин. Вероятно одиночные разрывы нитей ДНК не являются причиной гибели клеток в отличие от двойных разрывов нитей и повреждений оснований. При дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов. Различают три вида репараций:

1) безошибочные репарации, основанные на замене поврежденного участка ДНК, т.е. полное восстановление нормальной функции ДНК;

2) ошибочные репарации, приводящие к потере или изменению части генетического кода;

3) неполные репарации, при которых непрерывность нитей ДНК не восстанавливается.

Два последних вида репараций приводят к возникновению мутаций т.е. видоизменению в клетках. Мутации могут усиливать, уменьшать или качественно изменять признак, определяемый геном. Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, обычно представляющая собой часть молекулы ДНК.

Последствия возникновения мутаций не так велики в соматических (неполовых) клетках организма в отличие от мутаций в половых клетках. Мутация в соматической клетке может привести к нарушению функции или даже гибели этой клетки или ее потомков. Но поскольку каждый орган состоит из многих миллионов клеток, влияние одной или нескольких мутаций на жизнедеятельность всего организма не будет значительным. Однако соматические мутации впоследствии могут явиться причиной раковых заболеваний или преждевременного старения организма.

Мутации, происходящие в половых клетках, могут оказать губительное действие на потомство: ведут к гибели потомства или вызывают появление потомства с серьезными аномалиями.

Клетки семенников находятся на разных стадиях развития. Наиболее радиочувствительные клетки – сперматогонии, наиболее радиорезистентные – сперматозоиды. После однократного облучения дозой 0, 15 Гр количество спермы может уменьшиться. После облучения дозой 3, 5–6 Гр наступает постоянная стерильность. При этом семенники являются единственным исключением из общего правила: доза, полученная в несколько приемов для них более опасна, чем та же доза, полученная за один прием.

Яичники менее чувствительны к действию радиации, по крайней мере, у взрослых женщин. Но воздействие однократного облучения дозой 1–2 Гр на оба яичника вызывает временное бесплодие и прекращение менструаций на 1–3 года. При остром облучении в диапазоне доз 2, 5–6 Гр развивается стойкое бесплодие. Хотя еще большие дозы при дробном облучении никак не сказываются на способности к деторождению.

Если большие дозы облучения приводят к прекращению всех обменных процессов в клетке и даже к разрушению клетки, т.е. ее фактической гибели, то при облучении небольшими дозами часто происходит подавление способности клеток делиться, что называется репродуктивной гибелью. Клетка, утратившая способность делиться, не всегда имеет признаки повреждений, она может еще долго жить и после облучения. В настоящее время считается, что большинство острых и отдаленных последствий облучений организма – результат репродуктивной гибели клеток, которая проявляется при «попытке» таких клеток разделиться.

Радиация по самой своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут «запустить» не до конца еще изученную цепь событий, приводящих к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма.

Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, проявляются спустя много лет после облучения, - как правило, не ранее чем через одно-два десятилетия. А врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению проявляются лишь в следующем или последующих поколениях (рис. 6).

В то время как идентификация быстро проявляющихся («острых») последствий от действия больших доз облучения не составляет труда. Обнаружить отдаленные последствия от малых доз облучения почти всегда оказывается очень трудно. Но даже и обнаружив какие-то отдаленные эффекты, требуется еще доказать, что они объясняются действием радиации, поскольку и рак, и повреждения генетического аппарата могут быть вызваны не только радиацией, но и множеством других причин.

Чтобы вызвать острое поражение организма, дозы облучения должны превышать определенный уровень, но нет никаких оснований считать, что это правило действует в случае таких последствий, как рак или повреждение генетического аппарата. По крайней мере, теоретически для этого достаточно самой малой дозы. Однако, в то же время, никакая доза облучения не приводит к этим последствиям во всех случаях. Даже при относительно больших дозах облучения далеко не все люди обречены: действующие в организме человека репарационные механизмы обычно ликвидируют все повреждения. Точно так же любой человек, подвергшийся действию радиации, совсем не обязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней; однако вероятность или риск наступления таких последствий у него больше, чем у человека, который не был облучен. И риск этот тем больше, чем больше доза
облучения.

Рис. 6. Радиационные эффекты

Острое поражение организма человека происходит при больших дозах облучения. Вообще говоря, радиация оказывает подобное действие, лишь начиная с некоторой минимальной, или «пороговой», дозы облучения.

Величина дозы, определяющая тяжесть поражения организма, зависит от того, получает ли ее организм сразу или в несколько приемов. Большинство органов успевает в той или иной степени залечить радиационные повреждения и поэтому лучше переносит серию мелких доз, нежели ту же суммарную дозу облучения, полученную за один прием.

Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Дозы облучения порядка 100 Гр вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения от 10 до 50 Гр при облучении всего тела поражение центральной нервной системы может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, скорее всего, все равно умрет через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. При еще меньших дозах может не произойти серьезных повреждений желудочного тракта или организм с ними справится, но смерть может наступить через один-два месяца с момента облучения из-за разрушения клеток красного костного мозга - главного компонента кроветворной системы организма. От дозы 3-5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных. Таким образом, в этом диапазоне высокие дозы облучения отличаются от меньших лишь тем, что смерть в первом случае наступает раньше, а во втором - позже.

Красный костный мозг и другие элементы кроветворной системы наиболее уязвимы и теряют способность нормально функционировать уже при дозах облучения 0, 5–1 Гр. К счастью они обладают также замечательной способностью к регенерации, и если доза облучения не столь велика, чтобы вызвать повреждения всех клеток, кроветворная система может полностью восстановить свои функции.

Желудочно-кишечный тракт. Желудочно-кишечный синдром, приводящий к гибели при облучении дозами 10–100 Гр, обусловлен в основном радиочувствительностью тонкого кишечника. Далее по снижению радиочувствительности следуют полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень.

Сердечно-сосудистая система. В сосудах большей радиочувствительностью обладает наружный слой сосудистой стенки, что объясняется высоким содержанием коллагена – белка соединительной ткани, который обеспечивает выполнение стабилизирующей и опорной функций. Сердце считается радиорезистентным органом, однако при локальном облучении в дозах 5–10 Гр можно обнаружить изменения миокарда. При дозе 20 Гр отмечается поражение эндокарда.

Органы дыхания. Легкие взрослого человека – стабильный орган с низкой пролиферативной активностью, поэтому последствия облучения легких проявляются не сразу. При локальном облучении может развиться радиационная пневмония, сопровождающаяся гибелью эпителиальных клеток, воспалением дыхательных путей, легочных альвеол и кровеносных сосудов. Эти эффекты могут вызвать легочную недостаточность и даже гибель в течение нескольких месяцев после облучения грудной клетки. При однократном воздействии гамма-излучении ЛД50 для человека составляет 8–10 Гр.

Мочевыделительная система. Влияние облучения на почки, за исключением высоких доз, проявляется поздно. Облучение в дозах более 30 Гр за 5 недель может привести к развитию хронического нефрита.

Орган зрения. Наиболее уязвимой частью глаза является хрусталик. Погибшие клетки становятся непрозрачными, а разрастание помутневших участков приводит сначала к катаракте, а затем и к слепоте. Помутневшие участки могут образоваться при дозах облучения 2 Гр, а прогрессирующая катаракта – около 5 Гр. Наиболее опасным в плане развития катаракты является нейтронное облучение.

Нервная система. Нервная ткань высоко специализирована и, следовательно, радиорезистентна. Гибель нервных клеток наблюдается при дозах облучения свыше 100 Гр.

Эндокринная система. Эндокринные железы характеризуются низкой скоростью обновления клеток и у взрослых в норме являются относительно радиорезистентными, однако в растущем или пролиферативном состоянии они значительно более радиочувствительны.

Костно-мышечная система. У взрослых костная, хрящевая и мышечная ткани радиорезистентны. Однако в пролиферативном состоянии (в детском возрасте или при заживлении переломов) радиочувствительность этих тканей повышается.

На популяционном уровне радиочувствительность зависит от следующих факторов:

- особенностей генотипа (в человеческой популяции 10–12% людей отличаются повышенной радиочувствительностью);

- физиологического (например, сон, бодрствование, усталость, беременность) или патофизиологического (например, хронические заболевания, ожоги, механические травмы) состояний организма;

- пола (мужчины обладают большей радиочувствительностью);

- возраста (наименее чувствительны люди зрелого возраста).

При внутриутробном периоде развития плода высокая радиочувствительность обусловлена его малодифференцированными тканями, что проявляется врожденными пороками развития, нарушением физического и умственного развития, снижением адаптационных возможностей организма.

Дети также крайне чувствительны к действию радиации. Относительно небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей, что приводит к аномалиям развития скелета. Суммарной дозы порядка 10 Гр, полученной в течение нескольких недель при ежедневном облучении достаточно, чтобы вызвать аномалии развития скелета. По-видимому, такое воздействие ИИ не имеет никакого порогового эффекта.

3.2. Основные особенности биологического действия
ионизирующих излучений

1. Высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2. Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимы человеком, поэтому человек может проглотить, вдохнуть радиоактивное вещество без каких либо первичных ощущений (дозиметрические приборы являются как бы дополнительным органом чувств, предназначенным для восприятия ионизирующего излучения).

3. Наличие скрытого, или инкубационного, периода проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Его продолжительность сокращается при больших дозах.

4.Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться (эффект кумуляции). Этот процесс тоже происходит без видимых эффектов.

5. Излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект.

6. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0.02-0.05 Р уже наступают изменения в крови.

7. Не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

8. Облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.