Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды. Кислородный эффект

На этой стадии происходит образование свободных радикалов. Свободные радикалы — это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбитали. Они являются весьма реакционноспособными, т. к. имеют тенденцию спаривать этот электрон с аналогичным электроном в другом свободном радикале, либо удалять его из атома путем электронного излучения. Следовательно, свободные радикалы могут быть как окислителями (акцепторами), так и восстановителями (донорами).

В основе первичных радиационно-химических изменений на данной стадии могут лежать 2 механизма действия ионизирующих излучений:

1. прямое действие — когда молекула претерпевает изменения непосредственно при взаимодействии с ионизирующим излучением;

2. косвенное действие — когда молекула непосредственно не поглощает энергию от ионизирующих излучений, а получает ее от других молекул.

Поскольку живая материя на 70–90 % состоит из воды, то большая часть энергии излучения первично поглощается именно молекулами воды.

Таким образом, в основе косвенного действия ионизирующего излучения лежит воздействие продуктов радиолиза воды на биомолекулы. Механизм радиолиза воды заключается в следующем.

При воздействии ионизирующего излучения в воде идут процессы ионизации или возбуждения. В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон, и образуется положительно заряженная молекула воды:

H₂O + h  H₂O⁺ + e^–{1}

Если энергии для ионизации недостаточно, то возможно образование возбужденной молекулы воды:

H₂O + h  H₂O* {2}

Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон {1} постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды:

H₂O + e^–  H₂O^– {3}

Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (H₂O⁺,H₂O^-,H₂O*) являются нестабильными и могут распадаться с образованием ионов и свободных радикалов:

H₂O⁺  H⁺ + OH^ {4}

H₂O^–  H^ + OH^– {5}

H₂O*  H^ + OH^ {6}

Кроме того, выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон e^–_aq, а затем может быть захвачен молекулой H₂O⁺ с образованием возбужденной молекулы воды:

H₂O⁺ + e^–_aq  H₂O*

Возбужденная молекула воды распадается на атомарный водород H^ и гидроксильный радикал OH^ {6}. Далее радикалы могут реагировать друг с другом. Это, в первую очередь, касается радикалов H^ и OH^, образующихся при распаде H₂O*, после реакции {2}:

H^ + H^  H₂

OH^ + OH^  H₂O₂

H^ + OH^  H₂O

Образовавшиеся радикалы могут вступать в реакцию с другими молекулами воды:

H₂O + H^  ОН^ + Н₂

Продукты радиолиза воды способны вырывать атом водорода из органических молекул, превращая их в радикалы:

RН + Н^  R^ + Н₂

RН + ОН^  R^ + Н₂О

Продукты радиолиза воды могут также реагировать с молекулами растворенного кислорода, в результате чего образуются перекисные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью:

Н^ + О₂  НО₂^ (гидроперекисный радикал);

О_{2 +} e^–_aq  О₂ ^ (супероксидный радикал)

В целом для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, образования радиотоксинов. К окислителям относят следующие продукты радиолиза воды:

ОН^, Н₂О₂ , НО₂^ , О₂ ^

К восстановителям относят: Н^ , e^–_{aq .}

Образование радиотоксинов происходит в результате реакции с хиноном и убихиноном.

Необходимо отметить, что в присутствии кислорода образуются дополнительные реакционноспособные радикалы, которые обладают выраженным поражающим действием. Кроме того, молекула кислорода обладает электронакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул — как бы фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их труднодоступными для репарации.

Следовательно, в присутствии кислорода отмечается усиление лучевого повреждения по сравнению с анаэробными условиями. Это явление известно в радиобиологии как кислородный эффект.

Количественной мерой кислородного эффекта служит коэффициент кислородного усиления. При облучении отдельных клеток он равен 3, т. е. в присутствии кислорода лучевое повреждение усиливается втрое.

Для проявления такого действия кислород должен присутствовать в клетке в момент облучения. Однако в дальнейшем кислород играет положительную роль: он необходим для нормальной работы системы репарации ДНК.

Таким образом, в формировании лучевого повреждения кислород ведет себя двояко: усиливая первичные процессы повреждения в момент воздействия излучения, он одновременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления после облучения.

Кислородный эффект зависит от ЛПЭ: с увеличением ЛПЭ он уменьшается и при действии, например, альфа-излучения исчезает.

На кислородном эффекте основаны методы управления тканевой радиочувствительностью, используемые в лучевой терапии опухолей – оксигенорадиотерапия и гипоксирадиотерапия.

Оксигенорадиотерапия (оксибарорадиотерапия). Во время сеанса лучевой терапии больной дышит чистым кислородом при нормальном или увеличенном в 2–3 раза атмосферном давлении. Напряжение кислорода в здоровых тканях при этом увеличивается незначительно (есть предел насыщения). В опухоли давление кислорода поднимается до такого же уровня, но, по сравнению с исходным уровнем, его содержание возрастает во много раз, следовательно, повышается и радиочувствительность опухолевой ткани.

Гипооксирадиотерапия. Во время сеанса лучевой терапии больной дышит гипоксической газовой смесью (содержание кислорода 7–10 % вместо 21 %). Напряжение кислорода в здоровой ткани уменьшается, а в опухоли останется прежним, что позволяет повысить дозу облучения на опухоль.