Биологическое действие ионизирующих излучений: стадии, механизм воздействия, радиобиологические эффекты, формы лучевой гибели клеток.

Биологическое действие ионизирующих излучений обусловлено энергией, отдаваемой излучениями разных видов (альфа, бета-частицами, нейтронами, гамма-квантами) тканям и органам.

Несмотря на неодинаковую физическую природу различных видов ионизирующих излучений, существует определенная общность их биологического действия, обусловленная их ионизирующим действием на биосубстраты.

Различают два вида радиобиологических эффектов: детерминированные (нестохастические) и стохастические.

1. Детерминированные - клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующими излучениями, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от полученной дозы. Клиническая медицина к таким эффектам относит: лучевую болезнь, лучевой дерматит, лучевую катаракту, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.

2. Стохастические радиобиологические эффекты – вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующими излучениями, не имеющие дозового порога возникновения и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы. Клинически беспороговые эффекты диагностируются как злокачественные опухоли, лейкозы, а также наследственные болезни.

Стохастические радиобиологические эффекты разделяют на соматические и наследственные. Соматические эффекты проявляются у самого облученного лица, а наследственные – у его потомков. Основным отдаленным соматическим эффектом является повышенная частота развития у облученного населения раковых заболеваний, появление которых будет происходить в течение нескольких десятилетий (первые 50 лет) после облучения. Наследственные эффекты появляются вследствие облучения гонад у лиц репродуктивного возраста.

Механизмы биологического действия ионизирующих излучений.

При воздействии ИИ на биосубстрат происходит поглощение последним энергии излучения→. Это приводит к ионизации атомов и молекул (то есть, потере атомом электрона, оставшаяся часть атома приобретает положительный заряд) или к возбуждению атомов, молекул→ (переход электрона на более высокий энергетический уровень в пределах атома). Образовавшиеся в результате ионизации атомов ионы и свободные электроны взаимодействуют между собой и с окружающими неповрежденными атомами и молекулами, образуя при этом свободные радикалы.

Неорганические радикалы образуются при радиолизе воды→ - гидроксильный радикал (ОН), радикал водорода (Н), гидратированный электрон, перекись водорода (Н2О2), гидропероксид (НО2), супероксид-анион-радикал (О2), атомарный и синглетный кислород. Продукты радиолиза воды обладают сильным окислительным действием в отношении органических веществ биотканей.

Под воздействием ионизирующих излучений и продуктов радиолиза воды происходит радиолиз молекул основных биологически важных органических веществ клетки (ДНК, нуклеотидов, аминокислот, белков, углеводов, фосфолипидов и др.) с образованием органических радикалов→, обладающих повреждающим действием на ткани. В присутствии кислорода органические радикалы вступают с ним во взаимодействие. Высокое сродство кислорода к органическим радикалам лежит в основе так называемого «кислородного эффекта»→, суть которого состоит в усилении радиационного повреждения белков, ДНК и других биомолекул в присутствии кислорода.

Продукты радиолиза воды, активные формы кислорода и органические радикалы, в свою очередь, способны изменять структуру биологически важных макромолекул с нарушением их функции. Наибольшее значение для дальнейшей судьбы облученной клетки имеют процессы, происходящие в белках, ДНК и фосфолипидах→.

Нарушается структура белков (разрывы дисульфидных мостиков, водородных связей, пептидной цепи, окисление сульфгидрильных групп и т.д.). В результате изменяется вторичная и третичная структура белков, что приводит к нарушению их биологических свойств, в том числе ферментативной активности.

Радиационные повреждения ДНК проявляются в виде нарушений структуры азотистых оснований, появлений разрывов ДНК, сшивок ДНК-ДНК и ДНК-белок, нарушений комплексов ДНК с другими молекулами. В повреждении ДНК велика роль «кислородного эффекта». В присутствии кислорода число повреждений оснований ДНК увеличивается более чем в 3 раза. В результате повреждается генетический аппарат клеток, возникают хромосомные аберрации, нарушаются процессы деления и воспроизведения.

Разрушение фосфолипидов липидного бислоя клеточных мембран, усиление реакций перекисного окисления липидов (ПОЛ) способствует нарушению структуры и функции мембран клеток и внутриклеточных структур (митохондрий, лизосом, ядер др.), их вязкости, проницаемости, многих физико-химических характеристик. В результате нарушаются ряд жизненно необходимых для клетки функций биомембран – барьерная, рецепторно-сигнальная, регуляторная, транспортная и др.

Таким образом, многочисленные структурные и функциональные изменения в субклеточных структурах обуславливают нарушение процессов окислительного фосфорилирования, что ведет к истощению энергетических ресурсов клеток; выход и активацию гидролитических ферментов лизосом, угнетение синтеза ДНК и деления клеток, извращение ионного транспорта и др.

Многочисленные повреждения макромолекул и функциональные нарушения существенно влияют на жизнеспособность облученных клеток и тканей организма, на течение процессов их повреждения и репарации, приводят к гибели клеток.

Различают две формы лучевой гибели клеток:

1) интерфазная;

2) репродуктивная.

Репродуктивная гибель клеток характерна для всех быстропролиферирующих тканей, она наступает не сразу после облучения, а в ходе нескольких циклов деления. Основной причиной репродуктивной гибели являются структурные повреждения ДНК.

Интерфазная гибель клетки наступает до вступления клетки в митоз. Для большинства клеток соматических тканей животных и человека интерфазная гибель регистрируется при облучении в высоких дозах, проявляется в виде различных дегенеративных изменений ядра и цитоплазмы и происходит или непосредственно «под лучом», или в первые часы после облучения. Исключением являются лимфоциты, для которых интерфазный тип постлучевой гибели является основным и регистрируется уже после облучения в дозах 1-2 Гр.

В основе молекулярных механизмов интерфазной гибели клеток лежат повреждения цитоплазматических (ядерных и митохондриальных) мембран, приводящие к нарушению водноэлектролитного баланса, высвобождению гидролитических ферментов из лизосом, деструктивным изменениям ядра и т.д.

При высоких дозах облучения из-за расстройства метаболизма гибнет большое число клеток. Возникают морфологические и функциональные изменения в тканях, органах и системах.

Таким образом, события, происходящие в биологической системе во время и после воздействия на нее ионизирующих излучений, условно разделяют на четыре последовательные стадии:

I. Физическая стадия. В течение очень короткого промежутка времени (в пределах 10- 13 секунды) происходит поглощение энергии ионизирующих излучений биомолекулами и компонентами окружающей их среды (молекулами воды и других веществ). В результате возникают возбужденные и ионизированные атомы и молекулы.

II. Физико-химическая стадия. Вследствие возбуждения и ионизации молекул в них происходят внутренние перестройки за счет миграции энергии и заряда внутри молекулы или между молекулами. Возникают первично поврежденные биомолекулы и продукты их деградации – ионы и химические радикалы. Примерно 50% всех возникающих радикалов образуются из молекул воды, составляющих около 70% массы живых организмов.

III. Химическая стадия. Ионы и химически активные радикалы по месту их образования и на некотором удалении от него (в среднем 300-350 нм) атакуют биомолекулы, повреждая их. Это происходит также в течение короткого промежутка времени (10-10 -10-6 секунды). В результате возникают вторично (химически) поврежденные биомолекулы.

IV. Биологическая стадия. Сроки формирования этой стадии находятся в широких пределах – от 10 секунды до многих лет. В основе развивающихся в этот период процессов лежат изменения внутриклеточного (межуточного) обмена веществ. В зависимости от полученной дозы ионизирующих излучений внутриклеточный обмен веществ нарушается в различной степени – от небольших сдвигов с последующим восстановлением до полного и стойкого срыва, приводящего к гибели клетки.

Завершением стадии биологических реакций (у людей, перенесших острую стадию заболевания) являются отдаленные последствия (соматические и генетические) и раннее старение организма.

Итак, формирование общего лучевого поражения начинается с молекулярного уровня, проходит клеточный, тканевой, органный, системный уровни и заканчивается уровнем целостного организма. Это приводит к развитию общего заболевания организма – различным вариантам радиационных поражений.

Как известно, тяжесть и прогноз лучевого поражения организма определяются, с одной стороны, величиной поглощенной дозы ионизирующего излучения, ее распределением в пространстве и времени, с другой – радиочувствительностью тканей, органов и систем, наиболее существенных для жизнедеятельности организма. Такие ткани, органы и системы принято называть «критическими», поскольку именно их повреждение определяет преимущественный тип лучевых реакций, специфику и время их проявлений, а также значимость для выживания или гибели организма в определенные сроки после облучения.

Различные формы лучевого поражения обусловлены степенью повреждения той или иной «критической» системы. Так, при облучении человека в дозах до 10 Гр гибель обусловлена повреждением системы кроветворения, 10-80 Гр – поражением желудочно-кишечного тракта, при облучении в дозах свыше 80 Гр гибель наступает в первые часы после воздействия от нарушения функции ЦНС.