История развития представлений и радиологии

Классификация нейтронов  в зависимости от энергии 

 

Название	Энергия частицы
Тепловые	<0,1 эВ
Медленные	0,1-500,0 эВ
Промежуточные	0,5-100,0 кэВ
Быстрые	0,1-10,0 МэВ
Очень больших энергий	10-1000 МэВ
Сверхбыстрые (релятивистские)	>1000 МэВ

 

 

Большинство нейтронов, образующихся при взрывах атомных боеприпасов, относится к быстрым нейтронам, а при взрывах водородных боеприпасов — к нейтронам очень больших энергий.

Так как нейтроны не имеют  заряда, они не оказывают непосредственного влияния на электронную оболочку атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, нейтроны либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (участие в ядерных перестройках). Ниже раскрывается содержание процессов взаимодействия нейтронов с атомами вещества.

Упругое рассеяние. При столкновении с ядрами углерода, азота, кислорода, фосфора нейтроны теряют 10—15% , а при столкновении с ядрами водорода — до 2/3 своей энергии. Потерянная нейтронами энергия передается «ядрам отдачи» — положительно заряженным частицам, имеющим высокую ионизирующую способность.

 Плотноионизирующие и редкоионизирующие излучения.

Первичные изменения атомов и молекул сводятся к ионизации или возбуждению и качественно не зависят от вида действующего на них ИИ. Однако при одном и том же количестве энергии, поглощенной единицею массы вещества, микропространственное распределение этой энергии в облученном объеме различно. Это различие определяется линейной пере­дачей энергии (ЛПЭ) — количеством энергии, передаваемой частицей веществу в среднем на единицу длины пройденного в нем пути.

Редкоионизирующие излучения отличаются сравнительно высокой проникающей способностью, и в силу этого их энергия распределяется в объеме облучаемых тел более равномерно, чем в случае воздействия плотноионизирующих ИИ. Для микроскопических тел (по размерам сопоставимых с клетками) эта разница несущественна и различия в эффекте равных по энергии количеств излучения определяются исключительно величиной ЛПЭ. С величиной ЛПЭ прямо связана и относительная биологическая эффективность (ОБЭ) излучения в отношении микроскопических биообъектов.

При воздействии на вещество нейтронов образуются ядра отдачи, величина ЛПЭ которых велика. Поэтому и нейтроны относят к плотноиони-зирующим ИИ. Вместе с тем нейтроны обладают и большой проникающей способностью; образующиеся при их действии плотноионизирующие частицы возникают на разной глубине в толще облучаемого объекта.

Основные источники  ионизирующих излучений 

 

По происхождению  источники ИИ подразделяются на естественные и искусственные. В промышленно развитых странах от естественных источников население получает около 2/3 суммарной дозы облучения. Медицинские процедуры (лучевая диагностика и лучевая терапия) обусловливают около трети этой дозы, а вклад в нее атомной энергетики, других мирных форм применения источников ИИ и испытаний ядерного оружия пренебрежимо мал.

 

 

Совокупность потоков  ИИ, происходящих из естественных источников, называется природным радиационным фоном Земли. Согласно современным представлениям, последний играет важную роль в качестве движущей силы изменчивости биологических видов, а также одного из факторов поддержания неспецифической резистентности организма.

Извне на организм воздействует в основном у-излучение, источником которого преимущественно являются радиоактивные вещества, присутствующие в земной коре. В каменных зданиях интенсивность внешнего у-облучения в несколько раз ниже, чем на открытой местности, что объясняется экранирующими свойствами конструкционных материалов. Используя специальные приемы экранирования, удается практически полностью устранить внешнее у-облучение организма. По мере увеличения высоты над поверхностью моря роль земных источников внешнего облучения уменьшается. При этом возрастает космическая составляющая природного радиационного фона.

Большинство естественных источников ИИ таковы, что избежать их излучения невозможно: это радиоактивные вещества, входящие в состав организма. Их вклад в суммарную дозу от естественных источников составляет около 2/3.

Искусственные (техногенные) источники ИИ включают в себя рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц, а также устройства, содержащие радионуклиды. Последняя группа подразделяется на открытые (имеющие непосредственный контакт с атмосферой) и закрытые (заключенные в герметичную оболочку) источники ИИ. Как правило, закрытые источники ИИ используют с целью внешнего лучевого воздействия на объекты. Они являются конструктивными элементами у-терапевтических установок, дефектоскопов, атомных реакторов, а также некоторых дозиметрических и радиометрических приборов.

Источниками слабого  рентгеновского излучения могут  служить радиолампы и электронно-лучевые трубки, широко представленные в производственной и бытовой технике. Однако в штатных условиях эксплуатации интенсивность лучевого воздействия на человека со стороны этих устройств не выходит за основные дозовые пределы, регламентируемые нормами радиационной безопасности.

Основной вклад  в дозу, получаемую человеком от искусственных источников ИИ, в настоящее время вносят лечебные и диагностические процедуры.. В экономически развитых странах дозы облучения населения с медицинскими целями втрое выше, чем в мире в среднем. 
Источники ИИ, наиболее актуальные в военное время. В случае применения ядерного оружия или крупномасштабных аварий на объектах ядер--ной энергетики ожидается многократное возрастание интенсивности лучевых воздействий на организм. Основными радиационными факторами ядерного взрыва являются проникающая радиация и радиоактивное заражение местности (РЗМ). 

 

РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ. 

Радиобиологическими эффектами  называются изменения, возникающие  в биологических системах при  действии на них ИИ. Сложность организма как биологической системы предопределяет многообразие радиобиологических эффектов. Критериями их классификации служат уровень формирования, сроки появления, локализация, характер связи с дозой облучения, значение для судьбы облученного организма, возможность передачи по наследству последующим поколениям и др.

Классификация радиобиологических эффектов

1. Уровень формирования

На молекулярном уровне облучение  биосистем вызывает набор характерных изменений, обусловленных взаимодействием биомолекул с самим излучением либо продуктами радиолиза воды. К таким изменениям относят разрывы, сшивки, изменения последовательности мономеров в молекулах биополимеров, потерю ими фрагментов, окислительную модификацию, образование аномальных химических связей с другими молекулами. Доля поврежденных биомолекул положительно связана с их молекулярной массой. Например, после облучения в дозе 10 Гр в клетке оказываются поврежденными 0,015% молекул олигосахаридов, 0,36% — аминокислот, 1% — белков и 100% — нуклеиновых кислот. С уязвимостью ДНК и ее уникальной ролью генетической матрицы связана ведущая роль повреждений ДНК как основы радиобиологических эффектов, формирующихся на более высоких иерархических уровнях биосистемы. Во время митоза повреждения ДНК в клетке проявляются хромосомными аберрациями, основными видами которых являются фрагментация хромосом, формирование хромосомных мостов, дицентриков, кольцевых хромосом, внутри- и межхромосомных обменов и т. п. Однако многие клетки погибают после облучения еще до митоза, а следовательно, и до появления хромосомных аберраций.

На клеточном уровне воздействие  ИИ вызывает интерфазную или репродуктивную гибель клеток, временный блок митозов и нелетальные мутации.

Действие ИИ на системном  уровне характеризуется цитопеническим эффектом, в основе которого лежат, преимущественно, гибель клеток и радиационный блок митозов.

Радиобиологические эффекты, возникающие на уровне организма  и популяции, классифицируются в  соответствии с критериями, перечисленными ниже.

2. Сроки появления

По этому признаку радиобиологические эффекты, возникающие в организме и популяции, принято подразделять на ближайшие и отдаленные. Ближайшие эффекты проявляются в сроки до нескольких месяцев после облучения и связаны с развитием цитопенических состояний в различных тканевых системах организма. Примерами ближайших эффектов облучения могут быть острая лучевая реакция, острая лучевая болезнь, лучевая алопеция, лучевой дерматит.

Отдаленные эффекты возникают  спустя годы после облучения, на фоне полной регрессии основных клинических  проявлений острого поражения. Несмотря на причинную связь с облучением, отдаленные радиобиологические эффекты не являются специфическими для радиационного воздействия — эта патология вызывается и нелучевыми факторами. Примерами отдаленных последствий облучения являются опухоли, гемобластозы, гипопластические, дистрофические, склеротические процессы. Интегральным проявлением этих последствий служит сокращение продолжительности жизни организмов, перенесших острое лучевое поражение. В случае общего внешнего однократного облучения млекопитающих данный эффект составляет 2—6% средней видовой продолжительности жизни на каждый грей, хотя в области малых доз облучения (по разным данным, менее 4-15 сГр) он, по-видимому, не проявляется.

3. Локализация

Радиобиологические эффекты  могут быть классифицированы в зависимости от органа или части тела, в которых они регистрируются. Весьма актуальна такая классификация в практике лечения онкологических заболеваний, когда пораженный опухолью участок тела облучается в высокой дозе при тщательном экранировании здоровых тканей. При локальном облучении органа или сегмента тела наиболее сильное поражающее действие ИИ проявляется именно в нем (такой эффект называют местным действием ИИ). Однако изменения возникают и в необлученных тканях. В последнем случае говорят о дистанционном действии ИИ. Его примером может служить уменьшение числа миелокариоцитов в костном мозге экранированной конечности после облучения животных.

 

Данный эффект обусловлен миграцией форменных элементов в опустошенные участки кроветворной ткани, подвергшиеся облучению, подавлением ми-тотической активности «радиотоксинами», поступающими с кровью в экранированные ткани из облученных, физиологическим стрессом, сопровождающим облучение. Конечно, эти факторы влияют и на ткани в зоне облучения, однако в ней непосредственное действие ИИ преобладает над опосредованным.

Местное действие ИИ имеет  решающее значение для возникновения  не только ближайших, но и отдаленных радиобиологических эффектов. Поэтому  для оценки риска канцерогенного эффекта, сопровождающего неравномерное  облучение, каждому органу присвоен взвешивающий коэффициент, величина которого меньше 1. Умножением эквивалентной дозы облучения органа на соответствующий ему взвешивающий коэффициент получают эффективную дозу облучения органа. Суммируя эффективные дозы для органов, подвергшихся облучению, получают эффективную дозу неравномерного облучения организма. Последняя численно равна эквивалентной дозе равномерного облучения организма, при которой вероятность развития потенциально смертельной опухоли соответствует рассматриваемому варианту неравномерного облучения.

4. Характер связи с дозой  облучения

По данному критерию радиобиологические эффекты четко разграничены на стохастические (вероятностные) и нестохастические (детерминированные).

Признаками стохастического  эффекта являются (1) беспороговость и (2) альтернативный характер. Беспороговость стохастических эффектов означает, что сколь угодно малые дозы облучения способны влиять на частоту их возникновения. Альтернативный характер проявляется в том, что стохастические эффекты, подчиняясь закону «все или ничего», не могут быть охарактеризованы таким показателем, как «выраженность». Примером стохастического эффекта облучения на клеточном уровне может служить гибель клетки; на уровне целостного организма — возникновение злокачественной опухоли. С увеличением дозы облучения вероятность возникновения стохастического эффекта растет (рис. 66, слева), но его качество остается неизменным. При достаточно больших дозах часть облученных организмов погибает до развития у них соответствующих стохастических эффектов, что объясняет «плато» на графике, показанное пунктиром.

Признаками нестохастического эффекта являются (1) пороговый характер и (2) градиентная связь амплитуды с дозой облучения. Если доза облучения превышает пороговую величину (Д_п), то нестохастический эффект возникает со 100% вероятностью, причем его амплитуда монотонно возрастает с увеличением дозы.

Знание дозовых «порогов»  нестохастических эффектов*(т. е. минимальных значений вызывающих их доз) весьма важно для диагностики и профилактики лучевых поражений.

 

Действие излучений на ткани, органы и системы. Радиочувствительность  тканей. 

Ткани организма весьма различаются  по радиочувствительности. Если гибель лимфоцитов или костномозговых клеток удается зарегистрировать после  облучения в дозах, равных десятым  долям грея, то мышечные и нервные  клетки выдерживают нередко дозы в десятки грей. Определенная закономерность в распределении тканей по радиочувствительности отмечена еще в самом начале изучения биологического действия излучений в 1906 г. французскими учеными Бергонье и Трибондо. Ими было сформулировано правило, согласно которому ткани тем более радиочувствительны, чем выше пролиферативная активность составляющих их клеток, и тем более радиорезистентны, чем выше степень их дифференцировки.

Высокую радиочувствительность  активно пролиферирующих клеток связывают с особой ролью при  облучении повреждений уникальных структур ядерной ДНК (см. выше). На тканевом уровне острое радиационное поражение проявляется нарушениями структуры и функции, зависящими прежде всего от клеточного опустошения ткани.

Хотя радиочувствительность  тканей определяется главным образом  радиочувствительностью составляющих эту ткань клеток, нельзя сбрасывать со счетов и опосредованные влияния радиации через поражение регулирующих систем — нервной, эндокринной. Кроме того, радиочувствительность органа зависит от его функционального состояния. Так, чувствительность обычно повышается при усилении функции органа (молочной железы в периоде лактации, щитовидной железы в состоянии гипертериоза и т. д.).