Формирование лучевого поражения

Физическая стадия взаимодействия

Первая - чисто физическая стадия взаимодействия, протекающая за миллиардные доли секунды, состоит в передаче части энергии фотона (частицы) одному из электронов атома с последующей ионизацией и возбуждением атомов (молекул). Ими могут в равной степени оказаться белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, вода, различные низкомолекулярные органические и неорганические соединения.

Ионам и возбужденным атомам, обладающим избыточной энергией, заимствованной у фотона (частицы) высокой энергии, в силу этого свойственна повышенная химическая реактивность, они способны вступать в такие реакции, которые невозможны для обычных, невозбужденных атомов (молекул).

Физико-химическая стадия взаимодействия

физико-химическая стадия взаимодействия. Имеет значение наличие в облучаемой системе воды и кислорода. Если их нет, возможности химического воздействия активированных радиацией атомов ограничены, локализованы. В присутствии воды возникают положительно заряженные ионы воды Н₂0⁺ и растворенные в воде (гидратированные) электроны: е^-гидр. Присоединяясь к одной из нейтральных молекул, е^- гидр. образует Н₂0^-. В присутствии растворенного кислорода эти активные продукты облучения легко с ним реагируют, образуя такие более долгоживущие и химически активные формы, как свободные радикалы: гидроксильный (гидроперекисный) ОН, супероксидный 0₂, гидропероксид НО₂, а также перекись водорода Н₂О₂. Гидроксильный радикал (ОН) – наиболее реакционноспособная АФК.

Кроме того, в результате радиационно-химических реакций образуются и другие активные формы кислорода (АФК) – атомарный кислород и кислород в возбужденной форме – синглетный кислород (¹О₂). Указанные продукты – сильные окислители органических веществ биосубстрата.

Супероксидный анион активно взаимодействует с NO-радикалом (эндогенным оксидом азота, его также рассматривают как первичную АФК) с образованием пероксинитрит-аниона (ONOO^-). Время жизни этого продукта на один-два порядка больше, чем NO-радикала, что, соответственно, увеличивает радиус диффузии пероксинитрита в биосредах.

Свободные радикалы являются нейтральными (незаряженными) атомами или молекулами с непарными электронами; исключительно реактивны.

Химическая стадия лучевого воздействия

1. Третья - химическая стадия лучевого воздействия длится, как правило, несколько секунд. На этой стадии появляются биохимические повреждения биологически важных макромолекул (нуклеиновых кислот, липидов, белков, углеводов). Образовавшиеся в результате поглощения энергии ионизирующих излучений ионы и свободные радикалы взаимодействуют между собой и с окружающими молекулами.

2. При воздействии продуктов радиолиза воды на аминокислоты, белки, углеводы, нуклеотиды, фосфолипиды, ДНК образуются органические свободные радикалы.

Наибольшей радиочувствительностью отличаются фосфолипиды, составляющие структурную основу клеточных мембран.

Образующиеся под влиянием облучения радикалы полиненасыщенных жирных кислот взаимодействуют с кислородом с образованием гидроперекисей и нового свободного радикала, что поддерживает цепной характер реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ).

В результате цепных реакций липопероксидации образуются алкоксил- и пероксилрадикалы, гидропероксиды и другие молекулярные продукты ПОЛ, обладающие способностью окислять практически любые биомакромолекулы (ДНК, белки и др.).

Химическая стадия лучевого воздействия

1. наибольшим значением для дальнейшей судьбы облученной клетки обладают процессы, происходящие в молекулах ДНК, белков и фосфолипидов.

2. Радиационные повреждения ДНК происходят в результате ее радиолиза – нарушения структуры азотистых оснований, появление одно- и двухнитевых разрывов ДНК, щелочнолабильных сайтов, сшивок ДНК-белок, меж- и внутримолекулярных сшивок.

Химическая стадия лучевого воздействия

1. В белковых макромолекулах облучение может приводить к разрыву пептидной связи и образованию амида, кетокислоты и гидроперекисного радикала. В условиях доступа О₂ и Н₂О происходит нарушение пептидной цепи (разрыв дисульфидных мостиков, водородных связей, отщепление аммиака, сероводорода, окисление сульфгидрильных групп и ароматических аминокислот); образование сшивок между пептидными цепями, нарушение вторичной и третичной структуры белков, что изменяет его функции (ферментативную, гормональную, рецепторную). Образование свободных радикалов влечет за собой изменение структуры белка, что приводит к нарушению его функций (ферментативной, гормональной, рецепторной и др.).

Химическая стадия лучевого воздействия

1. Критическими внутриклеточными структурами при действии ионизирующего излучения также являются мембраны: изменения в протеинах и липидах, которые участвуют в образовании биомембран, могут повысить их проницаемость для различных молекул. В лизосомах это ведет к неуправляемому выбросу каталитических энзимов в клетку, что приводит к катастрофическим последствиям. Нарушение оболочки ядра может воздействовать на деление клеток и, тем самым, на ее жизнеспособность.

Биологическая стадия лучевого поражения

гибель по репродуктивному или интерфазному типу;

остановка деления;

возникновение «скрытых» (долгоживущих) повреждений различных структур клетки, проявляющихся в виде нарушений ее функций или передающихся по наследству потомству;

полная репарация возникших повреждений, сохранение жизнеспособности и восстановление пролиферации.

В основе молекулярных механизмов интерфазной гибели клеток лежат не только повреждения ядерного хроматина, но и нарушения структуры и функции цитоплазматических мембран, приводящие к изменениям их барьерно-матричных свойств.

Биологическая стадия лучевого поражения

1. Причиной репродуктивной формы гибели клеток в большинстве случаев являются структурные хромосомные повреждения (аберрации). Обломки хромосом могут соединяться неправильно: нередко отдаленные их фрагменты утрачиваются при митозе. Возможно образование мостов между хроматидами – тогда клетка не может разделиться и гибнет.

2. Отражая летальное действие радиации, репродуктивную гибель клеток, частота поломок хромосом обратно пропорциональна выживаемости клеток, поэтому подсчет аберраций хромосом широко используется радиобиологами для оценки дозы радиации, полученной

В репродуктивной гибели решающее значение имеет лучевое повреждение хроматина, прежде всего ДНК. Под влиянием радиации возникают одно- и двунитиевые разрывы в молекуле ДНК. В обоих случаях нарушается пространственная структура хроматина и считывание (транскрипция) наследственной информации.

Одиночные разрывы не вызывают поломок молекулы ДНК – вторая нить удерживает концы разорванной первой нити вблизи друг друга, облегчая их восстановление, сшивание репаративными системами. При двойном разрыве концы расходятся, их репарация затруднена.

Биологическая стадия лучевого поражения

1. В жизненном цикле клетки наибольшая радиочувствительность в процессе митоза. Дело в том, что деятельность систем внутриклеточного восстановления к началу митоза полностью прекращается, и все повреждения ДНК, оставшиеся нерепарированными. Во время митоза хромосомы концентрируются, что затрудняет доступ ферментов репарации к поврежденным участкам молекулы ДНК.

Биологическая стадия лучевого поражения

На протяжении G1-фазы наиболее полноценно функционируют системы внутриклеточной репарации.

Поэтому радиочувствительность таких клеток минимальна. В медленно обновляющихся клеточных системах G1-фаза может длиться неделями и даже годами.

В S-фазе репаративные системы либо не работают, либо функционируют слабо. В G2-фазе функционируют системы пострепликативной репарации, эффективность которых, по-видимому, ниже, чем в G 1-фазе.

В итоге большинство клеток млекопитающих наиболее чувствительны к радиации в конце G1-фазы, перед началом синтеза ДНК и перед вступлением в митоз, в самом конце G2-фазы.

Основные факторы, модифицирующие радиочувствительность

Радиочувствительность – способность биологических объектов реагировать на действие ионизирующих излучений процессами деструкции и нарушением функций.

Закон Бергонье и Трибондо, сформулированный в 1902 году. наиболее чувствительные к ионизирующему излучению клетки:

а) находящиеся в момент облучения в процессе активного деления;

б) проходящие многие трансформации в своем жизненном цикле;

в) не имеющие четкой специализации по своей структуре и функциям.

Исключением являются лимфоциты и ооциты.

Кислородный эффект

На радиочувствительность существенное влияние оказывает и кислородный эффект. При падении рО2 ниже 20 мм рт. ст. клетки более устойчивы к действию радиации, чем при более высоком парциальном давлении кислорода. В реализации «кислородного эффекта» облучения важнейшую роль играют: активные формы кислорода (АФК), активные соединения азота (АСА) и продукты ПОЛ.

Кроме того, в присутствии кислорода уменьшается возможность репарации свободных радикалов SH-группами.

Радиопоражаемость

В целом, закономерности лучевого поражения организма определяются двумя факторами:

Радиочувствительностью тканей, органов и систем, существенных для выживания организма.

Величиной поглощенной дозы излучения и ее распределением в пространстве и времени.

Очень важно различать эффекты излучения детерминированные и стохастические.

Биологические эффекты ионизирующего излучения

Эффекты излучения детерминированные – клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от дозы.

Эффекты излучения стохастические – вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, не имеющие дозового порога возникновения, вероятность возникновения которых пропорциональна дозе, и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы.

Зависимость эффектов от дозы

Выше ПРФ и до 0,2 Зв – возможны стохастические эффекты.

0,2 – 1,0 Зв возникают патофизиологические сдвиги в защитных и адаптационных системах организма.

1,0 Зв тотального облучения . Возникают симптомы костномозговой формы лучевой болезни – рвота, тошнота, общая слабость.

4 Зв тотального облучения. 50% умирают от костномозговой формы.

10 Зв тотального облучения - 100% смертельных исходов Начинают проявляться осложнения желудочно-кишечного синдрома. Предел для успеха лечения.

50 Зв тотального облучения. Доминирует синдром сердечно-сосудистой/центральной нервной систем. Смертность составляет 100% в течение нескольких дней (24-72 часа).

Биологические эффекты ионизирующего излучения

Основные проявления лучевого поражения организма связано с поглощенной дозой в «критических органах». Под «критическими органами» понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения.

Для целей радиационной защиты, согласно рекомендациям МКРЗ принято допущение, что стохастические эффекты имеют беспороговую линейную зависимость.

Лучевые реакции и лучевые поражения

К ранним лучевым поражениям относят те, которые возникают в течение первых трех месяцев после облучения, к поздним – позже трех месяцев после окончания лучевого воздействия.

Лучевыми реакциями принято называть такие изменения в тканях, которые последующие 2-3 недели после облучения проходят без специального лечения. Примером может служить эритема кожи.

К лучевым повреждениям относятся органические и функциональные изменения органов и тканей, которые требуют специального лечения.

Виды поражающего излучения:

γ-лучи;

рентгеновское излучение;

нейтронное излучение;

α- излучение;

β-излучение.

Расположение источника

В зависимости от расположения источника излучения различают облучение:

внутреннее – от радионуклидов внутри тела;

контактное – от радионуклидов на коже и слизистых оболочках;

внешнее (дистанционное) – от удаленного источника.

сочетанное – от различно расположенных источников

Общее и локальное облучение

Внешнее облучение может быть общим и локальным. Если при общем облучении различия в дозах, поглощенных различными областями тела, меньше 10-15%, говорят о равномерном облучении, при больших различиях – о неравномерном.

Под локальным облучением понимают облучение отдельных органов или их частей, а также отдельных анатомических образований. Неравномерное распределение дозы может произойти из-за эффекта экранирования отдельных областей тела или в результате внутреннего поглощения при прохождении излучения через толщу тканей.

Контактное облучение также может быть неравномерным и локальным.

По общей продолжительности набора дозы выделяют облучение:

кратковременное – непрерывное или с непродолжительными перерывами относительно высокой дозой, продолжительностью до 4 суток;

пролонгированное – непрерывное или с непродолжительными, перерывами относительно низкой дозой, продолжительностью от 4 суток до нескольких недель;

фракционированное – дробное облучение, в перерывах между воздействиями организм успевает частично компенсировать патологический процесс.

Острая лучевая болезнь

Острая лучевая болезнь представляет собой самостоятельное заболевание, развивающееся в результате однократного кратковременного (до нескольких суток) облучения значительных областей тела ионизирующей радиацией. Предельной поглощенной дозой облучения, при которой еще не развивается острая лучевая болезнь, считается доза до 1 Гр на костный мозг.

Острую лучевую болезнь подразделяют на четыре степени тяжести соответственно поглощенным дозам облучения: легкая (доза около 1 Гр – 2 Гр), средняя (доза около 2 Гр – 4 Гр), тяжелая (доза около 4 Гр – 6 Гр) и крайне тяжелая (доза более 6 Гр). В развитии острой лучевой болезни отмечается три периода: период формирования, период восстановления и период исходов и последствий. Эта периодизация приемлема для диапазона доз 1 Гр – 10 Гр. Период формирования острой лучевой болезни состоит из четырех фаз: фаза первичной реакции, фаза кажущегося клинического благополучия (латентная, или скрытая фаза), фаза выраженных клинических проявлений (фаза разгара болезни), фаза непосредственного восстановления.