Біологічна дія іонізуючого випромінювання
Всі види іонізуючих випромінювань володіють біологічною дією, тобто викликають зміни в клітках, тканинах, органах і організмі в цілому, з яким дослідники зіткнулися незабаром після відкриття рентгенівського проміння. Вже через декілька місяців після повідомлення Вільгельма Конрада Рентгена вітчизняний фізіолог І. Р. Тарханов показав, що це проміння робить значний вплив на нервову систему і статеві клітки жаби. Ушкоджувальну дію випромінювання радію на шкіру випробував на собі Анрі Беккерель. Він узяв у Пьера Кюрі для демонстрації в Паризькій Академії наук ампулу з сіллю радію, поклав в кишеню жилета і проходив з нею декілька годин. Незабаром на шкірі під тим місцем, де лежала ампула, з'явилися гіперемія і свербіння, а ще через декілька днів утворилася довго незаживаюча язва. Після цього почалося широке вивчення дії іонізуючою
радіації на живі організми. З'явилася нова галузь науки — радіобіологія. У її розвиток великий внесок внесли вітчизняні дослідники М. О. Жуковській, Е. З. Лондон, А. І. Поспелов, Н. Н. Ісаченко, Д. Ф. Решитілло і багато інших.
Досягнення сучасної науки у області фізики, хімії, радіобіології дали можливість, хоча і не повністю, розкрити суть поразки живих організмів радіацією.
Проникаюче випромінювання діє у принципі однаково — свою енергію воно віддає атомам речовини, викликаючи їх збудження і іонізацію. В процесі цих перетворень спочатку на рівні атомів і молекул, а потім на клітинному і зрештою у всьому організмі виникають різні зміни. Іонізації атома або молекули, що утворюються в результаті, іони, що володіють хак позитивним, так і негативним зарядом, а також підвищеною хімічною активністю, взаємодіють з нейтральними молекулами. Збуджений атом має велику в порівнянні з початковим рівнем енергію, а отже, і вищу хімічну активність. Процеси іонізації і збудження атомів або крупних, біологічно активніших молекул опроміненої тканини є первинним фізичним процесом, що обумовлює пусковий механізм біологічної дії іонізуючого випромінювання, яке називають прямою дією. При цьому відбувається розрив молекулярних зв'язків з утворенням активних продуктів розщеплювання, т. е. вільних радикалів.
Враховуючи, що 65—70% маси тіла складає вода, а в плазмі крові її міститься до;95%; цілком природно, що основна дія іонізуючого випромінювання направлена на молекули води, які в результаті іонізації руйнуються. Унаслідок радіо-ліза відбувається утворення вільних радикалів Н, ВІН, НО2, а потім — перекиси водню (Н2О2). Вільні радикали окисляють або відновлюють молекули органічних речовин, розчинних у воді: білків, нуклеопротєїдов, ліпідів, ферментів і ін. Разом з водними радикалами, хоча і у меншій мірі, в опроміненому організмі активно діють органічні радикали. Таким чином, зміна молекули, безпосередньо не поглинаю щів енергію іонізуючого випромінювання, а одержуючої її від інших змінених молекул, представляє механізм непрямою, або непрямого, дії. Унаслідок подальших біохімічних перетворень утворюються аномальні, чужорідні для організму, біологічно активні речовини, що порушують циклічність обмінних процесів і вражаючі в тому або іншому ступені клітки, тканини, органи і, нарешті, всі регулюючі системи організму. На відміну від прямого непряма дія випромінювання не викликає таких грубих змін в тканинах, проте воно розповсюджується на значне число молекул, за об'ємом тканин перевишающєє площі полів опромінювання. Крім того, ці процеси часто обратіми.
Молекули, що з'єднуються з органічними і водними радикалами, захищають інші молекули від «нападу» (окислення-відновлення) радикалів, що встановлене в основу захисної дії багатьох радіопротекторів.
Однією з основних властивостей водних і органічних радикалів є їх тропность до атомів кисню. Виражена здатність радикалів з'єднуватися з атомами кисню використовується в радіобіології для отримання зворотного, тобто кисневого, ефекту. В умовах кисневого голодування опромінюваних тканин або при пониженні його парціального тиску в тканинах дія іонізуючого випромінювання ослабляється. Це і є кисневий ефект, який виявляється лише в процесі опромінювання. Насичення тканин киснем в період після опромінювання сприяє швидшому відновленню кліток і не підвищує їх радіочутливості.
Крім впливу кисню інтенсивність дії іонізуючої радіації пов'язана і з іншими фізичними чинниками. До них відносяться доза і потужність дози іонізуючого випромінювання, зростання яких підвищує біологічний ефект, якість різних видів випромінювання. Останнє визначається кількістю пар іонів, що виникають на шляху іонізуючого випромінювання, тобто лінійною втратою енергії на одиницю шляху пробігу. Отже, від якості випромінювання залежить не тільки кількість поглиненої енергії, але і її розподіл в тканинах.
Дія випромінювань на клітки. Іонізуюче випромінювання при загальному опромінюванні в різному ступені вражає всі тканини організму і при достатній дозі опромінювання физико-хімічні реакції реєструються у всіх клітках. Патологічні зрушення виникають тільки в частині кліток, інші реагують на променеву дію нормальною фізіологічною реакцією.
Суть радіаційного ураження клітки полягає в розриві молекул клітинних білків, руйнуванні клітинних структур, дезорганізації внутріклітинних біохімічних і обмінних процесів, порушенні проникності внутріклітинних мембран, гальмуванні синтезу білків і ферментів. Реакція на проникаючу радіацію як одиниці клітинної популяції, так і окремої біологічної одиниці залежить не тільки від радіационно-химі-чеськіх пошкоджень, але і від умов її існування після опромінювання: інтенсивності обміну речовин, змісту кисню, води, термічної характеристики, які значно впливають на реактивність клітки, її виживає.
Важлива роль в організмі відводиться ензимам, що беруть участь в обміні речовин клітки і синтезі більшості метаболітов. Регулює синтез білка і ензимів рібонуклєїновая кислота (РНК). Синтез же РНК здійснюється молекулами дезокс і рібонуклєїнової кислоти (ДНК). Іонізуюче випромінювання діє на багатомолекулярні ядерні структури ДНК. Розриви бувають одиничні, при яких порушується зв'язок між групами атомів в одній з ниток молекули ДНК, і подвійні, при яких розрив спостерігається в двох нитках, що приводить до повного розпаду молекули. Подвійний розрив ланцюга молекули ДНК спостерігається в результаті прямої дії радіації і приводить до необоротних генетичних зрушень і порушення синтезу ДНК- Одиночні розриви пов'язані з непрямою дією іонізуючої радіації. Функція розмноження при цьому не втрачена. Порушується тільки внутріклітинний обмін.
При подвійних розривах зшивання молекул ДНК, як правило, не спостерігається, проте останнім часом з'явилися дослідження, вказуючі на такий механізм відновлення молекул. Гальмування синтезу молекули ДНК негативно позначається на відтворенні різних білків і ферментів. Руйнування молекули РНК не приводить, як правило, до необоротних пошкоджень клітки, оскільки кількість ферментів велика і вони взаємозамінні. Загибель клітки наступає в тому випадку, якщо запас ферментів витратить раніше, ніж синтезується нова молекула РНК. Збочення біохімічних процесів виникає також унаслідок отруєння клітинних структур токсичними речовинами, що утворюються в результаті радіолізу води. Загибель клітки може наступити унаслідок одно- і двухнітевих розривів. Одним з ранніх симптомів опромінювання є паралізація зростання і розподілу клітки. Затримка розмноження може наступити при дії щодо невеликих доз іонізуючої радіації і бути оборотною і тимчасовою. Випромінювання перешкоджає мітотічеському діленню клітин. З підвищенням доз радіації в клітках наступають необоротні процеси. Спочатку виникають фізяко.--химические зрушення, зміна в'язкості, гидрофильное™, електропровідності цитоплазми, проникності клітинних оболонок і т.д. Потім наступають морфологічні порушення — набухання хромосом, хондріосом, зміна мікросом і лізосом, деформація і укрупнення ядра клітки, з'являються вакуолі в цитоплазмі. Розмноження клітки припиняється.
Для прояву променевої дії на клітку необхідний час. Миттєво вражається не більш 1 % молекул клітки. У прихованому періоді первинне променеве ураження молекул значне усь ліваєтся развитием_цепных реакцій непрямого лейгтвія. Відразу жепосле оо>^уЧения в молекулах ДНК пошкоджень не виявляється, однак-^ tiepe3 декілька годин спостерігаються одно- або двухнітевиє розриви. Якщо ці розриви множинні, клітка гине. Одночасно під дією іонізуючого випромінювання наступають радіаційні мутації. З дезорганізацією структури ДНК м зміною хромосом — носіїв ДНК — наступають зрушення ш спадкових властивостях клітки. Кількість мутацій, що є в природних умовах, значно зростає під дією іонізуючої радіації.
Змінені властивості опроміненої клітки передаються по спадку. Дезорганізація хромосом, що виявляється в зміні їх конфігурації і просторового розташування (хромосомні аберарациі), закінчується загибеллю клітки або служить причиною порушення генетичної інформації, внаслідок чого у нащадків опроміненої клітки закріплюються функціональні і морфологічні зрушення, що також веде до їх загибелі.
Якщо мутації істотно не зачіпають життєздатність клітки і її здібність до розподілу, розвивається аномальне потомство, нерідко з тенденцією до нестримного проліфератівному зростання. У таких випадках можливе виникнення променевого рякя, ^лейкозов і другихзлокачественних новоутворенні. Утворення радиационных"мутаций в статевих клітках несприятливо позначається на організмі наступних поколінь, що виявляється у вигляді спадкових хвороб.
Патологічні процеси, що виникли в клітці під дією іонізуючої радіації, можуть нормалізуватися. Це можливо на рівні молекул при виникненні хімічних реакцій продуктів іонізації або збудження з іншими молекулами або на рівні клітин. У одних випадках нормалізація може бути повною, в других—частічной. Процеси пострадіаційного відновлення розвиваються як в однорідних клітках, так і в тканинах, що містять неоднорідні елементи. Про здатність організму відновлювати життєдіяльність кліток свідчить зниження біологічної ефективності при дробовому опромінюванні.
Вище ми розглянули механізм дії іонізуючого випромінювання на клітки з позицій теорії непрямої дії, або активізованої води. До недавнього часу, а у ряді зарубіжних країн і зараз поширена теорія «мішені», заснована на положенні про пряму дію іонізуючої радіації на клітку. Ця теорія привернула увагу учених до кількісних закономірностей дії випромінювань. Теорія «мішені» припускає наявність в клітках особливо чутливих ділянок — «мішеней», радіаційне ураження яких веде до порушення процесів метаболізму в клітці і її загибелі. Згідно цієї теорії, клітки гинуть навіть при дії нікчемно малих доз опромінювання, якщо випромінювання падає на ці надрадіочутливі ділянки. Вражаюча дія іонізуючої рдіациі на ці ділянки підкоряється законам вірогідності, тобто попадання є випадковим. Враховуючи внутріклітинну диференціацію, теорія припускає, що виниклі в чутливих ділянках реакції є реакціями прямої дії на міжмолекулярні зв'язки в молекулярних структурах білка. Проте дослідники не знайшли в клітках таких утворень, які по своїй сверхрадіочувствітельності могли б виконувати роль мішеней. Крім того, теорія «мішені» не пояснює можливість посилення процесів поразки після променевої дії на клітку; механізм дії радіації на різні біологічні об'єкти; залежність зміни раджів чутливості від віку, активності обміну речовин, функціонального стану тканин. Не дивлячись на недоліки даної теорії, ряд фахівців вважає, що існує можливість прямої дії радіації і більш менш чутливі до іонізуючої радіації структурні утворення в клітках.
Радіаційні ураження в складних біологічних об'єктах, таких як вищі тварини і людина, не однотипні з такими нижчих тварин і окремої клітки. Причиною загибелі одноклітинних організмів або окремої клітки є необоротна денатурація білка, а загибель високоорганізованих біологічних об'єктів обумовлена порушенням умов їх життєдіяльності. Смертельні дози опромінювання організму не є згубними для окремих кліток. Вирощені в штучному середовищі клітки з організму ссавця, що гине від смертельної дози іонізуючого випромінювання, можуть жити тривалий час. На чутливість високоорганізованих організмів до іонізуючої радіації робить вплив значно більше число чинників, ніж на окрему клітку. Опромінювання кажана в стані сплячки смертельною дозою рентгенівського проміння не викликає яких-небудь значних патологічних процесів, тварини сплять протягом багатьох тижнів і гинуть від променевої хвороби лише через багато днів (до трьох тижнів) після пробудження. Ще багато явищ в біологічній дії іонізуючої радіації невідоме.
Експериментальні і клінічні дослідження показали що, чим молодший організм, тим більше він чутливий до викриття.
Дуже високою радіочутливістю володіє ембріон, особливо в період, передуючий імплантації, і під час імплантації. Навіть невеликі дози радіації викликають внутріутробну загибель плоду і його викидня. В період органогенеза підвищується резістент-ность ембріона до радіації і внутрішньоматкова виживає. У плодовому періоді спостерігається найбільша радіорезистентність зародка. Але опромінювання і в цьому періоді приводить до ускладнень ео Еремя пологів і появи мертвонароджених. Слідством поразки ембріона в період органогенеза може бути різна потворність: дефекти мозку, кісток черепа, кистей, ребер, потворність очей і ін. Вони з'являються в тих органах, закладка яких відбувалася її час опромінювання. Новонароджені особини в значній частині розумово і фізично недорозвинені, тривалість життя їх нижча середньою, пристосовність до умов зовнішнього середовища знижена. Неповноцінні особини або залишаються стерильними, або дають високий відсоток мертвонароджених або нащадків з різною потворністю еазвітія.
Одним з найважливіших чинників, що впливають на біологічний Г, -являєтся доза опромінювання. З наростанням її, як правило, наростає ступінь вираженості променевого пошкодження.
Цікавою представляється невідповідність між незначною кількістю поглиненої тканямДлучевой енергії і результатом її дії на організм. Фізики підрахували, що опромінювання людини дозою 144 мКл/кг (500 Р) приводить до поглинання організмом енергії в кількості 70—75 кал. Спостерігається колосальна невідповідність: доза в 144 мКл/кг (500 Р), яка може викликати загибель організму, повідомляє тканинам нікчемну кількість енергії, укладене в одній чайній ложці гарячого чаю. Іонізація і збудження спостерігаються в нікчемно малому числі молекул в організмі і цей чинник навряд може пояснити велику вираженість біологічного ефекту опромінювання. Тут вступають в дію інші механізми, що підсилюють вражаючу дію іонізуючої радіації (Н. Н. Куршаков і соавт., 1975).
При одному і тому ж джерелі іонізуючої радіації місцеве опромінювання протікає легше, ніж загальне. Ушкоджувальна дія іонізуючого випромінювання залежить від площі опромінювання, із збільшенням якої зростає поглинена доза радіації. Ступінь ушкоджувальної дії іонізуючої радіації пов'язаний також з локалізацією променевої дії. Найбільш виражене воно при дії променевої енергії на ділянку живота, потім грудей і голови, менше всього — при опромінюванні кінцівок. Іонізуюча радіація порядка 150 мКл/кг при дії на все тіло викликає яскраво виражений променевий синдром, нерідко із смертельним результатом. Аналогічна доза при місцевій дії для організму майже нешкідлива або з'являється місцева реакція у вигляді променевого дерматиту.
Біологічна дія променевої енергії обумовлена і видом іонізуючого випромінювання. Різні частинки і кванти викликають неоднаковий розподіл іонів, а також органічних і водних радикалів в організмі. Чим легше за частинку і ніж більшою енергією вони володіють, тим менше лінійна втрата енергії і тим глибше вони проникають в тканині. Прийнято вважати біологічну ефективність у-лучей рівною 1. Інші види випромінювання, що мають велику густину іонізації, оцінюються по коефіцієнту відносної біологічної ефективності (ОБЕ), який у а-частіц, протонів, швидких нейтронів і важких ядер може коливатися в межах 3—20, у р*-частиц — від 1,3 до 1,7.
Потік уквантов1 протонів і нейтронів проходить крізь всю товщу біологічного об'єкту; сс-частинки частково поглинаються епідермісом і не проникають глибше за шкіру; fj-частинки з максимальною енергією проникають на глибину до 1 см.
Біологічна дія іонізуючої радіації залежить і від потужності дози випромінювання. З її збільшенням швидко росте кількість енергії, поглиненої тканинами, отже, швидше виявляється ушкоджувальна дія радіації. При низькій потужності дози щоденне опромінювання тварини або людини протягом довгого часу значних променевих пошкоджень не викликає. При дробовому опромінюванні радіопоражаємость біологічного об'єкту знижується. Наприклад, опромінювання свині щоденною дозою 15мКл/кг (50Р) викликає загибель тварини досягши сумарної дози 2500 Кл/кг (8500 Р). При одномоментному опромінюванні свині смертельна доза рівна 173 мКл/кг (600 Р).
Для оцінки радіопоражаємості прийняті наступні показники: среднесмертельная доза (СД50) — такоє кількість іонізуючої радіації, яка, будучи розподілено по всьому тілу біологічного об'єкту, приводить до загибелі 50% тварин протягом 30 днів після опромінювання; мінімальна абсолютно смертельна доза (СД100 або СД100/30) — колічество радіації, що приводить до смерті 100% опромінених особин.
Променеве ураження залежить від індивідуальної чутливості, резистентності до іонізуючого випромінювання і загальної реактивності під час опромінювання. Є видові відмінності чутливості у ссавців. Наприклад, одні собаки гинуть при дії дози 79 мКл/кг (275 Р), інші—115 мКл/кг (400 Р), а деякі виживають при опромінюванні дозою 173 мКл/кг (600 Р). Вираженість біологічної дії іонізуючої радіації залежить від різних фізичних (вигляд, доза, потужність дози випромінювання, локалізація і розміри ділянки опромінювання) і біологічних (початковий стан організму, його захисні сили) причин. Чутливість організмів до іонізуючих випромінювань варіює у великих межах, причому причина такої варіабельності повністю не встановлена.
Оскільки при дії променистої енергії в біологічному об'єкті спостерігаються фізіологічні реакції, реакції пошкодження, а також компенсаторні, то разом з поняттям чутливості до іонізуючого випромінювання введене поняття радіопоражає-мості. Реакції пошкодження (радіопоражаємость) сітківки ока
Диференціація радіочутливості різних видів кліток і тканин організму представлена в табл. 5.
Оскільки ця таблиця заснована на порівняно грубих морфологічних проявах променевих пошкоджень, що містяться в ній дані щодо нервової системи декілька однозначні. В даний час дослідження, проведені за допомогою сучасних фізіологічних і електрофізіологічних методів, виявили високу чутливість нервової тканини до променевої енергії.
Молоді клітки, що ростуть і малодиференційовані, менш резистентні до іонізуючого випромінювання. З урахуванням відмінностей в радіочутливості різних кліток залежно від ступеня їх диференціації побудована променева терапія злоякісних новоутворень. В даний час остаточно не з'ясовані причини неоднакової чутливості до іонізуючого випромінювання різних кліток і тканин. Тут мають значення різні чинники: активність обмінних процесів, насиченість тканин киснем, антиокислювачі. Радіочутливість тканин і кліток змінюється у зв'язку із зміною загальної реактивності організму і умов зовнішнього середовища.Серед однотипних кліток більш радіопоражаєми клітки з підвищеною функцією під час опромінювання. Особливо чутливі клітки до опромінювання в період синтезу ДНК- Для успішної дії на злоякісні пухлини необхідно знати радіочутливість як пухлинних, так і нормальних кліток. Експериментальні дослідження на тваринах і культурах нормальних і пухлинних кліток показали, що чутливість пухлинних і нормальних кліток до променевої дії в середньому однакова і варіює в незначних межах. Проте здатність до відновлення у нормальних кліток в 2—3 рази вища, ніж у пухлинних.
радіації на живі організми. З'явилася нова галузь науки — радіобіологія. У її розвиток великий внесок внесли вітчизняні дослідники М. О. Жуковській, Е. З. Лондон, А. І. Поспелов, Н. Н. Ісаченко, Д. Ф. Решитілло і багато інших.
Досягнення сучасної науки у області фізики, хімії, радіобіології дали можливість, хоча і не повністю, розкрити суть поразки живих організмів радіацією.
Проникаюче випромінювання діє у принципі однаково — свою енергію воно віддає атомам речовини, викликаючи їх збудження і іонізацію. В процесі цих перетворень спочатку на рівні атомів і молекул, а потім на клітинному і зрештою у всьому організмі виникають різні зміни. Іонізації атома або молекули, що утворюються в результаті, іони, що володіють хак позитивним, так і негативним зарядом, а також підвищеною хімічною активністю, взаємодіють з нейтральними молекулами. Збуджений атом має велику в порівнянні з початковим рівнем енергію, а отже, і вищу хімічну активність. Процеси іонізації і збудження атомів або крупних, біологічно активніших молекул опроміненої тканини є первинним фізичним процесом, що обумовлює пусковий механізм біологічної дії іонізуючого випромінювання, яке називають прямою дією. При цьому відбувається розрив молекулярних зв'язків з утворенням активних продуктів розщеплювання, т. е. вільних радикалів.
Враховуючи, що 65—70% маси тіла складає вода, а в плазмі крові її міститься до;95%; цілком природно, що основна дія іонізуючого випромінювання направлена на молекули води, які в результаті іонізації руйнуються. Унаслідок радіо-ліза відбувається утворення вільних радикалів Н, ВІН, НО2, а потім — перекиси водню (Н2О2). Вільні радикали окисляють або відновлюють молекули органічних речовин, розчинних у воді: білків, нуклеопротєїдов, ліпідів, ферментів і ін. Разом з водними радикалами, хоча і у меншій мірі, в опроміненому організмі активно діють органічні радикали. Таким чином, зміна молекули, безпосередньо не поглинаю щів енергію іонізуючого випромінювання, а одержуючої її від інших змінених молекул, представляє механізм непрямою, або непрямого, дії. Унаслідок подальших біохімічних перетворень утворюються аномальні, чужорідні для організму, біологічно активні речовини, що порушують циклічність обмінних процесів і вражаючі в тому або іншому ступені клітки, тканини, органи і, нарешті, всі регулюючі системи організму. На відміну від прямого непряма дія випромінювання не викликає таких грубих змін в тканинах, проте воно розповсюджується на значне число молекул, за об'ємом тканин перевишающєє площі полів опромінювання. Крім того, ці процеси часто обратіми.
Молекули, що з'єднуються з органічними і водними радикалами, захищають інші молекули від «нападу» (окислення-відновлення) радикалів, що встановлене в основу захисної дії багатьох радіопротекторів.
Однією з основних властивостей водних і органічних радикалів є їх тропность до атомів кисню. Виражена здатність радикалів з'єднуватися з атомами кисню використовується в радіобіології для отримання зворотного, тобто кисневого, ефекту. В умовах кисневого голодування опромінюваних тканин або при пониженні його парціального тиску в тканинах дія іонізуючого випромінювання ослабляється. Це і є кисневий ефект, який виявляється лише в процесі опромінювання. Насичення тканин киснем в період після опромінювання сприяє швидшому відновленню кліток і не підвищує їх радіочутливості.
Крім впливу кисню інтенсивність дії іонізуючої радіації пов'язана і з іншими фізичними чинниками. До них відносяться доза і потужність дози іонізуючого випромінювання, зростання яких підвищує біологічний ефект, якість різних видів випромінювання. Останнє визначається кількістю пар іонів, що виникають на шляху іонізуючого випромінювання, тобто лінійною втратою енергії на одиницю шляху пробігу. Отже, від якості випромінювання залежить не тільки кількість поглиненої енергії, але і її розподіл в тканинах.
Дія випромінювань на клітки. Іонізуюче випромінювання при загальному опромінюванні в різному ступені вражає всі тканини організму і при достатній дозі опромінювання физико-хімічні реакції реєструються у всіх клітках. Патологічні зрушення виникають тільки в частині кліток, інші реагують на променеву дію нормальною фізіологічною реакцією.
Суть радіаційного ураження клітки полягає в розриві молекул клітинних білків, руйнуванні клітинних структур, дезорганізації внутріклітинних біохімічних і обмінних процесів, порушенні проникності внутріклітинних мембран, гальмуванні синтезу білків і ферментів. Реакція на проникаючу радіацію як одиниці клітинної популяції, так і окремої біологічної одиниці залежить не тільки від радіационно-химі-чеськіх пошкоджень, але і від умов її існування після опромінювання: інтенсивності обміну речовин, змісту кисню, води, термічної характеристики, які значно впливають на реактивність клітки, її виживає.
Важлива роль в організмі відводиться ензимам, що беруть участь в обміні речовин клітки і синтезі більшості метаболітов. Регулює синтез білка і ензимів рібонуклєїновая кислота (РНК). Синтез же РНК здійснюється молекулами дезокс і рібонуклєїнової кислоти (ДНК). Іонізуюче випромінювання діє на багатомолекулярні ядерні структури ДНК. Розриви бувають одиничні, при яких порушується зв'язок між групами атомів в одній з ниток молекули ДНК, і подвійні, при яких розрив спостерігається в двох нитках, що приводить до повного розпаду молекули. Подвійний розрив ланцюга молекули ДНК спостерігається в результаті прямої дії радіації і приводить до необоротних генетичних зрушень і порушення синтезу ДНК- Одиночні розриви пов'язані з непрямою дією іонізуючої радіації. Функція розмноження при цьому не втрачена. Порушується тільки внутріклітинний обмін.
При подвійних розривах зшивання молекул ДНК, як правило, не спостерігається, проте останнім часом з'явилися дослідження, вказуючі на такий механізм відновлення молекул. Гальмування синтезу молекули ДНК негативно позначається на відтворенні різних білків і ферментів. Руйнування молекули РНК не приводить, як правило, до необоротних пошкоджень клітки, оскільки кількість ферментів велика і вони взаємозамінні. Загибель клітки наступає в тому випадку, якщо запас ферментів витратить раніше, ніж синтезується нова молекула РНК. Збочення біохімічних процесів виникає також унаслідок отруєння клітинних структур токсичними речовинами, що утворюються в результаті радіолізу води. Загибель клітки може наступити унаслідок одно- і двухнітевих розривів. Одним з ранніх симптомів опромінювання є паралізація зростання і розподілу клітки. Затримка розмноження може наступити при дії щодо невеликих доз іонізуючої радіації і бути оборотною і тимчасовою. Випромінювання перешкоджає мітотічеському діленню клітин. З підвищенням доз радіації в клітках наступають необоротні процеси. Спочатку виникають фізяко.--химические зрушення, зміна в'язкості, гидрофильное™, електропровідності цитоплазми, проникності клітинних оболонок і т.д. Потім наступають морфологічні порушення — набухання хромосом, хондріосом, зміна мікросом і лізосом, деформація і укрупнення ядра клітки, з'являються вакуолі в цитоплазмі. Розмноження клітки припиняється.
Для прояву променевої дії на клітку необхідний час. Миттєво вражається не більш 1 % молекул клітки. У прихованому періоді первинне променеве ураження молекул значне усь ліваєтся развитием_цепных реакцій непрямого лейгтвія. Відразу жепосле оо>^уЧения в молекулах ДНК пошкоджень не виявляється, однак-^ tiepe3 декілька годин спостерігаються одно- або двухнітевиє розриви. Якщо ці розриви множинні, клітка гине. Одночасно під дією іонізуючого випромінювання наступають радіаційні мутації. З дезорганізацією структури ДНК м зміною хромосом — носіїв ДНК — наступають зрушення ш спадкових властивостях клітки. Кількість мутацій, що є в природних умовах, значно зростає під дією іонізуючої радіації.
Змінені властивості опроміненої клітки передаються по спадку. Дезорганізація хромосом, що виявляється в зміні їх конфігурації і просторового розташування (хромосомні аберарациі), закінчується загибеллю клітки або служить причиною порушення генетичної інформації, внаслідок чого у нащадків опроміненої клітки закріплюються функціональні і морфологічні зрушення, що також веде до їх загибелі.
Якщо мутації істотно не зачіпають життєздатність клітки і її здібність до розподілу, розвивається аномальне потомство, нерідко з тенденцією до нестримного проліфератівному зростання. У таких випадках можливе виникнення променевого рякя, ^лейкозов і другихзлокачественних новоутворенні. Утворення радиационных"мутаций в статевих клітках несприятливо позначається на організмі наступних поколінь, що виявляється у вигляді спадкових хвороб.
Патологічні процеси, що виникли в клітці під дією іонізуючої радіації, можуть нормалізуватися. Це можливо на рівні молекул при виникненні хімічних реакцій продуктів іонізації або збудження з іншими молекулами або на рівні клітин. У одних випадках нормалізація може бути повною, в других—частічной. Процеси пострадіаційного відновлення розвиваються як в однорідних клітках, так і в тканинах, що містять неоднорідні елементи. Про здатність організму відновлювати життєдіяльність кліток свідчить зниження біологічної ефективності при дробовому опромінюванні.
Вище ми розглянули механізм дії іонізуючого випромінювання на клітки з позицій теорії непрямої дії, або активізованої води. До недавнього часу, а у ряді зарубіжних країн і зараз поширена теорія «мішені», заснована на положенні про пряму дію іонізуючої радіації на клітку. Ця теорія привернула увагу учених до кількісних закономірностей дії випромінювань. Теорія «мішені» припускає наявність в клітках особливо чутливих ділянок — «мішеней», радіаційне ураження яких веде до порушення процесів метаболізму в клітці і її загибелі. Згідно цієї теорії, клітки гинуть навіть при дії нікчемно малих доз опромінювання, якщо випромінювання падає на ці надрадіочутливі ділянки. Вражаюча дія іонізуючої рдіациі на ці ділянки підкоряється законам вірогідності, тобто попадання є випадковим. Враховуючи внутріклітинну диференціацію, теорія припускає, що виниклі в чутливих ділянках реакції є реакціями прямої дії на міжмолекулярні зв'язки в молекулярних структурах білка. Проте дослідники не знайшли в клітках таких утворень, які по своїй сверхрадіочувствітельності могли б виконувати роль мішеней. Крім того, теорія «мішені» не пояснює можливість посилення процесів поразки після променевої дії на клітку; механізм дії радіації на різні біологічні об'єкти; залежність зміни раджів чутливості від віку, активності обміну речовин, функціонального стану тканин. Не дивлячись на недоліки даної теорії, ряд фахівців вважає, що існує можливість прямої дії радіації і більш менш чутливі до іонізуючої радіації структурні утворення в клітках.
Радіаційні ураження в складних біологічних об'єктах, таких як вищі тварини і людина, не однотипні з такими нижчих тварин і окремої клітки. Причиною загибелі одноклітинних організмів або окремої клітки є необоротна денатурація білка, а загибель високоорганізованих біологічних об'єктів обумовлена порушенням умов їх життєдіяльності. Смертельні дози опромінювання організму не є згубними для окремих кліток. Вирощені в штучному середовищі клітки з організму ссавця, що гине від смертельної дози іонізуючого випромінювання, можуть жити тривалий час. На чутливість високоорганізованих організмів до іонізуючої радіації робить вплив значно більше число чинників, ніж на окрему клітку. Опромінювання кажана в стані сплячки смертельною дозою рентгенівського проміння не викликає яких-небудь значних патологічних процесів, тварини сплять протягом багатьох тижнів і гинуть від променевої хвороби лише через багато днів (до трьох тижнів) після пробудження. Ще багато явищ в біологічній дії іонізуючої радіації невідоме.
Експериментальні і клінічні дослідження показали що, чим молодший організм, тим більше він чутливий до викриття.
Дуже високою радіочутливістю володіє ембріон, особливо в період, передуючий імплантації, і під час імплантації. Навіть невеликі дози радіації викликають внутріутробну загибель плоду і його викидня. В період органогенеза підвищується резістент-ность ембріона до радіації і внутрішньоматкова виживає. У плодовому періоді спостерігається найбільша радіорезистентність зародка. Але опромінювання і в цьому періоді приводить до ускладнень ео Еремя пологів і появи мертвонароджених. Слідством поразки ембріона в період органогенеза може бути різна потворність: дефекти мозку, кісток черепа, кистей, ребер, потворність очей і ін. Вони з'являються в тих органах, закладка яких відбувалася її час опромінювання. Новонароджені особини в значній частині розумово і фізично недорозвинені, тривалість життя їх нижча середньою, пристосовність до умов зовнішнього середовища знижена. Неповноцінні особини або залишаються стерильними, або дають високий відсоток мертвонароджених або нащадків з різною потворністю еазвітія.
Одним з найважливіших чинників, що впливають на біологічний Г, -являєтся доза опромінювання. З наростанням її, як правило, наростає ступінь вираженості променевого пошкодження.
Цікавою представляється невідповідність між незначною кількістю поглиненої тканямДлучевой енергії і результатом її дії на організм. Фізики підрахували, що опромінювання людини дозою 144 мКл/кг (500 Р) приводить до поглинання організмом енергії в кількості 70—75 кал. Спостерігається колосальна невідповідність: доза в 144 мКл/кг (500 Р), яка може викликати загибель організму, повідомляє тканинам нікчемну кількість енергії, укладене в одній чайній ложці гарячого чаю. Іонізація і збудження спостерігаються в нікчемно малому числі молекул в організмі і цей чинник навряд може пояснити велику вираженість біологічного ефекту опромінювання. Тут вступають в дію інші механізми, що підсилюють вражаючу дію іонізуючої радіації (Н. Н. Куршаков і соавт., 1975).
При одному і тому ж джерелі іонізуючої радіації місцеве опромінювання протікає легше, ніж загальне. Ушкоджувальна дія іонізуючого випромінювання залежить від площі опромінювання, із збільшенням якої зростає поглинена доза радіації. Ступінь ушкоджувальної дії іонізуючої радіації пов'язаний також з локалізацією променевої дії. Найбільш виражене воно при дії променевої енергії на ділянку живота, потім грудей і голови, менше всього — при опромінюванні кінцівок. Іонізуюча радіація порядка 150 мКл/кг при дії на все тіло викликає яскраво виражений променевий синдром, нерідко із смертельним результатом. Аналогічна доза при місцевій дії для організму майже нешкідлива або з'являється місцева реакція у вигляді променевого дерматиту.
Біологічна дія променевої енергії обумовлена і видом іонізуючого випромінювання. Різні частинки і кванти викликають неоднаковий розподіл іонів, а також органічних і водних радикалів в організмі. Чим легше за частинку і ніж більшою енергією вони володіють, тим менше лінійна втрата енергії і тим глибше вони проникають в тканині. Прийнято вважати біологічну ефективність у-лучей рівною 1. Інші види випромінювання, що мають велику густину іонізації, оцінюються по коефіцієнту відносної біологічної ефективності (ОБЕ), який у а-частіц, протонів, швидких нейтронів і важких ядер може коливатися в межах 3—20, у р*-частиц — від 1,3 до 1,7.
Потік уквантов1 протонів і нейтронів проходить крізь всю товщу біологічного об'єкту; сс-частинки частково поглинаються епідермісом і не проникають глибше за шкіру; fj-частинки з максимальною енергією проникають на глибину до 1 см.
Біологічна дія іонізуючої радіації залежить і від потужності дози випромінювання. З її збільшенням швидко росте кількість енергії, поглиненої тканинами, отже, швидше виявляється ушкоджувальна дія радіації. При низькій потужності дози щоденне опромінювання тварини або людини протягом довгого часу значних променевих пошкоджень не викликає. При дробовому опромінюванні радіопоражаємость біологічного об'єкту знижується. Наприклад, опромінювання свині щоденною дозою 15мКл/кг (50Р) викликає загибель тварини досягши сумарної дози 2500 Кл/кг (8500 Р). При одномоментному опромінюванні свині смертельна доза рівна 173 мКл/кг (600 Р).
Для оцінки радіопоражаємості прийняті наступні показники: среднесмертельная доза (СД50) — такоє кількість іонізуючої радіації, яка, будучи розподілено по всьому тілу біологічного об'єкту, приводить до загибелі 50% тварин протягом 30 днів після опромінювання; мінімальна абсолютно смертельна доза (СД100 або СД100/30) — колічество радіації, що приводить до смерті 100% опромінених особин.
Променеве ураження залежить від індивідуальної чутливості, резистентності до іонізуючого випромінювання і загальної реактивності під час опромінювання. Є видові відмінності чутливості у ссавців. Наприклад, одні собаки гинуть при дії дози 79 мКл/кг (275 Р), інші—115 мКл/кг (400 Р), а деякі виживають при опромінюванні дозою 173 мКл/кг (600 Р). Вираженість біологічної дії іонізуючої радіації залежить від різних фізичних (вигляд, доза, потужність дози випромінювання, локалізація і розміри ділянки опромінювання) і біологічних (початковий стан організму, його захисні сили) причин. Чутливість організмів до іонізуючих випромінювань варіює у великих межах, причому причина такої варіабельності повністю не встановлена.
Оскільки при дії променистої енергії в біологічному об'єкті спостерігаються фізіологічні реакції, реакції пошкодження, а також компенсаторні, то разом з поняттям чутливості до іонізуючого випромінювання введене поняття радіопоражає-мості. Реакції пошкодження (радіопоражаємость) сітківки ока
Диференціація радіочутливості різних видів кліток і тканин організму представлена в табл. 5.
Оскільки ця таблиця заснована на порівняно грубих морфологічних проявах променевих пошкоджень, що містяться в ній дані щодо нервової системи декілька однозначні. В даний час дослідження, проведені за допомогою сучасних фізіологічних і електрофізіологічних методів, виявили високу чутливість нервової тканини до променевої енергії.
Молоді клітки, що ростуть і малодиференційовані, менш резистентні до іонізуючого випромінювання. З урахуванням відмінностей в радіочутливості різних кліток залежно від ступеня їх диференціації побудована променева терапія злоякісних новоутворень. В даний час остаточно не з'ясовані причини неоднакової чутливості до іонізуючого випромінювання різних кліток і тканин. Тут мають значення різні чинники: активність обмінних процесів, насиченість тканин киснем, антиокислювачі. Радіочутливість тканин і кліток змінюється у зв'язку із зміною загальної реактивності організму і умов зовнішнього середовища.Серед однотипних кліток більш радіопоражаєми клітки з підвищеною функцією під час опромінювання. Особливо чутливі клітки до опромінювання в період синтезу ДНК- Для успішної дії на злоякісні пухлини необхідно знати радіочутливість як пухлинних, так і нормальних кліток. Експериментальні дослідження на тваринах і культурах нормальних і пухлинних кліток показали, що чутливість пухлинних і нормальних кліток до променевої дії в середньому однакова і варіює в незначних межах. Проте здатність до відновлення у нормальних кліток в 2—3 рази вища, ніж у пухлинних.
