Биологическое действие ионизирующих излучений.

Под биологическим действием ионизирующих излучений подразумевают их способность вызывать функциональные, анатомические и метаболические изменения на всех уровнях биологической организации организма. Биологическое действие ионизирующих излучений обусловлено энергией, которая передается излучением разным тканям и органам.

В основе биологического действия ионизирующих излучений лежат:

- поглощение энергии излучения биосубстратом;

- ионизация и возбуждение атомов и молекул, радиолиз воды с образованием свободных радикалов H⁺ и OH^-, перекиси водорода – H₂O₂, образование активных свободных радикалов, развитие первичных радиационно-химических реакций и повреждение высокомолекулярных соединений.

Первичное действие излучения может быть прямым и непрямым. При прямом влиянии излучения происходит возбуждение и ионизация молекул вещества тканей и органов.

Передача энергии ионизирующего излучения веществу осуществляется в очень короткий срок (см. табл. 1.6):

Таблица 1.6. Стадии лучевого поражения

Время	Этап повреждения	Уровень биологической организации
10^-12 сек	Физическое взаимодейсвие, поглощение энергии, ионизация и возбуждение молекул.	Молекулярный
10^-9-10^-3 сек	Первичные радиохимические реакцииї, образование радикалов. Изменение молекул, нарушение биохимии клеток.	Субклеточный
Секунды-минуты	Повреждение клеток: нарушение структур, которые обеспечивают функцию и наследственность клеток.	Клеточный
Минуты-часы	Нарушение морфологии клеток и их гибель	Тканевой, органный
Минуты-месяцы	Повреждение целостного организма: нарушение функции органов и систем; морфологические изменения в органах и системах; гибель организма	Организменный
Вся жизнь индивидуума	Отдаленные соматические эффекты (снижение сопротивляемости организма, сокращение продолжительности жизни, развитие рака или лейкоза, дистрофические изменения в тканях)
Неопределенно длительное время	Генетические последствия облучения	Популяционный

Ионизация и возбуждение атомов и молекул облученной ткани является первичным физическим процессом, который является пусковым механизмом биологического действия ионизирующего излучения, потому ее называют прямым действием. При этом происходит разрыв молекулярных связей с образованием свободных радикалов с высокой химической активностью. Они взаимодействуют с окружающими интактными атомами и молекулами (молекулами органических веществ, растворенных в воде: белков, нуклеопротеидов, липидов, ферментов и т.п.), в результате чего происходит их расщепление с образованием последующих свободных радикалов, которые взаимодействуют с необлученными молекулами и предопределяют непрямое действие ионизирующего излучения, то есть изменения молекул, возникают не от полученной энергии ионизирующего излучения, а от энергии измененных молекул (во время облучения под прямое действие попадает очень незначительная часть молекул облучаемого организма).

Основным субстратом окислительных реакций, вызванных свободными радикалами, являются биолипиды и нуклеопротеид. В результате радиационного влияния нарушается структура тканей и клеток.

Ионизация атомов и молекул ведет к изменению структуры молекул, что приводит к нарушению биохимических процессов в органах и тканях и проявляется расстройством тканевого дыхания, изменением действия ферментативных систем, нарушением синтеза белков и т.п.

Ионизирующее излучение всегда оказывает повреждающее действие на живой организм. Реакции организма на облучение многообразны и определяются как действующим фактором - излучением, так и свойствами самого организма.

Степень лучевого поражения четко коррелирует с парциальным давлением кислорода в тканях - чем ниже парциальное давление кислорода, тем меньше проявления лучевого поражения (так называемый «кислородный эффект»). В условиях гипоксии радиочувствительность организма может снижаться в 2 - 3 раза.

Особенности биологического действия излучений:

1) Биологический эффект зависит от величины поглощенной дозы и мощности дозы излучений, эта зависимость прямая - с нарастанием дозы и ее мощности усиливается эффект. Патологические изменения возникают на всех уровнях интеграции организма - молекулярном, клеточном, органном и в целостном организме.

2) Эффект облучения связан с распределением дозы во времени, то есть со скоростью поглощения энергии. Деление одной и той же суммарной дозы на отдельные фракции ведет к уменьшению степени лучевого поражения. Процессы восстановления начинаются сразу после облучения и способны хотя бы частично компенсировать возникшие нарушения.

3) Степень и форма лучевого поражения определяются распределением энергии излучения в организме. Наибольший эффект вызывает облучение всего организма т.е. общее облучение. Меньшие изменения вызывает влияние в той же дозе на отдельные части организма - локальное (местное) облучение, при этом имеет значение, какие части организма облучаются. Наибольшие последствия вызывает облучение живота, а наименьшие - облучение конечностей.

4) Биологическое действие зависит от вида излучения (см. раздел “Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом”).

Следовательно, все виды ионизирующих излучений сами либо опосредствовано вызывают возбуждение, либо ионизацию атомов или молекул биосистем. Однако, при облучении объектов различными видами ионизирующих излучений в равных дозах возникают количественно, а иногда и качественно разнообразные биологические эффекты. Потому было введено понятие о относительной биологической эффективности (ОБЭ) ионизирующих излучений (см. раздел «Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом»).

5) Наличие скрытого периода действия радиации. Скрытым периодом называется промежуток времени, который охватывает период от момента облучения до появления изменений, которые регистрируются клинически. Длительность скрытого периода обратно пропорциональна поглощенной дозе. Чем больше доза, тем более короткий скрытый период. Необходимо иметь в виду, что скрытый период является понятием условным, чисто клиническим, потому что в действительности реакция на облучение развивается беспрерывно.

6) Свойство кумуляции - накопления. Если участок кожи облучить в дозе 1 Гр, то никаких визуальных изменений не будет. Если облучение повторять несколько дней подряд, возникнет эритема, если облучение ежедневно продолжать 2-3 месяца – некроз. Это происходит потому, что в тканях постепенно накапливаются небольшие изменения, которые вызываются каждым облучением, что в итоге приводит к большим повреждениям.

В формировании биологического эффекта особую роль играет функция систем, которые интегрируют организм - нервной, эндокринной и гуморальной (которая транспортирует по организму токсичные продукты, образующиеся в тканях в результате облучения) системы.

Нервные рецепторы испытывают влияния токсических продуктов, что приводит к нарушению процессов нервной регуляции, а возникновение цепных самоускоряющихся реакций в облученном организме предопределяет последующее развитие этапов лучевого поражения с характерной периодичностью развития патологического процесса.

Из вышесказанного возникают два важных положения:

Первое - взаимодействие ионизирующего излучения с живым веществом происходит по законам физики: сопровождается возбуждением и ионизацией атомов и молекул, а также первичными радиохимическими процессами (реакциями). Но это лишь первичное действие радиации.

Второе - ионизация атомов и молекул является лишь пусковым механизмом для вторичных процессов, которые развиваются в дальнейшем в живом организме по биологическим законам. Потому эффективность биологического действия ионизирующих излучений оценивается с точки зрения тяжести этих вторичных повреждений.