Основные стадии биологического действия ионизирующих излучений

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).

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 не возможны для обычных, невозбужденных атомов (молекул).

Вторая – физико-химическая стадия взаимодействия излучения с веществом протекает уже в зависимости от состава и строения облучаемого вещества. Принципиальное значение имеет наличие в облучаемой системе воды и кислорода. Если их нет, возможности химического воздействия активированных радиацией атомов ограничены, локализованы. В присутствии воды под влиянием радиации возникают положительно заряженные ионы воды Н₂0⁺ и растворенные в воде (гидратированные) электроны: е-гидр. Присоединяясь к одной из нейтральных молекул, е^- гидр. образует Н₂0^-. Ионы воды, как и возбужденные ее молекулы, химически реактивны и менее стабильны, чем молекулы невозбужденные. В присутствии растворенного кислорода эти активные продукты облучения легко с ним реагируют, образуя такие более долгоживущие и химически активные формы, как свободные радикалы: гидроксильный ОН, супероксидный 0₂, гидропероксид НО₂, а также перекись водорода Н₂О₂. Свободные радикалы являются нейтральными (незаряженными) атомами или молекулами с непарными электронами; исключительно реактивны.

Третья - химическая стадия лучевого воздействия длится, как правило, несколько секунд. На этой стадии появляются биохимические повреждения биологически важных макромолекул (нуклеиновых кислот, липидов, белков, углеводов).

Различают прямое воздействие радиации, когда происходит непосредственное взаимодействие ионизирующего излучения с критическими молекулами, и косвенное воздействие, через свободные радикалы, возникающие при взаимодействии ионизирующего излучения с водой, которые и наносят основное поражение.

Предполагается, что косвенное воздействие преобладает при редкоионизирующих излучениях (тормозное, гамма-, бета-излучения), а прямое – при плотноионизирующих (альфа-лучи и нейтроны).

Основной ареной действия ионизирующей радиации на живые системы являются “атомы живого” – клетки и их органеллы, сложная структурно-функциональная организация которых влияет на конечный результат взаимодействия с радиацией не в меньшей степени, чем энергия, скорость и масса ионизирующей частицы. Критическими при действии ионизирующего излучения внутриклеточными структурами являются хромосомы, состоящие из нуклеиновых кислот – хранителей наследственной информации и специальных белков. Поскольку большинство клеток располагают только одной или двумя копиями каждой молекулы ДНК, поражение ее будет более значимым, чем в случае с молекулой с тысячами копий (энзимы, например).

Под действием ионизирующего излучения из молекулы белка выбивается электрон, образуется дефектный участок, лишенный электрона, который мигрирует по полипептидной цепи за счет переброски соседних электронов до тех пор, пока не достигнет участка с повышенными электрон-донорными свойствами. В этом месте в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы. Такие события происходят в результате прямого действия ионизирующих излучений. При косвенном действии образование свободных радикалов происходит при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды. Образование свободных радикалов влечет за собой изменение структуры белка, что приводит к нарушению его функций (ферментативной, гормональной, рецепторной и др.).

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 может привести к катастрофическим последствиям. Нарушение оболочки ядра может воздействовать на деление клеток и, тем самым, на ее жизнеспособность.

В гидрофобных органических структурах, главным образом, жировых и жироподобных (липидных), радиация в присутствии кислорода вслед за ионизацией и возбуждением также вызывает образование свободных радикалов и перекисей. Развиваются, таким образом, цепные реакции окисления органических соединений, в которых инициаторами выступают образованные воздействием радиации ионы, возбужденные электронные состояния и радикалы. Свободно радикальные цепные реакции окисления протекают самоускоряясь.

Биологическая стадия лучевого поражения. Среди многих проявлений действия излучения на жизнедеятельность клетки подавление способности к делению является наиболее важным. Именно ядро играет роль хранителя наследственной информации самой клетки, всего организма и даже биологического вида, передает эту информацию от клетки к клетке, от организма к организму, обеспечивая преемственную связь поколений. Эта информация зашифрована в особых палочкоядерных структурах, выявляющихся при делении клетки благодаря способности хорошо накапливать специальные красители и потому называемых хромосомами.

Гибель клеток может возникать в широком временном диапазоне: часов-лет. По механизму лучевого поражения клеток следует различать две основные формы гибели: интерфазную (не связанную с митозом) и репродуктивную – гибель при попытке разделиться.

Первая форма наблюдается при самых различных воздействиях на клетку, вторая – типичная для ионизирующей радиации и других мутагенных агентов.

Молекулярный механизм интерфазной гибели точно не выяснен. Существуют данные о том, что у таких клеток вследствие накопления в цитоплазме гидролитических ферментов или их активации деградирует ДНК. Согласно другой гипотезе, под влиянием ионизирующей радиации и других повреждающих агентов реализуется заложенная в клетках генетическая программа интерфазной гибели. Для размножающихся клеток в культуре ткани, а также для большинства клеток соматических тканей взрослых животных и человека интерфазная гибель регистрируется только после облучения при дозах в десятки и сотни грей.

При меньших дозах наблюдается репродуктивная форма гибели, причиной которой 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.

Количество аберраций хромосом в клетках, процент клеток с аберрациями очень точно характеризуют дозу радиации, полученную организмом, а при равной дозе облучения – сравнительную радиочувствительность организмов, видов. 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 организмом.

Гибель при этом может наступить как в процессе первого митоза после облучения, так и во втором, третьем, четвертом актах деления.

Существенно, что с повышением дозы радиации увеличивается не столько степень поражения всех облученных клеток, сколько доля пораженных, т.е. процент погибших клеток. Из этого следует, в частности, что при сколь угодно малой дозе радиации возможна гибель отдельных клеток, тогда как при заведомо смертельном облучении единичные клетки могут выжить.

Как сказано выше, 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. После дозы радиации 1 Гр в каждой клетке человека возникает 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов, причем, каждый из последних может стать причиной поломки хромосомы.

Кроме того, под влиянием ионизирующей радиации возникают сшивки между нитями ДНК, сшивки ДНК-белок, нарушения структуры тимина и других азотистых оснований ДНК, относительно эффективно устраняемые репаративными системами. Последствия поражения ДНК бывают двух типов: клетка выживает, но изменяет свое функциональное состояние; клетка гибнет. Нарушение функционального состояния клеток может выражаться в замедлении или изменении клеточного деления, приводящем к их неконтролируемому росту (злокачественные опухоли). Хорошо известно, что клетки с поврежденными механизмами ДНК имеют тенденцию превращаться в злокачественные клетки, равно как и то, что злокачественные опухоли содержат повышенное количество хромосомных аберраций. Генетические эффекты ионизирующего излучения могут проявиться на протяжении многих поколений.

Радиобиологи различают два основных типа лучевых повреждений ДНК: сублетальные и потенциально летальные повреждения.

Первый – это такие вызванные радиацией изменения, которые сами по себе не ведут к гибели клеток, но облегчают ее при продолжающемся или последующем облучении. Например, одиночные разрывы сами по себе не смертельны, но чем больше их возникает в молекуле ДНК, тем больше вероятность их совпадения и образования летального двойного разрыва.

Второй тип – потенциально летальные повреждения – сами по себе вызывают гибель клетки, но все же в определенных условиях могут быть устранены репаративной системой.

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, в процессе митоза фиксируются и либо приводят клетку (или ее потомков) к гибели, либо сохраняются в наследственном механизме клеток-потомков, снижая их жизнеспособность, и служат материалом для формирования мутаций. Во время митоза хромосомы концентрируются, что затрудняет доступ ферментов репарации к поврежденным участкам молекулы ДНК.

Весь остальной клеточный цикл, за вычетом периода митоза, носит название интерфазы, т.е. периода между делениями.

Центральное значение в интерфазе принадлежит процессу синтеза ДНК, в итоге которого количество молекул ДНК и общий объем генетического аппарата удваивается. Фаза синтеза ДНК, или S-фаза, делит интерфазу на три части. Фаза, предшествующая синтезу ДНК, обозначена как G₁ – предсинтетическая фаза. На ее протяжении, наряду со многими другими процессами жизнедеятельности, синтезируются ферментные системы, необходимые для всех последовательных этапов самоудвоения ДНК. Фаза между синтезом ДНК и клеточным делением обозначается как G₂, предмитотическая (предшествующая митозу), или постсинтетическая. На этой стадии клеточного цикла происходит формирование веретена клеточного деления и всего митотического аппарата, обеспечивающего реализацию процесса деления клетки. На протяжении G₁-фазы, продолжительность которой обычно самая большая и, в зависимости от условий жизни, колеблется в максимальных пределах, наиболее полноценно функционируют системы внутриклеточной репарации. В медленно обновляющихся клеточных системах G₁-фаза может длиться неделями и даже годами. Поэтому радиочувствительность таких клеток минимальна.

В S-фазе репаративные системы либо не работают, либо функционируют слабо; во всяком случае, данных о репарации в период синтеза ДНК почти нет. Наконец, в G₂-фазе функционируют системы пострепликативной репарации, эффективность которых, по-видимому, ниже, чем в G₁-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.

Все фазы клеточного цикла одинаково уязвимы для высоких доз плотноионизирующих излучений.

Наиболее универсальной реакцией клеток на воздействие ионизирующей радиации в разных дозах является остановка деления, или радиационный блок митозов.