БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ И. И. Лекция 4. Радиобиологические

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

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

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

2. ПРЯМОЕ И НЕПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ И.И. ВСЕ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ФУНКЦИОНИРУЮТ В ВОДНОМ ОКРУЖЕНИИ. – ИОНИЗАЦИИ НА РАДИАЦИОННО- ФИЗИЧЕСКОЙ СТАДИИ ПОДВЕРГАЮТСЯ МОЛЕКУЛЫ КАК ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, ТАК И ВОДЫ: H2O + h  H2O+ + e- Поэтому на следующей, радиохимической стадии процессы могут развиваться по ПРЯМОМУ и НЕПРЯМОМУ (КОСВЕННОМУ) механизму.

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

РАДИОЛИЗ ВОДЫ РАЗЛОЖЕНИЕ ИОНИЗИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛ ВОДЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ – РАДИОЛИЗ ВОДЫ: H2O+  H+ + OH· e- + H2O  H2O- H2O-  OH- + H˙ H2O+ + e-  H2O H2O  H˙ + OH˙

В присутствии кислорода: H˙ + O2  HO˙2 (гидроперекисный радикал) HO˙2 + HO˙2   H2O2 + 2O (перекись водорода и атомарный кислород) Продукты радиолиза взаимодействуют с органическими молеку- лами и вызывают их аналогичные превращения.  НЕПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ – 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 ДОЗИМЕТРИЯ изучает ВЕЛИЧИНЫ, характеризующие действие И.И. на вещества, а также МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ для их измерения. ДОЗЫ ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПОГЛОЩЕННАЯ (ИЗЛУЧЕНИЯ)

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

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

Связь поглощенной и экспозиционной доз: D = f X, где f – коэффициент, зависящий от облуча-емого вещества и от энергии фотонов. Для воды и мягких тканей человека f = 1 при измере- нии доз во внесистемных единицах. Для костной ткани с увеличением энергии фотонов f уменьшается от 4,5 до 1. Связь между активностью препарата – источника гамма-фотонов и мощностью экспозиционной дозы: NX = kγ A / r2, где kγ – гамма-постоянная, характерная для ядра данного изотопа.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

АЛЬФА-ТЕРАПИЯ: ВВЕДЕНИЕ АЛЬФА-ЧАСТИЦ ВНУТРЬ ОРГАНИЗМА. Пример: РАДОНОВАЯ ТЕРАПИЯ - ЛЕЧЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫМИ ВОДАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ РАДИОАКТИВНЫЙ ИЗОТОП РАДОНА 222Rn86 И ЕГО ДОЧЕРНИЕ ПРОДУКТЫ. ВОЗДЕЙСТВИЕ: - НА КОЖУ - В ВИДЕ ВАНН, - ОРГАНЫ ПИЩЕВАРЕНИЯ - ПРИ ПИТЬЕ, - ОРГАНЫ ДЫХАНИЯ - ПУТЕМ ИНГАЛЯЦИЙ. ВОЗМОЖНО ВВЕДЕНИЕ ЛЕЧЕБНОГО ПРЕПАРАТА НЕПОСРЕДСТВЕННО ВНУТРЬ ОРГАНА И ОБРАЗОВАНИЕ ТАМ АЛЬФА-ЧАСТИЦ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ОРГАНА НЕЙТРОНАМИ. ЭЛЕКТРОНЫ И 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