Воздействие ионизирующего излучения

Повреждения, вызванные в организме излучением, зависят от энергии, переданной тканям, клеткам. При этом отдельные клетки и ткани подвергаются значительным изменениям. Смысл радиационного воздействия сводится к следующему: проникающие в ткани организма альфаи бета-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. За время порядка десяти триллионных доли секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответствующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходно нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы.

Этапы радиационного воздействия можно резюмировать логической схемой: поглощение энергии (физический этап) — образование свободных радикалов (химический этап) — первичное действие излучений (прямое и косвенное) — биомолекулярные повреждения (изменение белков, липидов ит.д.) — биологические изменения (гибель клеток ит.д.) — физиологические изменения (нарушение функций ит.д.). Эффект воздействия ионизирующего излучения может длиться от долей секунды до столетий. По характеру взаимодействия с веществом ионизирующие излучения делятся на прямо и косвенно ионизирующие. Первые представляют собой заряженные частицы (электроны, протоны, альфа-частицы), которые ионизируют атомы вещества, вторые — рентгеновское, гамма-излучение. Ионизирующее излучение обладает высокой биологической активностью. Оно способно разрывать любые химические связи и индуцировать длительно протекающие реакции. Первичное действие ионизирующих излучений на организм бывает непосредственным и косвенным.

Непосредственное (прямое). Расщепление атомов и молекул вещества. Отрыв электронов от атомов, образование ионов, возникновение возбужденных атомов, появление радикалов. Активные молекулы и обломки молекул индуцируют различные реакции. Наблюдается повреждение комплексов клеток. Ранние физиологические эффекты, генетические и соматические мутации.

Косвенное (непрямое). Расщепление молекул воды с образованием свободного водорода и пероксидов. Последние вступают в реакции с белковыми и липидными молекулами. В результате происходят структурные изменения тканей и клеток. Биохимические повреждения. Гибель тканей, повреждение РНК, ДНК и пр. гибель клеток. Гибель организма. Считается, что эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н^*, ОН*, НО₂*. Последний обладает высокой окислительной способностью, образуется при облучении воды в присутствии кислорода. Выход этого радикала уменьшается пропорционально падению парциального давления кислорода. Этим объясняется кислородный эффект при облучении, проявляющийся в том, что при снижении концентрации кислорода в период облучения уменьшается эффект лучевого воздействия.

Живая ткань содержит 65−70% воды, которая и подвергается ионизации в первую очередь. Она поглощает значительную часть энергии. Образующиеся свободные радикалы впоследствии оказывают действие на другие клетки организма. Они переносят энергию на важные биомолекулы, что ведет к изменениям на различных уровнях биологической организации (от молекул до целостного организма). Возникающие в результате взаимодействия излучений с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений, давая начало вторично-радикальным продуктам. Время жизни этих продуктов значительно больше по сравнению с первичными радикалами. Дальнейшие этапы развития радиационного поражения сводятся к изменениям белков, липидов и углеводов. Это приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур (нитей хроматина), разрыву углеродных связей, нарушению ферментативных систем, синтеза ДНК, белка. Нарушаются обменные процессы в организме. Замедляется рост тканей, гибнут клетки. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что, естественно, приводит к преждевременному старению.

Образующиеся при действии ионизирующих излучений на липиды пероксиды ведут к гибели клеток и развитию лучевого поражения. При облучении организма отмечается снижение содержания липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови, что, по-видимому, связано с изменениями углеводного обмена.

Поврежденные белки и нуклеиновые кислоты нарушают физиологические процессы. В результате радиационного поражения уменьшается молекулярная масса белков, изменяется растворимость, нарушается структура. Состоящие из белков ферменты утрачивают способность выполнять специфические реакции.

Существенные изменения наблюдаются в ядре клетки. Особо чувствительными являются молекулы ДНК, отвечающие за рост и деление клеток. Отмечается торможение синтеза ДНК; однонитчатые и двунитчатые разрывы, приводящие к хромосомным аберрациям. Имеют место генные мутации. При однонитчатых разрывах и других незначительных повреждениях могут идти репаративные (восстановительные), процессы. Поражения ядра приводит к синтезу измененных белков (в результате поражения РНК), которые впоследствии приводят к образованию злокачественных опухолей, вторичных радиотоксинов, вызывающих старение и лучевую болезнь.

Наиболее опасными повреждениями клетки, возникающими при облучении, являются нарушения механизма митоза и хромосомного аппарата. Количество клеток с такими повреждениями находится в прямой зависимости от дозы облучения, блокирования процессов физиологической регенерации и пролиферации облученных тканей. Блокирование осуществляется лекарственными препаратами, которые принимаются до облучения и тем самым снижают действие излучения на клетки.

Функциональные повреждения клеток вызывают развитие большинства конечных эффектов воздействия ионизирующего облучения на организм. Изменения на клеточном уровне приводят к нарушению наследственных структур. Проявления этого поражения являются подавление органогенеза в эмбриональной стадии развития, угнетения гомопоэза во взрослом организме, подавление сперматогенеза и овогенеза, угнетение иммунореактивности.

Опасными являются и поражения цитоплазматических структур. С нарушением клеточной мембраны связаны изменения проницаемости клетки и поступление необходимых продуктов обмена. Радиационное поражение ЭПР приводит к уменьшению синтеза белков. Повреждение лизосом приводит к цитолизу, высвобождению ферментов, способных вызывать изменения нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов. Нарушение структур и функций митохондрий снижает уровень энергетических процессов клетки. К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование, которое ведет к нарушению системы генерирования АТР, что в дальнейшем ведет к нарушению энергетики клетки и лучевой болезни.

На процесс радиационного поражения влияет ряд факторов: доза облучения, вид излучения, время экспозиции, мощность поглощенной дозы и др. очень большие дозы вызывают гибель клеток в результате огромных нарушений всех субклеточных структур и невозможности их восстановления. При меньших дозах цитолиз не происходит, но снижается репродуктивная способность. Все процессы, происходящие на клеточном уровне, подчиняются биологическим законам жизни клеток как целостной, сложно функционирующей биосистемы.

Радиобиологический закон выделяет два типа клеток:

• а) радиочувствительные (делящиеся клетки и малодифференцированные ткани). Это кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и кожный эпителий;
• б) радиорезистентные (неделящиеся клетки и дифференцированные ткани) — мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки. Исключение в этом списке составляет лимфоциты, которые, обладают высокой чувствительностью к ионизирующему излучению. На клеточном уровне репарация (восстановление) длится до нескольких часов. Может наблюдаться остановка деления, приводящая к гибели клеток, трансформация клеток в злокачественные.

Оценивая биодействие ионизирующих излучений на организм, разграничивают соматические, соматико-стохастические и генетические последствия облучения. Первые касаются лишь облученного организма. Вторые (случайные, вероятностные эффекты) — это сокращение продолжительности жизни, лейкоза (через 5−7 лет после облучения); катаракты (через 5−8 лет); развитие опухолей органов и тканей (через15−30 лет). Генетические эффекты в большинстве случаев не опасны для данного индивидуума, но могут проявиться в последующих поколениях.

Большинство тканей взрослого организма относительно мало чувствительны к действию радиации. Почки выдерживают суммарную дозу около 23 Гр, полученную в течение 5 недель, печень — 40 Гр, мочевой пузырь — 55 Гр, зрелая хрящевая ткань до 70 Гр за месяц. Однако некоторые ткани и органы очень чувствительны. Крайне чувствительны к действию радиации детский организм. Относительно небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут замедлить или вовсе остановить рост костей. Чем меньше возраст ребенка, тем сильнее подавляется рост костей. Доза в 10 Гр, полученная в течение нескольких недель, бывает достаточной, чтобы вызвать аномалии развития скелета. Облучение мозга ребенка может вызвать изменения в его характере, привести к потере памяти, а у маленьких детей даже к слабоумию и идиотию. Крайне чувствителен к действию радиации и мозг плода, облученного между 9 и 15 неделями беременности. В этот период формируется кора головного мозга, при облучении матери может родиться умственно отсталый ребенок.