БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ И. И. Лекция

БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ И. И. Лекция 4. 1. Радиобиологические процессы 1. Радиобиологические процессы. 2. Прямое и непрямое Это ПРОЦЕССЫ действие ионизиру- ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ющих излучений. ЖИВОЙ СИСТЕМОЙ ИОНИЗИРУЮЩИХ 3. Основы дозиметрии ИЗЛУЧЕНИЙ. ионизирующего излучения. ИМЕЮТСЯ КАК СХОДСТВО, 4. Применение ионизи- ТАК И РАЗЛИЧИЯ рующих излучений в С ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИМИ медицине. ПРОЦЕССАМИ.

Сравнение фото- и радиобиологических процессов Как и в ФБ-процессах, 1. ПРИ ВЗАИМОДЕЙ- в радиобиологических СТВИИ ЧАСТИЦ И процессах выделяют КВАНТОВ ПЕРВИЧНЫЕ – ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ • РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ С МОЛЕКУЛАМИ и ВЕЩЕСТВА – • РАДИОХИМИЧЕСКИЕ СТАДИИ. НЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ, А СРАЗУ Но: ИОНИЗАЦИЯ.

Различия ФБ и РБ процессов 2. ИОНИЗАЦИЯ - 3. РАЗВИТИЕ ПРАКТИЧЕСКИ СВОБОДНО- ВСЕХ ТИПОВ РАДИКАЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ - ПРОЦЕССОВ ПО ЦЕПНОМУ ОТСУТСТВИЕ МЕХАНИЗМУ СЕЛЕКТИВНОСТИ, (С САМОУСИЛЕНИЕМ). СВОЙСТВЕННОЙ СВЕТУ. (Одни свободные (Свет разных длин волн радикалы порождают по-разному поглощается другие, различными веществами. ) цепочки разветвляются и редко обрываются. )

2. ПРЯМОЕ И НЕПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ И. И. ВСЕ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ H 2 O + h H 2 O+ + e- СОЕДИНЕНИЯ ФУНКЦИОНИРУЮТ В ВОДНОМ ОКРУЖЕНИИ. – Поэтому на следующей, радиохимической стадии ИОНИЗАЦИИ НА РАДИАЦИОННО- процессы могут ФИЗИЧЕСКОЙ СТАДИИ развиваться ПОДВЕРГАЮТСЯ МОЛЕКУЛЫ по ПРЯМОМУ и КАК ОРГАНИЧЕСКИХ НЕПРЯМОМУ ВЕЩЕСТВ, (КОСВЕННОМУ) ТАК И ВОДЫ: механизму.

НЕПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ НА РАДИОХИМИЧЕСКОЙ НА РАДИАЦИОННО- СТАДИИ ХИМИЧЕСКОЙ СТАДИИ ПРЕОБРАЗУЮТСЯ СНАЧАЛА НЕПОСРЕДСТВЕННО ИОНИЗИРОВАННЫЕ ПРЕОБРАЗУЮТСЯ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ. ИОНИЗИРОВАННЫЕ ПРОДУКТЫ ЭТОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ. ВСТУПАЮТ В РЕАКЦИИ С ОРГАНИЧЕСКИМИ МОЛЕКУЛАМИ ЖИВОЙ ТКАНИ.

РАДИОЛИЗ ВОДЫ H 2 O+ H+ + OH· РАЗЛОЖЕНИЕ ИОНИЗИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛ ВОДЫ e - + H 2 O - ПОД ДЕЙСТВИЕМ H 2 O- OH- + H˙ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ – H 2 O + + e - H 2 O H˙ + OH˙ РАДИОЛИЗ ВОДЫ:

В присутствии Продукты радиолиза кислорода: взаимодействуют H˙ + O 2 HO˙ 2 с органическими молеку- (гидроперекисный лами и вызывают радикал) их аналогичные HO˙ 2 + HO˙ 2 превращения. H 2 O 2 + 2 O (перекись водорода и НЕПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ атомарный кислород) – действие «ЧЕРЕЗ ВОДУ» .

Последствия Свободные радикалы и прочие высокоактивные продукты первичных стадий РБ процессов вызывают изменение проницаемости мембран, активности ряда ферментов и в итоге приводят к значительным повреждениям клеток. Более того, если – под влиянием ионизирующего излучения – эти радикалы образуются в белках и нуклеиновых кислотах, то происходит изменение первичной структуры и пространственной организации этих важнейших биополимеров. Если не срабатывают механизмы репарации, то наступает лучевая болезнь.

3. ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ ДОЗЫ ДОЗИМЕТРИЯ изучает ВЕЛИЧИНЫ, ПОГЛОЩЕННАЯ характеризующие (ИЗЛУЧЕНИЯ) действие И. И. на вещества, а также МЕТОДЫ И ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ПРИБОРЫ для их измерения. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ

ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ, или ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ D: ДЛЯ ЛЮБОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ. • СИ – Дж/кг = Гр (грей) Это • Внесистемная единица – ЭНЕРГИЯ, ПОГЛОЩЕННАЯ рад ЕДИНИЦЕЙ МАССЫ (Radiation Absorbed Dose) ОБЛУЧАЕМОГО 1 рад = 10 - 2 Гр ВЕЩЕСТВА - D = E / m. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ND: МОЩНОСТЬ • Гр / с ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ: • рад / с ND = D / t.

ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА • ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ МОЩНОСТЬ ДЛЯ ФОТОНОВСКИХ ИЗЛУЧЕ- ЭКСПОЗИЦИОННОЙ НИЙ - РЕНТГЕНОВСКОГО ДОЗЫ: И ГАММА. NX = X / t. • ЗАРЯД, СОЗДАННЫЙ ПРИ ИОНИЗАЦИИ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ Х: ФОТОНОВСКИМ • СИ – Кл / кг. ИЗЛУЧЕНИЕМ • Внесистемные единицы ЕДИНИЦЫ МАССЫ - рентген ( Р ) ВОЗДУХА – 1 Р = 2, 58 10 - 4 Кл / кг. X = Q / m. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ NX: МЕРА ИОНИЗАЦИИ ВОЗДУХА РЕНТГЕНОВСКИМИ И • Кл / ( кг с ) = А / кг. ГАММА - ЛУЧАМИ. • Р / с.

Связь поглощенной и экспозиционной доз: D = f X, Связь между где f – коэффициент, активностью зависящий от облуча- препарата – источника емого вещества и от гамма-фотонов энергии фотонов. и мощностью Для воды и мягких тканей экспозиционной дозы: человека f = 1 при измере- NX = kγ A / r 2, нии доз во внесистемных где kγ – гамма- единицах. постоянная, Для костной ткани характерная для ядра с увеличением энергии данного изотопа. фотонов f уменьшается от 4, 5 до 1.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА ХАРАКТЕРИЗУЕТ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ К, или ОБЭ – ДАННОГО ВИДА коэффициент качества, ИОНИЗИРУЮЩЕГО или ИЗЛУЧЕНИЯ. относительная биологи- H = D·K ческая эффективность Здесь D – поглощенная доза (качественный аспект – (количественный аспект – ПРИ ОДНОЙ И ТОЙ ЖЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЕ ЛЮБОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕМ БОЛЬШЕ, РАЗЛИЧНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ ЧЕМ БОЛЬШЕ ЕГО РАЗНОЕ). ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА).

КОЭФФИЦИЕНТ КАЧЕСТВА (ОБЭ) ПОКАЗЫВАЕТ, Величина К зависит от ВО СКОЛЬКО РАЗ ВИДА ИЗЛУЧЕНИЯ и ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО ЭНЕРГИИ. БИОЛОГИЧЕСКОГО • для ФОТОНОВСКИХ, а ДЕЙСТВИЯ также БЕТА-излучений ДАННОГО ВИДА K = 1. ИЗЛУЧЕНИЯ • для АЛЬФА-излучения БОЛЬШЕ ФОТОНОВСКОГО К ≈ 20. ПРИ ОДИНАКОВОЙ ДОЗЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ТКАНЯХ.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ: • Радиоактивный фон соответствует • СИ - зиверт (Зв) эквивалентной дозе 125 мбэр. • Внесистемная единица - бэр • Минимальная (биологический летальная доза гамма- эквивалент рентгена) излучения (при облучении всего организма) - 1 бэр = 10 - 2 Зв около 600 бэр.

4. ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ Классификация По действующему методов - фактору - по назначению и по действующему действие рентгеновского фактору. излучения и По назначению - радиоактивных ДВЕ ГРУППЫ МЕТОДОВ: излучений • МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ • МЕТОДЫ ЛЕЧЕНИЯ

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ: рентгенодиагностика РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА - Разновидности: ПРОСВЕЧИВАНИЕ РЕНТГЕНОСКОПИЯ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ и рентгеновскими лучами. РЕНТГЕНОГРАФИЯ. ОСНОВА - РАЗЛИЧНОЕ РЕНТГЕНОСКОПИЯ: ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ НА ЭКРАНЕ, РАЗНЫМИ ТКАНЯМИ. ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩЕМ В РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧАХ. Взаимодействие в основном через РЕНТГЕНОГРАФИЯ: ФОТОЭФФЕКТ, = Ф. ИЗОБРАЖЕНИЕ НА ФОТОПЛЕНКЕ. Интенсивность невелика ФЛЮОРОГРАФИЯ.

Флюорография В этом методе Современные изображение с экрана диагностические аппараты переснимается на обеспечивают скорость особо чувствительную съемки до 6 кадров в секунду. малоформатную Высокая пропускная пленку. способность флюорогра- Все необходимые фического кабинета, для съемки элементы относительно небольшая объединены в общую лучевая нагрузка, светонепроницаемую удобство хранения систему, что флюорограмм позволяет производить делают флюорографию съемку в незатемненном массовым методом помещении. обследования.

Рентгеновская томография Позволяет видеть Современный эффек- очень маленькие тивный вариант р/д – опухолевые КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕНТГЕ- образования. НОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ, т. е. послойная запись (сканирование) В 1979 г. ученым, разра- участков тела в рентг. ботавшим компьютер- лучах ный рентгеновский с последующей томограф, обработкой была присуждена изображения на ЭВМ. Нобелевская премия.

Синхротронное излучение Интересный вариант – Особенности механизма: применение для диагностики СЕЛЕКТИВНО СИНХРОТРОННОГО ПОГЛОЩАЕТСЯ излучения = смесь НЕКОТОРЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ мягкого рентгеновского (НАПРИМЕР, ИОДОМ), и УФ. СОДЕРЖАНИЕ КОТОРЫХ В Позволяет производить ПАТОЛОГИЧЕСКИ раннюю диагностику ИЗМЕНЕННЫХ ТКАНЯХ злокачественных БЫВАЕТ ПОВЫШЕНО. опухолей.

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ: радиодиагностика СЦИНТИГРАФИЯ – Основан на существо- вании стабильного и МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ В радиоактивных ОРГАНИЗМ изотопов элемента. И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ИЗУЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ Радиоактивные изо- РАДИОАКТИВНЫХ топы имеют свойство ИЗОТОПОВ. избирательно Это разновидность накапливаться МЕТОДА в определенных органах МЕЧЕНЫХ АТОМОВ. и тканях.

Сцинтиграфия У ЧЕЛОВЕКА: • ИОД - В ЩИТОВИДНОЙ ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ И ЖЕЛЕЗЕ; СКОРОСТИ НАКОПЛЕНИЯ • УРАН, СТРОНЦИЙ, РАДИОАКТИВНЫХ РАДИЙ - В КОСТЯХ; ИЗОТОПОВ – • КАЛИЙ - В НЕРВНОЙ И О СОСТОЯНИИ ТКАНЕЙ И МЫШЕЧНОЙ ТКАНЯХ. ОРГАНОВ. ПРОДУКТЫ КОЛИЧЕСТВО ВВОДИМЫХ РАДИОАКТИВНОГО ИЗОТОПОВ МАЛО. РАСПАДА ИХ ЯДЕР – С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРОВ.

Ионная радиография ИОННАЯ РАДИОГРАФИЯ • МОЖНО РАЗЛИЧАТЬ СТРУКТУРЫ РАЗНОЙ - ПЛОТНОСТИ. РЕГИСТРАЦИЯ ПОТОКА РАЗОГНАННЫХ • МЕТОД, РОДСТВЕННЫЙ В УСКОРИТЕЛЕ РЕНТГЕНОГРАФИИ, НО АЛЬФА-ЧАСТИЦ И ПОЗВОЛЯЕТ ЛУЧШЕ ПРОТОНОВ РАЗЛИЧАТЬ СТРУКТУРУ ДО И ПОСЛЕ ПРОХОЖДЕ- МЯГКИХ ТКАНЕЙ. НИЯ ОБЪЕКТА.

МЕТОДЫ ТЕРАПИИ ИОНИЗАЦИЯ • РЕНТГЕНО- И ГАММА- И ОБРАЗОВАНИЕ ТЕРАПИЯ : ВЫСОКОАКТИВНЫХ т. к. фотоны успевают ПРОДУКТОВ проделать большой РАЗРУШЕНИЕ ТКАНЕЙ. путь до взаимодействия с ОСНОВНОЕ частицами вещества, НАЗНАЧЕНИЕ - ГЛУБОКО РАСПОЛОЖЕННЫЕ УНИЧТОЖЕНИЕ ОПУХОЛИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ РАЗРУШАЮТСЯ, ОБРАЗОВАНИЙ. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ТКАНИ ПОВРЕЖДАЮТСЯ МАЛО.

- ОРГАНЫ ПИЩЕВАРЕНИЯ - ПРИ ПИТЬЕ, • АЛЬФА-ТЕРАПИЯ: - ОРГАНЫ ДЫХАНИЯ - ВВЕДЕНИЕ АЛЬФА- ПУТЕМ ИНГАЛЯЦИЙ. ЧАСТИЦ ВНУТРЬ ОРГАНИЗМА. ВОЗМОЖНО ВВЕДЕНИЕ Пример: ЛЕЧЕБНОГО ПРЕПАРАТА РАДОНОВАЯ ТЕРАПИЯ - НЕПОСРЕДСТВЕННО ЛЕЧЕНИЕ ВНУТРЬ ОРГАНА МИНЕРАЛЬНЫМИ И ОБРАЗОВАНИЕ ТАМ ВОДАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ АЛЬФА-ЧАСТИЦ РАДИОАКТИВНЫЙ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ОРГАНА ИЗОТОП РАДОНА 222 Rn 86 НЕЙТРОНАМИ. И ЕГО ДОЧЕРНИЕ ПРОДУКТЫ. ВОЗДЕЙСТВИЕ: • ЭЛЕКТРОНЫ И - НА КОЖУ - В ВИДЕ ВАНН, ПРОТОНЫ, разогнан- ные в ускорителях.

По действующему фактору Рентгеновское излучение Рентгено- Рентгено- диагностика терапия Р. -скопия Р. -графия Синхротронное излучение

РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОДИАГНОСТИКА РАДИАЦИОННАЯ ТЕРАПИЯ СЦИНТИГРАФИЯ ГАММА АЛЬФА ИОННАЯ РАДИОГРАФИЯ ЭЛЕКТРОНЫ и ПРОТОНЫ