Биологическое действие излучений

Радиация вредна для жизни. Малые дозы облучения могут «запустить» цепь событий, приводящих к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация способна разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной гибели организма. Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, проявляются в течение нескольких часов или дней, раковые заболевания — спустя много лет после облучения, врожденные пороки развития, вызываемые повреждением генетического аппарата, — лишь в следующем или последующих поколениях.

Чувствительность разных биологических материалов к действию ионизирующего излучения существенно различна. 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 действии ионизирующих излучений характеризует степень их радиорезистентности, т. е. устойчивости к радиации.

Радиочувствительность — восприимчивость клеток, тканей или живых организмов к действию ионизирующих излучений. Мерой радиочувствительности служит доза излучения, вызывающая гибель 50% особей (ЛД50). Организмы сильно различаются по радиочувствительности. Так, ЛД50 для собак составляет 2,5 грей (Гр), для человека — 2,5—3,5 Гр, для мышей — 6—15 Гр, для птиц и рыб — 8—20 Гр, для змей — 80—100 Гр, для насекомых — 10—100 Гр, для растений — 10—1500 Гр.

Радиорезистентность — устойчивость живых организмов к действию ионизирующих излучений.

Наибольшей радиочувствительностью обладают половые клетки, белые кровяные тельца, костный мозг, селезенка и лимфатические узлы. Весьма чувствителен также эндотелий желудочно-кишечного тракта, а также центральная нервная система. Костная и мышечная ткани наиболее радиорезистентны. Радиочувствительность клеток зависит от их физиологического состояния: при усилении функциональной активности она повышается. У клеток, находящихся в начальной стадии усиленного деления, радиочувствительность наиболее высока. Среди зрелых форм клетки радиочувствительность тем меньше, чем старее клетка.

Эффекты действия ионизирующих излучений на живой организм делят на пороговые, т. е. детерминистские (нестохастические) и на беспороговые вероятностные (стохастические).

Эффекты облучения 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.

Биологическое воздействие обычно пропорционально радиационной поглощенной дозе. Для возникновения детерминированных эффектов необходимо превышение определенной дозы, после которой могут возникнуть такие проявления, как лучевая болезнь, поражение кожи, катаракта. Тяжесть развития этих эффектов зависит от степени превышения пороговой дозы облучения.

Эффекты облучения стохастические (вероятностные или беспороговые) — 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.

К числу беспороговых стохастических эффектов радиации относятся злокачественные новообразования и наследственные изменения. Здесь от дозы зависит только вероятность их возникновения, но не тяжесть заболевания.

В зависимости от вида излучений, дозы облучения и его условий возможны различные виды лучевого поражения. Это острая лучевая болезнь (ОЛБ), хроническая лучевая болезнь, различные клинические формы с преимущественно локальным поражением отдельных органов, которые могут характеризоваться острым или хроническим течением; это отдаленные последствия, например возникновение злокачественных опухолей, катаракты, стерильности, склеротических изменений.

Тяжесть поражения организма зависит от того, получает ли организм одну и ту же дозу сразу, в течение нескольких минут или часов (острое облучение), или в несколько приемов (дробное, пролонгированное облучение), или в течение месяцев или лет (хроническое облучение). Большинство органов успевает в той или иной степени залечить радиационные повреждения и поэтому организм лучше переносит серию мелких доз и хроническое облучение, нежели суммарную дозу облучения, полученную за один прием. Эквивалентная доза в 5 Зв, полученная за короткое время при облучении всего организма, приводит к смертельному исходу. Однако такая же доза, полученная человеком равномерно в течение всей его жизни, не приводит к видимым изменениям его состояния.

Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п. Дети гораздо более чувствительны к действию радиации, чем взрослые. Это относится как ко всему организму, так и к отдельным органам. Так, сравнительно небольшие дозы, применяемые в лучевой терапии, могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей, что приводит к развитиям аномалий скелета. Многие органы взрослого человека переносят без существенных изменений весьма большие лучевые нагрузки: легкие — до 10 Гр, почки — до 20 Гр, печень — до 40 Гр, мочевой пузырь — до 55 Гр, зрелая хрящевая ткань — до 70 Гр.

Очень большие дозы облучения, порядка 100 Гр, вызывают настолько сильное поражение центральной нервной системы, что смерть наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах в десятки грей поражение центральной нервной системы приводит к гибели человека через 1—2 недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. При дозах от 5 до 10 Гр может не произойти серьезных повреждений желудочно-кишечного тракта, тем не менее смерть наступает в течение месяца с момента облучения из-за разрушения клеток красного костного мозга. От дозы 3—5 Гр возникает тяжелая лучевая болезнь с резким нарушением кроветворной функции костного мозга и других органов, при которой в течение одного-двух месяцев погибает половина облученных. При дозах 1—2 Гр возникает легкая или средней тяжести лучевая болезнь: все облученные могут быть спасены и даже со временем полностью вылечены.

Естественные источники ионизирующего излучения (космические лучи, естественная радиоактивность почвы, воды, воздуха, а также радиоактивность, содержащаяся в теле человека) создают в среднем мощность эквивалентной дозой 0,125 Гр в год.

Гораздо лучше переносит организм локальные облучения, хотя при этом важно, какой орган или система оказались в поле облучения и какая на них воздействовала доза. При местном облучении, например с целью лечения злокачественных опухолей, применяют (при защите всего организма) высокие дозы (60—100 Гр за 3—4 недели) у-лучей.

При взаимодействии ионизирующего излучения с живыми тканями в организме зарождаются активные центры радиационно-химических реакций. Излучение может поглощаться макромолекулами белков, нуклеонротеидов, структурами внутриклеточных мембран. В этом случае говорят о прямом действии излучения. Поскольку у человека основную часть массы тела составляет вода (около 75%), первичные процессы определяются поглощением излучения водой клеток и ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении радикалов ОН и Н*. Последующее повреждение биомолекул химически активными продуктами радиолиза воды называют непрямым (косвенным) действием излучения. В зависимости от величины поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма изменения могут быть обратимыми или необратимыми.

Из многих начальных повреждений наибольшее важны повреждения структур ДНК и внутриклеточных мембран. Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), представляющие главную часть наследственного вещества, имеют нитевидную форму в виде двойных спиралей. При облучении нити ДНК резко скручиваются, нарушается спиральное строение молекулы. Одновременно происходит разрушение двойных спиралей ДНК и внутримолекулярная полимеризация, раскрытие двойных спиралей, разветвление и т. п.

Повреждения внутриклеточных структур приводят к изменению метаболических процессов в клетках, следствием чего является появление новых нарушений уже после окончания воздействия радиации. Например, нарушения строения нуклеотидов и их последовательностей в ДНК и РНК ведут к дефициту необходимых для нормальной жизнедеятельности продуктов матричного синтеза, а также к наработке несвойственных клетке, «чужих» для нее продуктов. Нарушение структуры ферментов приводит к замедлению ферментативных реакций, накоплению аномальных метаболитов, часть которых имеют свойства токсинов. В результате возникают различные нарушения и даже гибель клетки. Однако возникшие повреждения могут быть залечены с восстановлением нормальной жизнедеятельности клетки. Чем выше доза облучения, тем больше возникает первичных повреждений и тем меньше возможность их полного восстановления.

Количество повреждений ДНК, возникающих в результате облучения, достаточно велико. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр в каждой клетке человека возникает 1000 одиночных и 200 двойных разрывов. Каждое из этих событий могло бы иметь фатальные последствия, если бы не существовало системы, способной ликвидировать большинство возникших повреждений ДНК. Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих восстановление начальных повреждений ДНК, обусловлено необходимостью поддержания стабильности генома, восстановления от постоянно возникающих повреждений ДНК в результате воздействия радиационного фона, присутствия в среде химических мутагенов, нарушений, случайно возникающих в процессе жизнедеятельности клеток.

Еще одним важным для организма результатом лучевого повреждения ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала — мутаций, следствием которых может быть злокачественное перерождение соматических клеток (клеток тела) или дефекты развития у потомства. Вызванное облучением повреждение ДНК и процесс восстановления ее повреждений способствуют внедрению в геном клетки или активации онковирусов, ранее существовавших в геноме в репрессивном состоянии.

Другая мишень действия радиации на клетки — внутриклеточные мембраны. Активация под влиянием облучения реакций свободнорадикального перекисного окисления липидов приводит к деструктивным изменениям мембран, к нарушениям активного транспорта веществ через мембраны, снижению ионных градиентов в клетке, к выходу ферментов из мест их локализации, поступлению их в ядро и к гибели клетки.

После разрушения клеток в ткани начинают ускоренно делиться здоровые клетки, восполняя утерянные. Однако регенерирующим способностям тканей есть предел. Пока доза облучения разрушает клетки в рамках регенеративных способностей ткани, еще не заметно действие радиации, но как только доза вызывает разрушение клеток в количестве, превышающем регенеративные способности ткани, она не справляется со своими функциями так, что начинают проявляться функциональные расстройства. Это — порог дозы, после которого появляются детерминированные эффекты. Тяжесть этих эффектов прямо зависит от дозы облучения (табл. 8.4).

При низких дозах эти эффекты непродолжительны, но при больших дозах они носят устойчивый характер. При облучении в дозе более 1 Зв развивается лучевая болезнь легкой степени, при дозе 2 Зв — средней тяжести, при дозе свыше 3 Зв — тяжелая форма, при дозе более 4 Зв — крайне тяжелая форма, а доза разового облучения на все тело 6 Зв считается смертельной. К детерминированным эффектам можно отнести еще и лучевые ожоги. Наиболее тяжело проявляются последствия облучения всего тела по сравнению с облучением отдельных частей тела или органов. При этом чем меньше время, за которое получена доза, тем тяжелее лучевое поражение. Например, доза в 2,5 Зв за сутки приведет.

Таблица 8.4

Воздействие различных доз облучения на человеческий организм

к развитию острой лучевой болезни средней тяжести, а равномерно растянутая на 50 лет не вызовет никаких изменений.

Пороговые (детерминированные) эффекты возникают, когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов.

При облучении возникают незлокачественные локальные повреждения кожи — лучевой ожог, катаракта глаз, повреждение половых клеток и др. Время появления максимального эффекта также зависит от дозы: чем выше доза, тем быстрее наступают последствия. Нестохастические эффекты проявляются лишь при высоком или аварийном облучении всего тела и отдельных органов, причем порог возникновения эффекта зависит и от того, какой орган подвергся облучению.

Стохастические (вероятностные) эффекты, такие как злокачественные новообразования, генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облучения. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность их появления. Для количественной оценки частоты возможных стохастических эффектов принята гипотеза о линейной беспороговой зависимости вероятности отдаленных последствий от дозы облучения с коэффициентом риска, примерно равным 7 • 10 ² Зв.

Основными стохастическими эффектами являются канцерогенные и генетические. Поскольку эти эффекты имеют вероятностный характер и длительный скрытый период, измеряемый годами и десятками лет после облучения, они трудно обнаруживаемы. К канцерогенным эффектам относятся поражения крови, кроветворных органов, новообразования и опухоли. Генетические эффекты — врожденные физические и психические уродства — возникают в результате мутаций и других нарушений в половых клеточных структурах, ведающих наследственностью. Выход обоих эффектов мало зависит от мощности дозы, а определяется суммарной накопленной дозой.

Лучевая болезнь — заболевание, возникающее в результате воздействия различных видов ионизирующих излучений и характеризующееся симптомами, зависящими от вида поражающего излучения, его дозы, локализации источника радиоактивных веществ, распределения дозы во времени и теле человека.

У человека возможны молниеносная, острая, подострая и хроническая лучевая болезнь, которая проявляется поражением органов кровотворения, нервной системы, желудочнокишечного тракта и др.

При однократном облучении дозы радиационного воздействия, ведущие к развитию лучевой болезни, равны: для общего облучения 1 Зв, а для местного — 10 Зв. При продолжительном общем облучении острая лучевая болезнь развивается при дозах 1 — 1,5 Зв. Здесь ведущая роль принадлежит прямому радиационному поражению клеток критических систем организма. В зависимости от дозы облучения в роли критических выступают разные системы, что и определяет клиническую форму. Какая система окажется критической, зависит как от уровня ее радиочувствительности, так и от скорости развития смертельных исходов при повреждении данной системы.

Особенностью воздействия ионизирующего излучения является его онкогенная направленность. Рак — наиболее серьезное из всех последствий облучения человека при малых дозах. Обширные обследования, охватившие 100 000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, показали, что рак является единственной причиной повышенной смертности в этой группе населения. Рак развивается спустя 10—20 лет у незначительного числа людей, подвергшихся облучению, но каждый облученный имеет дополнительный шанс заболеть раком, что зависит от полученной дозы.

Комитет по изучению радиационных эффектов при ООН (НКДАР) в своих оценках опирается на два основных допущения. Согласно первому: не существует никакой пороговой дозы, за которой отсутствует риск заболевания раком. Любая сколь угодно малая доза увеличивает вероятность заболевания раком для человека, получившего эту дозу, и всякая дополнительная доза облучения еще более увеличивает эту вероятность. Второе допущение заключается в том, что вероятность, или риск, заболевания возрастает прямо пропорционально дозе облучения: при удвоении дозы риск удваивается, при получении трехкратной дозы утраивается и т. д. При таком допущении возможна переоценка риска в области малых доз, но невозможна его недооценка.

Существуют факторы, способные изменять радиочувствительность клеток, тканей и организма в целом. Они называются радиомодифицирующими агентами.

Радиомодификация — искусственное ослабление или усиление реакций биологических объектов на действие ионизирующих излучений; способ управления радиочувствительностью с помощью изменения условий, в которых происходит облучение того или иного организма.

Радиобиологическим эффектом можно управлять двумя способами: введением в организм чуждых ему веществ (например, радиопротекторов) и направленным стимулированием защитных функций организма (введение веществ, свойственных данному организму, гипоксия и др.).

Радиозащитные средства — средства защиты от поражающего действия ионизирующего излучения. Они могут быть химическими, биологическими или физическими.

К настоящему времени апробированы тысячи препаратов в поисках эффективных модификаторов лучевого поражения. Некоторые из них ослабляют поражение при введении в организм до облучения, но они неэффективны в пострадиационный период. Такие препараты получили общее название радиопротекторов. Сейчас неизвестны вещества, способные полностью защитить человека от действия излучения, но есть частично защищающие организм от излучения. К ним относятся азид и цианид натрия, вещества, содержащие сульфгидрильные группы и др.

Радиопротекторы — вещества,

введение

которых перед облучением в среду с биологическими объектами или в организм животных и человека снижает поражающее действие ионизирующего излучения.

Относясь к веществам равных химических классов и обладая различными механизмами противолучевого действия, они имеют сходство в характере влияния на клеточный метаболизм: введенные в радиозащитных дозах, эти препараты всегда отклоняют его параметры за пределы физиологической нормы. «Биохимический шок» обусловливает высокую токсичность радиопротекторов при введении в радиозащитных дозах, особенно при их многократном введении.

Радиопротекторы частично предотвращают возникновение химически активных радикалов, которые образуются под воздействием излучения. Некоторые из них вступают в химическую реакцию с попадающими в организм радиоактивными изотопами и нейтрализуют их, образуя нейтральные вещества, легко выводимые из организма. Одни радиопротекторы действуют в течение короткого промежутка времени, время действия других более длительное.

Радиопротекторы — достаточно вредные для организма вещества, поэтому им ищут замену, в частности, на вещества, имеющие сродство к организму. В ходе поиска менее токсичных препаратов, пригодных для систематического приема, были получены препараты, дающие небольшой, но зато не сопряженный с неблагоприятным побочным действием радиозащитный эффект. Такие противолучевые препараты выделены в самостоятельную группу средств повышения радиорезистентности организма. Препараты, влияющие на развитие начальных этапов лучевого поражения и тем самым ослабляющие его тяжесть при введении в ранние сроки после облучения, называются «средствамиранней патогенетической терапии лучевых поражений». В отдельную группу выделяют средства борьбы с проявлениями первичной реакции на облучение.

Некоторые пищевые вещества обладают профилактическим радиозащитным действием или способностью связывать и выводить из организма радионуклиды. К ним относятся полисахариды (пектин, декстрин, липополисахариды, находящиеся в листьях винограда и чая), фенильные и фитиновые соединения, этиловый спирт, жирные кислоты, микроэлементы, витамины, ферменты, гормоны. Радиоустойчивость организмов повышают некоторые антибиотики и наркотики.

К радиозащитным соединениям относятся витамины группы В и С. Сама аскорбиновая кислота не обладает защитным действием, но она усиливает действие витаминов В и Р. Совместное действие витаминов Р и С восстанавливает нормальную эластичность и проницаемость стенок кровеносных сосудов. Витамины В1, ВЗ, В6, В12 улучшают регенерацию кроветворения, ускорение восстановления эритроцитов и лейкоцитов. Если излучение снижает свертываемость крови, то витамины Р и К1 нормализуют протромбиновый индекс. Повышает устойчивость организма к развитию лучевой болезни парааминобензойная кислота.

Существуют вещества, внутриклеточное содержание которых усиливает радиобиологический эффект. Это кислород, гидроперекиси липидов, группа хинонов и др. Целенаправленное изменение эндогенного фона радиорезистентности важно в условиях длительного облучения организма, когда предъявляются повышенные требования к безвредности применяемых радиозащитных средств.