7.5. Основные этапы действия ионизирующих излучений

на биологические объекты

Под биологическим действием ионизирующих излучений понимают связанную с облучением совокупность морфологических и функциональных изменений в живом организме.

Ионизирующие излучения обладают высокой биологической активностью. Они способны вызывать ионизацию любых химических соединений биосубстратов, образование активных радикалов и этим индуцировать длительно протекающие реакции в живых тканях. Воздействуя на живой организм, ионизирующее излучение вызывает в нем цепочку обратимых и необратимых изменений в клетках, тканях, органах и организме в целом. Результатом биологического действия радиации является нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях организма, вплоть до его гибели.

Влияние радиации на вещество – это серия актов взаимодействия фотонов или частиц высокой энергии с атомами (молекулами) вещества. Особенности биологического действия радиации, во-первых, в том, что у человека отсутствуют специальные анализаторы для восприятия излучения, и, во-вторых, оно в основном связано с формой передачи энергии клеткам. Например, при гамма-облучении дозой в 1000 Р, смертельной для человека, ткани поглощают ничтожно малую энергию – около 8, 4 кДж /г. Для сравнения можно сказать, что такое же количество энергии расходуется при повышении температуры тела на 0,001⁰ С.

Воздействие ионизирующих излучений на биологические объекты подразделяют на 5 этапов:

1. Физический этап. Первичным пусковым моментом, инициирующим многообразные процессы, происходящие в организме, является ионизация и возбуждения атомов и молекул. Физический этап заключается в передаче энергии фотона или частицы одному из электронов атома. Для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата необходимо поглощение энергии в 10-12 эВ. Ионам и возбужденным атомам свойственна повышенная химическая реактивность, они способны вступать в такие реакции, которые невозможны для обычных атомов. Длительность этапа 10^-12 - 10^-8 с.

2. Физико-химический этап взаимодействия измерения с веществом протекает в зависимости от состава и строения облучаемого вещества. Принципиальное значение имеет наличие в облучаемой ткани воды и кислорода. В основе первичных радиационно-химических изменений молекул лежат 2 механизма, обозначаемые как прямое и косвенное действие радиации.

Под прямым действием радиации понимают передачу энергии излучения непосредственно молекуле, которая испытывает превращения. Ионизирующие излучения (точнее – электроны, образовавшиеся в момент облучения) взаимодействуют непосредственно с биомолекулами, в результате чего происходит перенос части кинетической энергии на биомолекулы. Это приводит их в ионизованное или возбужденное состояние. При ионизации и возбуждении сложных молекул происходит их диссациация (распад) в результате разрыва и химических связей. Прямое воздействие радиации может вызвать расщепление молекулы белка, разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов и другие денатурирующие явления. В первую очередь разрушаются ферменты и гормоны.

Под косвенным действием понимают изменение молекул клеток и тканей, обусловленные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды и растворенных в ней веществ, а не энергией излучения, поглощенной самими молекулами. В организме косвенное действие осуществляется через продукты радиолиза) воды, которая в живой клетке составляет 60-70 и даже 90% её массы. Именно в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, являющимися основными компонентами клетки, которым легко может быть передана энергия, первоначально поглощённая водой.

При взаимодействии ионизирующих излучений (гамма-квантов, заряженных частиц) с атомами происходит ионизация и возбуждение атомов. При этом на один акт ионизации приходится 10-100 возбуждённых атомов, которые в процессе рекомбинации излучают избыток энергии в виде характеристического рентгеновского излучения. При радиолизе воды под действием излучения из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженный ион воды: γ→Н₂О →е^- + Н₂О⁺ «Вырванный» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды: е^- + Н₂О → Н₂О^-. Ионы воды, которые при этом образовались, в свою очередь распадаются (диссоциируют), с образованием свободных радикалов водорода и гидроксида (Н^• ОН^•): Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН^•; Н₂О^-→ Н^• + ОН^-. Обладая большой химической активностью, свободные радикалы взаимодействуют друг с другом: Н^• + ОН^• → Н₂О (происходит рекомбинация, восстановление воды); Н^• + Н^•→ Н₂ (образуется молекула водорода); ОН^• + ОН^•→ Н₂О + О (образуются молекулы воды и выделяется кислород, являющийся сильным окислителем); ОН^• + ОН^•→ Н₂О₂ (образуется пероксид водорода). При наличии в среде растворенного кислорода возможна реакция образования гидропероксидного радикала НО₂^•_. (Н^• + О₂ → НО^·₂) – эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эффекте ионизирующего излучения.

Ионизированная молекула воды может реагировать с другой нейтральной молекулой воды, образуя высокоактивный радикал гидроксина (ОН^•) Н₂О⁺ + Н₂О → Н₃О⁺ + ОН^•.

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой токсичностью, но они быстро разлагаются в организме ферментом каталазой на воду и кислород.

НО₂^•_.+ НО₂^•_.→ Н₂ О₂ + 2О (атомарный кислород)

НО₂^•_.+ Н^•_.→ Н₂ О₂ (пероксид водорода)

НО₂^•_.+ НО₂^•_.→ Н₂ О₄ (высший пероксид)

Гидроксильные радикалы (ОН^•) и радикалы водорода (Н^•) образуются также и в том случае, когда под действием излучений происходит возбуждение молекул γ→Н₂О^• → Н₂О⁺.Избыточная энергия этой молекулы расходуется на её расщепление с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила Н₂О^• → Н⁺ + ОН^•.

Пероксидные вещества обладают сильными окислительными и токсическими свойствами. Вступая в соединения с органическими веществами и прежде всего с молекулами, получившими высокую химическую активность в результате ионизации или возбуждения, они вызывают значительные химические изменения в клетках и тканях (деполимеризации нуклеиновых кислот, нарушение проницаемости клеточных мембран, повышение проницаемости стенок кровеносных сосудов, сопровождающиеся кровотечениями и кровоизлияниями).

Свободные радикалы ОН^• и Н^• вступают также в реакции с органическими молекулами: RН + ОН⁺ → R^• + Н₂О; RН + Н^{• +} → R^• + Н_2,, что приводит к образованию новых радикалов (R^•), которые могут вступать в реакцию с биологическими молекулами и приводить впоследствии к радиобиологическому поражению клеточных структур. Образовавшийся радикал может взаимодействовать с кислородом: R^• + О₂ → RО₂^•, что приводит к образованию органического пероксидного радикала RО₂^•, который образует цепную химическую реакцию:

RО₂^• + RН → RООН + Р^•; R^• + О₂ → RО₂^• и т.д.

В результате молекулы в клетке RН заменяются молекулами RО₂^• или RООН.

Таким образом, при радиолизе воды образуются ионы, свободные радикалы (Н^•, ОН^•, НО₂^•), окислители (перекись водорода - Н₂ О₂, атомарный кислород и др.). Свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, окисляя и разрушая их, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму – токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с вовлечением многих сотен и тысяч молекул, не затронутых непосредственно излучением. В этом и заключается специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты, которая заключается в том, что вызываемый ими эффект обусловлен не столько количеством поглощаемой энергии в облучаемом объекте, сколько той формой, в которую эта энергия передаётся. Именно ионизация и возбуждение атомов и молекул обуславливают специфику действия ионизирующего излучения.

Второй этап радиационного напряжения длится от 10^-7 с до нескольких часов. Время жизни свободных радикалов (Н^•, ОН^•) не более 10^-5. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворённым субстратом.

3. Этап биомолекулярных повреждений. В результате прямого и косвенного действия излучений происходят изменения белков, липидов и углеводов. Поражаются липиды клеточных мембран, нарушая проницаемость их. Повреждаются микромолекулы ферментов, нарушается синтез РНК, тормозится синтез ДНК, наблюдаются однонитчатые и двунитчатые разрывы, приводящие к хромосомным аберрациям. Имеют место генные мутации, их появление в клетках означает, что клетка содержит генетический материал, отличный от генетического материала, содержащегося в исходных (нормальных) клетках. Повреждаются структурные элементы клетки – ядра, хромосомы, митохондрии, лизосомы, хромосомы, нарушается синтез АТФ (аденозинтрифосфата). Поражение ядра приводит к синтезу изменённых белков (в результате нарушения РНК), которые впоследствии приводят к образованию злокачественных опухолей, вторичных радиотоксинов, вызывающих старение и лучевую болезнь. Повреждение лизосом приводит к цитолизу, высвобождению ферментов, способных вызывать изменения нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов. Нарушение структуры и функций митохондрий снижает уровень энергических процессов клетки. К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование, которое ведёт к нарушению системы генерирования АТФ, что в дальнейшем ведёт к нарушению энергетики клетки и лучевой болезни.

4. Этап ранних биологических и физиологических эффектов. На процесс радиационного поражения влияет ряд факторов: доза и вид облучения, время экспозиции, мощность поглощённой дозы и др. Очень большие дозы вызывают гибель клеток, в результате огромных нарушений всех субклеточных структур и невозможности их восстановления. При маленьких дозах цитолиз не происходит, но снижается репродуктивная способность. Клетка, утратившая способность делиться, не всегда имеет признаки повреждений, она может ещё долго жить и после облучения. Считается, что большинство острых и отдалённых последствий облучения организма – результат репродуктивной гибели клетки.

Различные клетки обладают разной радиочувствительностью. Наибольшей радиочувствительностью обладают делящиеся клетки. Это кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников и яичников, клетки эпителия тонкого кишечника. Сюда же относят и лимфоциты, которые, несмотря на их дифференциацию и неспособность к делению, обладают высокой радиочувствительностью. Средней радиочувствительностью обладают клетки зародышевого слоя кожи и слизистых оболочек, сальных желез, волосяных фолликулов, потовых желез, эпителия хрусталика, сосудов, хрящевые клетки. Третью группу составляют радиорезистентные клетки (обладающие высокой устойчивостью к облучению). Это клетки печени, почек, нервные клетки, мышечные клетки, клетки соединительной ткани, костные клетки. На клеточном уровне репарация (восстановление клетки) длится до нескольких часов. Может наблюдаться остановка деления, приводящая к гибели клеток, трансформация клеток в злокачественные.

Группы клеток образуют ткани, из которых состоят органы и системы органов. Ткань – это не просто сумма клеток, это уже система, имеющая свои функции, не сводимые к функции отдельных клеток. Более подвержены радиации ткани, клетки которых активно делятся. Поэтому быстрее повреждается красный костный мозг, желудочно-кишечный тракт. Хотя нервная ткань принадлежит к достаточно устойчивым структурам, в функциональном отношении ЦНС радиочувствительна, так как самые ранние реакции организма на общее облучение проявляется в расстройстве подвижности и уровновешенности процессов возбуждения и торможения нервной системы. Половые железы очень чувствительны к радиации. Яичники взрослых женщин содержат большое число незаменяемых яйцеклеток, находящихся на разных стадиях развития. В результате репродуктивной гибели яйцеклеток может наступить стойкое бесплодие.

Гибель отдельных органов может наступить в результате развития злокачественных новообразований (опухолей) – рака щитовидной железы, молочной железы, лёгких и т.д.

4. Этап отдалённых биологических эффектов. К ним относятся стойкие нарушения функций отдельных органов и систем, сокращение продолжительности жизни, соматические эффекты (лейкозы, злокачественные новообразования, катаракта и др.), изменение генетической характеристики в результате мутаций. Особенно опасно накопление мутаций в генофонде, в результате чего генофонд будет не в состоянии обеспечить воспроизводство нации.