Теории и механизм действия ионизирующего излучения.

 

Ионизирующее излучение – одно из уникальных явлений окружающей среды, последствия от воздействия которого на организм на первый взгляд совершенно неадекватны величине поглощаемой энергии.

Реакции организма на действие ионизирующих излучений многообразны. Характер проявления послелучевых изменений в организме зависит от многих причин:

1) Физических параметров излучения (вид, энергия, мощность и доза облучения и т.д.);

2) Биологических особенностей животного (состояния животного, возраста, массы, условия содержания и кормления и т.д.).

Различные органы животных имеют неодинаковую радиочувствительность. По морфологическим признакам, выявляемым гистологическими методами. Органы можно расположить по убывающей степени радиочувствительности в следующем порядке: лимфатические узлы и фолликулы, красный костный мозг, вилочковая железа, селезёнка, половые железы, кожа, глаза, печень, легкие, почки, головной мозг, сердце, кости, сухожилия, нервные стволы и др. В связи с этим для исхода лучевого воздействия на организм большое значение имеет какая часть тела животного облучена. Общее равномерное облучение вызывает наибольший радиобиологический эффект. Степень послелучевых реакций организма определяется дозой лучевого воздействия: малые дозы оказывают стимулирующее действие на биологические реакции (обмен веществ, секреторную, выделительную и другие функции), средние дозы затормаживают физиологические процессы, большие – вызывают глубокие патологические нарушения, сверхвысокие дозы полностью прекращают жизненные процессы.

В зависимости от проникающей способности излучений ионизирующая радиация вызывает различные поражения. Так, внешнее облучение альфа- и бета-частицами, слабо проникающими в ткани, вызывает главным образом изменения в коже, а рентгеновыми и гамма-лучами или нейтронами, обладающими большой проникающей способностью, чаще приводит к общему поражению в виде лучевой болезни.

Для объяснения механизма первичного действия ионизирующих излучений на живые клетки предложено большое число гипотез и теорий.

Известны теории прямого и непрямого действия ионизирующих излучений. При прямом действии предполагается, что в основе повреждения клеток тканей лежит процесс ионизации. Когда в результате прямого попадания ионизирующей частицы в биомолекулы могут наступить различные денатурационные изменения в них, например: разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов, расщепление молекул, подавление действия ферментов, изменений проницаемости клеточных оболочек, кислородное голодание тканей, нарушение нервной трофики и др.

Непрямым или косвенным действием ионизирующего излучения называют радиационно-химические изменения структур (молекул, клеток и т.д.), обусловленные продуктами радиолиза воды или растворенных в ней веществ (свободные радикалы, перекись водорода, гидропероксид, органические перекиси).

О различии прямого и косвенного действии радиации на биологические объекты и величину их влияния на развитие лучевого поражения можно судить по двум феноменам – эффекту разведения и кислородному эффекту.

Эффект разведения – это состояние, при котором абсолютное число поврежденных молекул веществ в слабом растворе не зависит от его концентрации и остается для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов.

Кислородный эффект предполагает, что развитие первичных реакций при облучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением его концентрации в окружающей среде и объекте облучения усиливается эффект лучевого поражения и, наоборот, при понижении концентрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого поражения.

Дальнейшим развитием теории прямого действия излучений является теория «мишени». Эта теория подразумевает, что в животной или растительной клетках имеются чувствительные к излучению участки – «мишени» и что только при попадании ионизирующей частицы в эти участки происходят в клетке изменения, которые можно оценить количественно; в этом заключается преимущество данной теории.

Предложена гипотеза, объясняющая лучевую болезнь как следствие изменения иммунной системы.

Общим недостатком выдвинутых теорий и гипотез первичных механизмов лучевого поражения является то, что выдвигаемые положения не удается подтвердить в экспериментальных условиях на теплокровных животных.

В механизме биологического действия ионизирующего излучения на живые объекты можно выделить следующие этапы: первичный физический, радиационно-химический и биологический (морфологический).

На первичном физическом этапе взаимодействия излучения биологическая ткань поглощает энергию, образуются ионы, а также возбужденные атомы и молекулы.

В простых веществах, молекулы которых состоят из атомов одного и того же элемента (газы, металлы и т.д.), процессу ионизации сопутствует процесс рекомбинации. Ионизированный атом присоединяет к себе один из свободных электронов, которые всегда имеются в среде, в результате вновь образуется нейтральный атом. Возбужденный атом возвращается в нормальное состояние путем перехода электрона с внешних оболочек на более близко расположенные к атомному ядру. При этом происходит испускание одного или нескольких фотонов характеристического излучения. Таким образом, ионизация и возбуждение атомов простых веществ не приводят к каким-либо изменениям физико-химической природы облучаемой среды.

Иначе дело обстоит при ионизации и возбуждение сложных молекул, в данном случае происходит их диссоциация в результате разрыва химических связей. Это так называемое прямое действие излучения. Под косвенным действием излучения понимают радиационно-химические изменения в данном растворенном веществе, обусловленные продуктами радиолиза воды.

Ионизированные и возбужденные атомы и молекулы обладают большой биохимической активностью. Появление новых активных ионов может индуцировать новые радиохимические реакции, несвойственные организму, а также изменять скорость естественно протекающих реакций в различных звеньях промежуточного обмена. Накопление этих активных агентов приводит к резким нарушениям жизнедеятельности облученных клеток, тканей и организма в целом.

Вследствие ионизации в биологических средах образуются свободные радикалы, которые обладают очень высокими химическими (окислительными и восстановительными) способностями, за счет наличия неспаренного электрона в одном из атомов ионизированной молекулы.

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект косвенного действия. При облучении примерно половина поглощенной энергии влияет на организм по типу прямого (45%), а остальная (55%) – косвенного действия. Так, в чистых сухих веществах будет преобладать прямое действие, в слабых растворах – косвенное.

Итак, получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментами и других структурными элементами биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются:

1) Обменные процессы;

2) Подавляется активность ферментных систем;

3) Замедляется и прекращается рост тканей;

4) Возникают новые химические соединения, не свойственные организму, – токсины (радиотоксины). Об их наличии в облученных организмах свидетельствует тот факт, что при введении крови от облученных животных, у необлученных реципиентов в ряде органов и систем возникают изменения, свойственные лучевому поражению.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом и вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением.