Современные представления о механизме биологического действия излучений

 

1. ОглавлениеВведение
2. Особенности действия ионизирующих излучений на организм  как этиологических факторов
3. Механизм действия ионизирующего излучения
4. Стадии прямого действия излучения
5. Теории, подтверждающие прямое действие ионизирующего излучения
6. Косвенное действие ионизирующего излучения
7. Теории, подтверждающие косвенное действие
8. Действие радиации на организм
9. Опосредованные эффекты облучения 
    
   

Биологическое действие ионизирующих излучений — это изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц и бета-излучения, протонов) и нейтронов.

Исследования биологического действия ионизирующего излучения были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и явления радиоактивности (1896). В 1896 русский физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования Б. д. и. и. с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии

 

Особенности действия ионизирующих излучений на организм  как этиологических факторов.

1. Неощутимость — у человека и животных нет рецепторов на ионизирующее излучение.

2. Проявление процесса наблюдается не сразу, а спустя некоторое время.

3. Зависимость степени повреждения от дозы и мощности дозы излучения, а также от величины облученного участка тела.

4. Кумуляция повреждения: при повторном облучении, если предыдущие повреждения не успели восстановиться, патологический процесс усугубляется.

5. Четко проявляется дифференциация радиочувствительность различных клеток. Тканей, органов и систем, животных различного пола и возраста, вида и т.д.

 

Механизм действия ионизирующего излучения.

Механизм биологического действия ионизирующего излучения проходит в 2 этапа:

1. Непосредственное действие излучения на организм, появление первичных радиационно-химических изменений. Изменения появляются в результате:

- прямого действия излучения; при  нем происходит первичное повреждение  молекул. Такое действие включает 3 стадии: физическую, фиико-химическую и химическую.

- косвенного действия излучения; вследствие такого действия происходит  образование свободных радикалов.

2. Опосредованное действие излучения через нервную, гуморальную и эндокринную системы.

 

Стадии прямого действия излучения.

Физическая стадия. На данном этапе происходит поглощение энергии излучения в актах ионизации и возбуждение атомов и молекул. Линейная передача энергии (ЛПЭ) — количество энергии, переданное облучаемому объекту на единице пути.

Физико-химическая. Состоит из различных типов реакций, приводящих к перераспределению между возбужденными молекулами избыточной энергии. В результате электронно-возбужденного состояния атомов и молекул появляются разнообразные активные продукты: ионы, радикалы с широким спектром химических свойств. Они являются крайне реакционно способными:

Н2О+ → Н+ +  ОН-;

Н2О- → Н+ + ОН- ;

Н2О+ → Н+ + ОН+;

Ионизированная молекула воды реагируется с другими молекулами.

Химическая. Радикалы взаимоействуют между собой и с другими атомами и молекулами, образуя много ильных окислителей.

Ионы и радикалы взаимодействуют друг с другом и с окружающими молекулами, формируя структурные повреждения различного типа.

 

Теории, подтверждающие прямое действие ионизирующего излучения.

1. Теория «попаданий и мишений» (Дессауэр, Кроутер, Д. Ли, Тимофеев Ресовский Н. В.). Формальное объяснение первичных механизмов биологического действия ионизирующих излучений, в том числе, и радиобиологического парадокса. Сформулирована в 20—30-х гг. ХХ в. Согласно ей, в биологических объектах имеются особо чувствительные объемы — «мишени», поражение которых приводит к поражению всего объекта. Клетки и ткани состоят из огромного числа макромолекул, мицелл, фибрилл, мембран и других структур различного строения и величины. При применяемых в радиобиологии дозах облучения вероятность попадания частицы или фотона в редкую, но жизненно важную внутриклеточную «мишень» (макромолекулярную и биологически активную структуру) невелика. Однако в результате редких попаданий в такую «мишень» даже небольшие дозы ионизирующих излучений могут вызвать гибель клетки или какие-либо редкие специфические реакции в ней (например, мутации отдельных генов), частота которых будет возрастать с дозой облучения. Т.о. мишень в радиобиологии (на молекулярном и/или клеточном уровнях) — формальное обозначение того микрообъема (например, ДНК), в котором должны произойти одна или несколько ионизаций (попаданий), приводящих к изучаемой реакции. Классическое применение принципа «попадания» сводится к анализу зависимости (от дозы излучения с данным значением ЛПЭ) частоты попаданий в данное число эффективных объемов данного размера. Исходя из принципов классической теории мишени, количество попаданий должно быть прямо пропорциональным дозе облучения. Поэтому в определенном диапазоне доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества; в связи с этим зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии. С повышением дозы облучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличивается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность уменьшается, и количество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптотически приближаясь к 100 %. Иначе говоря, количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы. Теория мишени не является универсальной и не объясняет всех биологических эффектов, возникающих под действием ионизирующих излучений.

2. Стохастическая (О. Хуг, А. Келлерер). Она является дальнейшим развитием теории прямого действия ионизирующих излучений. Суть  взглядов создателей заключалась в том, что взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость "доза-эффект» обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структуры-мишени, но и состоянием биологического объекта как динамической системы.

3. Правило Бергонье и Трибондо. Чувствительность клетки к облучению прямо пропорциональна интенсивности клеточного деления и обратно пропорциональна степени их дифференцировки (исключением являются нервные клетки и лимфоциты).

4. Вероятностная модель радиационного поражения клетки (Капульцевич Ю. Г.). Согласно этой модели разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но в отличие от классических представлений и потенциальные, и реализованные повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы. Реализованные повреждения (или индуцированные ими изменения) наследуются при делении клеток и с некоторой вероятностью, зависящей от числа этих повреждений, приводят к неосуществлению клеточного деления. При этом вероятность проявления повреждения может зависеть как от биологических (генетических) особенностей клеток, так и от условий их культивирования, увеличиваясь при ухудшении этих условий.

Модель описывает не только качественно, но и количественно (с помощью специальной системы уравнений) различные проявления нарушений репродуктивной способности клеток, вероятностная модель выгодно отличается от классических схем тем, что позволяет предсказать наблюдаемое многообразие радиобиологических эффектов на основе минимума исходных предположений.

Главное отличие этой модели от предыдущих теорий состоит в том, что, согласно последним, радиочувствительность клетки определяется лишь объемом мишени и критическим числом попаданий. С позиций же вероятностной модели проблема радиочувствительности представляется более сложной. Процесс радиационного поражения клетки Ю. Г. Капульцевич формально делит на три этапа.

Первый этап радиационного поражения - осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения.

Второй этап радиационного поражения — реализация потенциальных повреждений.

Третий этап радиационного поражения — различные вторичные нарушения нормального протекания внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждений. 

В итоге, вероятностная модель описывает многообразие проявления действия излучений на репродуктивную способность клеток, зависимость радиобиологических эффектов от условий культивирования клеток и физических характеристик излучения.

 

 

Косвенное действие ионизирующего излучения.

При данном механизме действия ионизирующего излучения происходит диссоциация молекул и образование высоко-реактивных свободных радикалов, взаимодействие первичных продуктов радиолиза с ненарушенными молекулами низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, окисление и деструкция, образование и разрушение полимеров.

Визуально определяются нарушения биологической организации на субклеточном и клеточном уровнях:

• нарушение структурно-биологических мембран;

• изменение активности и функций ферментов;

• нарушение обмена веществ;

• появление хромосомных аберраций и т. д.

 

Теории, подтверждающие косвенное действие.

1. Теория свободных радикалов (1940 г.), или «теория липидных радиотоксинов». Она базируется на выдвинутой Б. Н. Тарусовым и Н. М. Эмануэлем концепции о решающей роли в начальных процессах лучевого поражения цепных окислительных реакций свободнорадикального типа, наиболее подходящим субстратом для которых являются липиды. Так как последние представляют собой структурные элементы клеточных мембран, их поражение приводит к нарушению регуляции химизма живой клетки вплоть до уровня, приводящего ее к гибели. Возникновению цепных реакций согласно этой концепции, способствует вызываемое облучением разрушение или ингибирование природных антиокислительных (антиоксидантных) систем; в клетках, необлученных организмов они предохраняют липиды от самопроизвольного окисления.

Анализ современных, экспериментальных данных не дает, однако, оснований для признания концепции ЛРТ и цепных реакций в качестве универсальной теории летального действия ионизирующих излучений на клетку. , поэтому была выдвинута еще одна теория.

2. В монографии «Структурно-метаболическая теория в радиологии» (1986) сделана попытка анализа многочисленных фактов, накопленных радиобиологией за текущие десятилетия. В этой книге автор приходит к заключению, что «структурно-метаболическая теория является общей теорией действия радиации на биологические объекты, начиная с клеточного уровня и кончая высокоорганизованными многоклеточными организмами». Эта теория «рассматривает механизмы как поражающего действия сублетальных и летальных доз радиации, так и стимулирующего действия малых доз радиации. Она применима и при исследовании синергизма действия ионизирующей радиации с другими физическими и химическими факторами».

Положения сруктурно-метаболической теории Кузина А. М.

1. Учитывается неравномерность распределения поглощенной энергии.

2. Используется принцип попадания и мишеней.

3. В облученной клетке возникают радиационно-химические повреждения.

4. Снтезируются высокореакционные продукты, которые дополнительно повреждают биологически важные макромолекулы — хиноны, ортохиноны, токсические метаболиты или первичные радиотоксины (ПРТ).

Структурно-метаболическая теория обобщает все теории, учитывая дискретный характер передачи энергии ионизирующего излучения молекулами и структурами клетки (принцип попадания и теория мишеней); отводит ведущую роль в радиоционных эффектах нарушениям в клеточном ядре (стохастическая теори).

 

Усиление действия радиации.

Действие радиации усиливается:

1. В присутствии  растворенного кислорода (кислородный  эффект).

2. При повышении  влажности (сухие семена более  устойивы, чем влажные, покоящиеся устойчивее прорастающих).

3. При повышении  температуры (температурный эффект).

 

Разновидности облучения.

1. Острое — за короткий промежуток времени.

2. Пролонгированное — длительное, но ограниченное время.

3. Дробное — с перерывами между порциями облучения.

4. Хроническое — длительное время, но обычно малыми дозами облучения.

 

Результаты воздействия тем меньше, чем:

• более дробно получена доза;

• более растянута она во времени.

1 Грей (Гр) =  100 рентген

Малыми считаются те дозы, которые не превышают 50 рентген.

Пороговая гипотеза: есть порог дозы, ниже которой нет никаких негативных последствий для здоровья человека.

Линейная беспороговая теория: любые радиационные воздействия на организм опасны.

 

Действие радиации на организм.

Существуют различия между последствиями радиационного воздействия, которые возникают вскоре после облучения - острые последствия - и последствиями, которые будут наблюдаться намного позже - хронические последствия.