Особенности взаимодействия ионизирующих излучений с биологическим веществом

Радиочувствительность степень восприимчивости биологического объекта (клетки, ткани, органа, организма) к воздействию ионизирующей радиации. Мерой радиочувствительности служит доза излучения, вызывающая определённый уровень гибели облучаемых объектов Для молекул используется термин радиопоражаемость

Радиобиологический парадокс несоответствие между энергией излучения поглощенной биологическим объектом и последствиями, к которым приводит облучение

Теория мишени Принцип попадания характеризует дискретность поглощения энергии излучения и вероятностный характер «попадания» Принцип мишени характеризует важную особенность облучаемого объекта — биологического вещества, его высокую структурированность и гетерогенность в морфологическом и функциональном отношениях.

Ионизирующие излучение поток заряженных или нейтральных частиц вызывающий ионизацию воздуха. Ионизация эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул. (отрыв электрона от атома)

Прямая ионизация возникает при кулоновском взаимодействии заряженной ионизирующей частицы с электронами атомов среды Прямоионизирующие излучения: альфа, бета и др. виды ИИ, состоящие из заряженных частиц

Косвенная ионизация происходит при взаимодействии незаряженных частиц с веществом. Ионизацию производят вторичные (заряженные) частицы, образующиеся в этом взаимодействии. Косвеноионизирующие излучения: гамма, рентгеновское, нейтронное, т. е. состоящие из незаряженных частиц

Взаимодействие И. И. с веществом Косв. И. И. Прям. И. И Ионизирующее излучение УДЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ Ион. Рад. Яд. Вз. Т. З. Ч. ( , р, ) +++ → 0 Л. З. Ч. (e, e+) + ++ 0 n +++ → 0

Структура трека электрона Блоб Трек Короткий трек Разветвленный сферическая область, веществе, - путь частицы в цилиндрическая трек состоящая из (рой ионов, шпур) Шпора нескольких маркированный ионизациями область, состоящая шпор. Образуется при тесно расположенных нм, содержащая в сфера размером 1 -2 (ионизационный след) из близко Разветвленный трек 20 ионов. Содержит около ионаэнергии вторичных среднем 2 -3 и столько же расположенных шпор. электронов от 5000 Образуется в результате возбужденных молекул. Образуется при э. В. вторичной, третичной и т. д. Расстояние между шпорами около 100 нм (в энергии вторичных Его Короткий трек ионизации при энергии структура похожа среднем для электронов 500 -5000 электронов) вторичных электронов на структуру Шпора образуется при передачи энергии в э. В. основного трека 100 -500 э. В. среднем около 60 э. В Шпоры

Структура трека ТЗЧ КОЛОНЧАТАЯ ИОНИЗАЦИЯ Блоб Шпоры Разветвленный трек Короткий трек

Линейная плотность ионизации (ЛПИ) Среднее число ионов образованных на единицу пути [мкм -1] ЛПИ * 34 э. В = ЛПЭ

Линейная передача энергии (ЛПЭ, LET) Средние ионизационные потери энергии на единицу пути ионизирующей частицы в пределах объема ее трека Единица измерения кэ. В/мкм

редкоионизирующие излучения ЛПЭ < 10 кэ. В/мкм. плотноионизирующие излучения ЛПЭ >10 кэ. В/мкм.

ЛПЭ для разных видов ИИ ИИ Энергия ЛПЭ ЛПИ Rö 8 кэ. В 4, 7 138 Rö 200 кэ. В 2, 6 76 Rö 1 Мэ. В 0, 5 15 1 Мэ. В 0, 4 12 450 кэ. В 0, 2 6 25 Мэ. В 0, 3 9 n 12 Мэ. В 9, 5 279 n 400 кэ. В 36 1059 10 Мэ. В 56 1649 5 Мэ. В 150 4421

Отрезки треков ЗЧ с различной ЛПЭ

Относительная биологическая эффективность ОБЭ = Dэ/Dх в качестве стандартного выбрано рентгеновское излучение с Е=180200 кэ. В, которое образует примерно 100 пар ионов на 1 мкм пути в воде. Для такого излучения ОБЭ принимают равной единице

Коэффициенты относительной биологической эффективности (коэффициенты качества) Вид излучения WR Рентгеновское и гамма-излучение 1 Бета-изл. , электроны, позитроны 1 Протоны с энергией 10 Мэ. В 10 Альфа-изл. с энергией 10 Мэ. В 20 Нейтроны с энергией 20 кэ. В 3 Нейтроны с энергией 0, 1 - 10 Мэ. В 10 Тяжелые ядра отдачи 20

Зависимость ОБЭ от ЛПЭ

Отрезки треков ЗЧ с различной ЛПЭ

Эффект overkill

Теория мишени Принцип попадания характеризует дискретность поглощения энергии излучения и вероятностный характер «попадания» Принцип мишени характеризует важную особенность облучаемого объекта — биологического вещества, его высокую структурированность и гетерогенность в морфологическом и функциональном отношениях.

Индукционная поляризация Р = *Е , где Р - поляризация молекулы, Е - напряженность электрического поля, - поляризуемость молекулы, = D 2/ ε , где D=q*l – дипольный момент, l - длина связи, ε – энергия связи, т. о. Р = ( q * l )2 Е / ε

Сечение поглощения энергии излучения ~ r 0/(Е + ε ), - сечение поглощения , r 0 - размер мишени , Е - энергия частицы; ε - энергия связи в системе, поглощающей энергию где

Свойства химических связей Энергия э. В/связь Длина связи Обуславливают структуру биополимеров, межмолекулярные взаимодействия, конформационные переходы; Обеспечивают физический механизм регуляции основных жизненных функций 0, 05 – 0, 1 до 0, 1 мкм для макромолекул Ковалентная Нарушение структуры макромолекул, разрывы цепей макромолекул, образование свободных радикалов 2 -8 ~2 А Электростатическая (электрон- атом) Ионизация, образование заряженных частиц, свободных электронов 10 -15 ~1 А Тепловая энергия взаимодействия молекул Денатурация макромолекул ~k. T 0, 04 до 1, 2 мкм Связь Процесс Лабильные: Ван-дер-ваальсовы Гидрофобные Водородные

Радиобиологические эффекты Детерминированные (нестохастические, пороговые) • ближайшие (ОЛБ, ХЛБ; локальные лучевые повреждения и др. ) • отдаленные (радиосклеротические процессы, радиоканцерогенез, радиокатарактогенез и прочие

Радиобиологические эффекты Недетерминированные (стохастические, беспороговые) • соматико-стохастические (лейкозы и опухоли различной локализации), • генетические (генные мутации и хромосомные аберрации) • тератогенные (умственная отсталость, уродства)

Радиобиологические эффекты Этапы формирования • Радиационно-физический этап. Поглощение энергии излучения структурами и молекулами клетки; миграция, диссипация и трансформация этой энергии. Образование возбужденных, ионизированных молекул и свободных радикалов. Возможна обратимость процессов. Длительность этапа 10 -18 -10 -8 сек.

Радиобиологические эффекты Этапы формирования • Радиационно-химический этап. Радикальные реакции и цепные процессы, образование радиотоксинов, «химическое усиление» действия радиации. Первичные радиобиологические процессы, начальные изменения биологически важных макромолекул, надмолекулярных клеточных структур. Возможна обратимость процессов Длительность этапа 10 -1 4 -10 -4 сек.

Радиобиологические эффекты Этапы формирования • Радиационно-биохимический этап. Изменения метаболизма и энергетики клетки. Опосредованное действие радиации на ДНК. Нарушения координации действия ферментных систем и процессов клеточного деления. Возможна обратимость процессов за счет действия неспецифических регуляторных систем клетки и репарации. Длительность этапа 10 -4 -106 сек.

Радиобиологические эффекты Этапы формирования • Радиационно-генетический этап. Фиксация радиационных изменений в генетических, мембранных и биохимических регуляторных системах клетки Морфологическое и функциональное формирование радиобиологического эффекта. Процессы необратимы. Длительность этапа 102 -1012 сек.