«Введение в радиобиологию. Основы биологического действия ионизирующих излучений»
Одним из факторов, определяющих научнотехнический прогресс является использование энергии атомного ядра. Доля электроэнергии, вырабатываемой на АЭС в мире в настоящее время, составляет 16%, а в таких странах, как Франция и Бельгия, достигает 50 -70%. Вследствие истощения источников органического топлива в мире нет других альтернативных, экологически обоснованных, крупномасштабных источников энергии. Ядерная энергия основана на использовании трёх делящихся радионуклидов: уран-235 – естественный элемент, два других – плутоний-239 и уран-233 получают искусственным путем в процессе ядерного топливного цикла.
В 2007 году зарегистрированы: 45 (2006 г. – 50) случаев в 25 субъектах РФ нахождения ИИИ в окружающей среде и у граждан, 16 (2006 г. – 14) случаев обнаружения участков в РФ с аномальным радиоактивным загрязнением, прочие инциденты составляют 26 происшествий, из них: 2 случая утери контроля над источниками при буровых работах, 4 раза выявлялись ИИИ в почтовых посылках, 2 случая выявления загрязненных денежных купюр, 3 случая хищения ИИИ, сообщения о выявлении продуктов питания с повышенным содержанием радионуклидов.
На всех этапах ядерного топливного цикла, начиная с добычи урановой руды, её обогащения, переработки тепловыделяющих элементов, получения энергии в ядерных реакторах, транспортировки, переработки топлива и захоронении радиоактивных отходов существует риск попадания радиоактивных веществ (РВ) в окружающую среду и облучения людей. По данным МАГАТЭ за период с 1971 по 1985 гг. в 14 странах мира на АЭС имели место более 150 аварий различной тяжести. Среди причин аварий наибольшее значение имеют ошибки в проектах (30, 7%), износ оборудования, коррозийные процессы (25, 5%), ошибки оператора (17, 5%), ошибки эксплуатации (14, 7%).
Кроме того, в мире накоплены огромные запасы ядерного оружия, все большее количество стран становятся обладателями этого оружия. Всё это делает угрозу воздействия на организм человека ионизирующего излучения (ИИ) всё более реальной.
Предмет радиобиологии изучает проявления действия излучений на всех уровнях организации живого – от молекулярного до популяционного. Цель радиобиологии закономерностей действия ИИ. - познание биологического
Задачи радиобиологии: - прогнозирование воздействий; последствий радиационных - нормирование радиационных воздействий при работе с источниками ионизирующих излучений; - разработка режимов поведения и защитных мероприятий при вынужденном пребывании в зонах воздействия ионизирующих излучений; - разработка средств и методов профилактики радиационных поражений, диагностики и прогнозирования тяжести поражений, обоснование проведения при них неотложных мероприятий первой помощи и последующего лечения; - разработка наиболее рациональных режимов терапевтического облучения и др.
Структура радиобиологии Современная радиобиология имеет четко выделенные отдельные направления: общая радиобиология, военная радиобиология, радиационная биохимия, радиационная цитология, радиационная генетика, радиационная экология, радиационная иммунология, радиационная гигиена, противолучевая защита и терапия радиационных поражений, радиобиология опухолей и др.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки вокруг него. В состав ядра входит частица протон, имеющий заряд +1 и нейтрон, не имеющий заряда. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре составляет массовое число. Количество протонов соответствует порядковому номеру элементов в таблице Менделеева и определяет заряд ядра. Количество электронов, вращающихся вокруг ядра равно числу протонов, поэтому в обычном состоянии атом нейтрален. Атомы, имеющие одинаковое число протонов в ядре (относящиеся к одному химическому элементу), но разное число нейтронов по отношению друг к другу являются изотопами (протий, дейтерий, тритий).
Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа в другой изотоп (обычно - изотоп другого химического элемента). Время, в течение которого количество радиоактивных атомов вещества уменьшается наполовину называется периодом его полураспада. Число атомов элемента, распадающихся в единицу времени называют активностью изотопа. В качестве единицы активности в системе СИ принят беккерель (Бк). 1 БК – это 1 распад в 1 секунду. На практике используют внесистемную единицу кюри (Ки). 1 Кu=3, 7 х1010 Бк.
Виды ионизирующего излучения Ионизирующее излучение – это поток частиц или квантов, способных вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Ионизация – основное свойство этих излучений, по которому они отличаются от других излучений. Важнейшей характеристикой ИИ – является глубина проникновения в ткани. Все ИИ подразделяются на: - электромагнитные; - корпускулярные.
Наиболее значимыми электромагнитными ИИ являются: - рентгеновское излучение, которое в земных условиях всегда имеет искусственное происхождение; - -излучение является продуктом ядерных превращений радиоактивных элементов (радиоизотопов). Может иметь как искусственное, так и естественное происхождение. Рентгеновское и -излучение обладает большой проникающей способностью. Вероятность поглощения этих излучений в ткани мала, поэтому они почти беспрепятственно проникают в глубь ткани. Длина их пробега в веществе зависит от его плотности; она минимальна в материалах, подобных свинцу, который используют в качестве защитных экранов. Ионизирующая способность этих излучений низкая.
Свойства электромагнитных ионизирующих излучений Общие со свойствами видимого света Отличные от свойств видимого света - невидимы невооружённым глазом; - распространяются проникают сквозь непрозрачные для прямолинейно; видимого света материалы; - частично задерживаются различными - не отклоняются в магнитом материалами в прямой зависимости от и электрическом полях; плотности этих материалов; - не отражаются от зеркальных поверхностей; - имеют интенсивность, - не фокусируются оптическими линзами и не обратно пропорциональную преломляются оптическими призмами; квадрату расстояния до их - не дают интерференционную картину при источника пропускании сквозь обычные дифракционные решётки; - ионизируют газы, изменяют цвет стекла, минералов, засвечивают фотопластинки, завёрнутые в светонепроницаемую бумагу.
Корпускулярные ИИ представляют собой пучки элементарных ядер, их частиц или ионов. Их делят на ускоренные заряженные и нейтральные частицы: наиболее значимые ускоренные заряженные частицы - -частицы (ядра гелия) обладают малой проникающей способностью; ионизирующая способность высокая - в 20 раз больше, чем у -излучения; - -частицы (электроны) обладают малой проникающей способностью; ионизирующая способность аналогична -излучению. Естественными источниками ускоренных заряженных частиц являются природные радиоизотопы. К искусственным источникам относятся искусственные радиоизотопы и ускорители заряженных частиц. При прохождении через вещество ускоренная заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов.
наиболее значимыми нейтральными частицами являются - нейтроны - высокая проникающая способность, высокая ионизирующая способность в 10 раз больше, чем -излучение. Нейтронное излучение возникает при бомбардировке атомного ядра ускоренной заряженной частицей или фотоном высокой энергии в лабораторных условиях, при взрывах атомных боеприпасов, где их источником служат цепные реакции деления ядер 92 U 235 или 94 Pu 239, при синтезе ядер лёгких элементов – дейтерия (1 D 2), трития (1 T 3) и лития (3 Li 6) при взрывах термоядерных (водородных) боеприпасов. В зависимости от энергии нейтроны разделяют на тепловые, медленные, промежуточные, быстрые (при взрывах атомных боеприпасов), очень больших энергий (при взрывах водородных боеприпасов), сверхбыстрые. Так как нейтроны не имеют заряда, они не оказывают непосредственного влияния на электроны, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, нейтроны либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (ядерные перестройки при этом происходит выброс γ-квантов и возникают искусственные радиоактивные изотопы - это наведённая радиоактивность). Вещества, содержащие большое количество атомов водорода, графит, вода, парафин – используют для защиты от нейтронного излучения.
Выявление ИИ и количественная оценка уровня радиации называется дозиметрией. Для количественной оценки уровня радиации введено понятие дозы излучения. Основные виды доз – экспозиционная, поглощённая и эквивалентная. Приборы, предназначенные для измерения дозы облучения внешним источником, называются измерителями дозы (дозиметрами). Мощность дозы излучения (уровень радиации) понимают как дозу, регистрируемую за единицу времени. Мощность дозы характеризует интенсивность лучевого воздействия. Приборы, предназначенные для измерения мощности дозы облучения объекта из внешнего источника, называются измерителями мощности дозы (рентгенметрами).
Основные дозиметрические величины и единицы их измерения Дозиметрическая величина Единица, её наименование, обозначение внесистемная Экспозиционная доза Рентген (Р) Соотношение единиц СИ Кулон на килограмм 1 Кл/кг = 3876 Р (Кл/кг) Мощность экспозиционной дозы Рентген в час (Р/час) Поглощённая доза Рад (рад) Мощность поглощённой дозы Ампер на килограмм (А/кг) Грей (Гр) 1 А/кг = 1, 4* 107 Р/час 1 Гр = 100 рад Рад в час (рад/час) Грей в секунду (Гр/с) 1 Гр/с = 3, 6 *105 рад/час Бэр (бэр) Зиверт (Зв) 1 Зв = 100 бэр Мощность Бэр в год (бэр/год); Зиверт в секунду (Зв/с) 1 Зв/с = 3, 15 *109 эквивалентной дозы зиверт в год (Зв/год) Эквивалентная доза бэр/год 1 Р = 1 рад = 1 бэр (для -излучения, для вычислений).
Нормы радиационной безопасности Нормальный радиационный фон 10 -20 мкр/час Категория А – персонал радиационных объектов, АЭС, радиологи, рентгенологи и др. ; эквивалентная доза не более 2 бэр/год. Категория Б – население, проживающее вблизи радиационных объектов; эквивалентная доза не более 0, 5 бэр/год. Категория В – всё остальное население; эквивалентная доза не более 0, 2 бэр/год. При ликвидации последствий радиационной аварии допускается однократное облучение ликвидаторов, не превышающее 10 бэр. Для военного времени доза однократного облучения не более 50 бэр.
Классификация видов облучения В зависимости от величины мощности дозы: - кратковременное облучение – при мощности дозы свыше 0, 02 Гр/мин. - хроническое облучение непрерывное радиационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет - пролонгированное облучение занимает промежуточное положение между первыми двумя. По времени воздействия - однократное облучение - не менее 80% всей дозы облучения регистрируются не более чем за 4 суток; - фракционированное облучение - доза ИИ разделена на части (фракции), чередующиеся с интервалами времени, в течение которых облучение не происходит. Если эти интервалы меньше суток, то по результатам действия на человека фракционированное облучение приближается к пролонгированному.
Основные источники ионизирующих излучений По происхождению источники ИИ подразделяются на: - естественные; - 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 1/3 этой дозы, а вклад в неё 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. Он играет важную роль в качестве движущей силы изменчивости биологических видов, а также одного из факторов поддержания неспецифической резистентности организма. Извне на организм воздействует -излучение, источником которого являются радиоактивные вещества земной коры. Также извне воздействует космическое излучение. Около 2/3 дозы человек получает от внутреннего облучения: это радиоактивные вещества, поступающие с пищей, водой, воздухом.
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 (заключённые в герметичную оболочку) источники ИИ. Источниками слабого рентгеновского излучения служат радиолампы и электронно-лучевые трубки, однако интенсивность лучевого воздействия на человека со стороны этих устройств не выходит за дозовые пределы. Основной вклад в дозу, получаемую человеком от искусственных источников ИИ, в настоящее время вносят лечебные и диагностические процедуры.
К техногенным объектам, содержащим радиоактивные вещества, относятся атомные энергетические установки, атомные исследовательские реакторы, объекты радиохимического производства, а также боевые части ядерного оружия. Кроме того, радиоактивные вещества широко применяются в практике лучевой диагностики (радиография), лучевой терапии (внешнее, внутреннее облучение), при -дефектоскопии промышленных изделий, при изготовлении постоянно светящихся (люминесцентных) красок, в дозиметрических и радиометрических приборах. Радионуклиды служат весьма ценным средством научных исследований, например для изучения метаболизма у человека, животных и растений.
Поражающие факторы ядерного оружия: 1. Ударная волна 2. Световое излучение 3. Проникающая радиация - мощный поток -лучей и нейтронов, возникающих в момент взрыва и распространяющийся в течение 15 -20 сек во все стороны от него на расстояние до 4 км. 4. Радиоактивное заражение местности (РЗМ) результат выпадения осадков из радиоактивного облака. Источники радиоактивного заражения местности: - радиоактивные изотопы деления урана и плутония; - наведённая радиоактивность; - остатки непрореагировавшей части ядерного взрыва. - 5. Электромагнитный импульс
Очаг ядерного поражения – территория с находящимися на ней населением, строениями, техникой, животными, растениями, которая подверглась воздействию поражающих факторов ядерного оружия с образованием разрушений, пожаров и зон радиоактивного поражения. В результате радиоактивного заражения местности, последняя поражается неравномерно. По степени опасности зараженную местность по следу облака ядерного взрыва принято делить на 4 зоны: А – умеренного (А), Б – сильного (Б), В – опасного (В), Г – чрезвычайно опасного заражения (Г). Воображаемые границы между зонами представляют собой изолинии эллиптической формы, все точки каждой из которых характеризуются одинаковыми значениями мощности дозы.
При медико-тактической характеристике очагов ядерного поражения выделяют 3 типа ядерных очагов: 1) с преимущественными радиационными поражениями (формируются при взрывах атомных или нейтронных боеприпасов малого и сверхмалого калибров); 2) с комбинированными поражениями (формируются в основном при взрывах ядерных боеприпасов среднего калибра); 3) с преимущественными термическими и механическими поражениями (формируются при взрывах крупных и сверхкрупных ядерных боеприпасов).
При авариях на объектах ядерной энергетики радиоактивное заражение местности является основным поражающим фактором. Особенности очага радиационного поражения при авариях на АЭС: за счет присутствия долгоживущих изотопов уровень радиации на местности снижается медленно; значительная часть продуктов деления ядерного топлива находится в парообразном и аэрозольном состоянии, поэтому существенный вклад в формирование радиационного воздействия вносит доза внутреннего облучения получаемого через ЖКТ или ингаляционно (при ядерном взрыве до 95% дозы получают от внешнего облучения); из радионуклидного состава аварийного выброса наибольшее медико-биологическое значение для человека имеют радиоактивный йод, цезий, стронций; основным видом патологии на ранней фазе аварии являются ОЛБ от внешнего гамма-облучения (вблизи аварии), позднее – ХЛБ вследствие внешнего облучения и инкорпорирования радионуклидов.
Радиобиологические эффекты (радиационные лучевые поражения) - это изменения, возникающие в биологических системах при действии на них ИИ; в мирное время могут наблюдаться в случаях нарушения техники безопасности при работе с радиоактивными источниками. Сложность организма как биологической системы предопределяет многообразие радиобиологических эффектов.
Уровень формирования радиобиологических эффектов На молекулярном уровне ИИ вызывает изменения, обусловленные взаимодействием биомолекул с самим излучением либо продуктами радиолиза воды (прямое и непрямое действие ИИ). 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.
Сроки появления По срокам появления радиобиологические эффекты, возникающие в организме и популяции, подразделяют на: - ближайшие (ранние) - проявляются в сроки до нескольких месяцев после облучения и связаны с развитием цитопенических состояний в различных тканевых системах организма: лучевая реакция, острая лучевая болезнь, лучевая алопеция, лучевой дерматит. - отдалённые - возникают спустя годы после облучения, на фоне полной регрессии основных клинических проявлений острого поражения: опухоли, гемобластозы, гипопластические, дистрофические, склеротические процессы. Несмотря на причинную связь с облучением, отдалённые радиобиологические эффекты не являются специфическими для радиационного воздействия – эта патология вызывается и нелучевыми факторами. Интегральным проявлением этих последствий служит сокращение продолжительности жизни организмов, перенесших острое лучевое поражение.
Характер связи с дозой облучения По данному критерию радиобиологические эффекты делят на стохастические (вероятностные) и нестохастические (детерминированные). Нестохастические эффекты – эффекты, которые развиваются и наблюдаются после накопления определенной дозы, т. е. возникает закономерно с развитием изменений в органах и тканях. Нестохастические эффекты имеют порог дозы, составляющий 0, 5 Гр. С увеличением дозы увеличивается как частота проявления эффекта, так и его выраженность, причем он обнаруживается у всех облученных. Различают ближайшие нестохастические эффекты. и отдаленные
К ближайшим эффектам относятся: - острая лучевая реакция развивается при дозе облучения 0, 5 – 1 Гр. и характеризуется преходящей лейкопенией и незначительными функциональными расстройствами в организме; - острая лучевая болезнь развивается при дозе облучения более 1 Гр. ; - хроническая лучевая болезнь – это заболевание организма, возникающее при длительном воздействии малых доз ИИ. Она развивается когда накопленная доза достигает 0, 7– 1 Гр. - острое лучевое поражение кожи развивается при дозе облучения более 8 Гр. К отдаленным эффектам относится развитие радиосклеротических процессов (атрофические, дистрофические).
Стохастические (вероятностные) эффекты – не имеют порога дозы и могут наблюдаться при самой малой дозе облучения. С увеличением дозы частота проявлений стохастических эффектов увеличивается, но не достигает 100%. Выраженность эффекта от дозы не зависит. Наблюдаются не у всех облучённых. Наиболее значимые стохастические эффекты действия ИИ: - канцерогенные; - повреждение генетического аппарата; - тератогенные; - сокращение продолжительности жизни.
Как правило, радиобиологические эффекты неблагоприятным образом сказываются на биологическом объекте. Исключением из этого правила является горметический эффект повышение жизнеспособности организмов под влиянием облучения в малых дозах. Изменения в генетическом аппарате клеток могут быть унаследованы потомством лишь при условии, что эти изменения возникают в половых клетках. Мутации соматических клеток наследуются лишь при клонировании организма. Поэтому практически важно разграничивать соматические (возникающие в соматических клетках) и генетические (индуцируемые при воздействии ИИ на половые клетки) радиобиологические эффекты. При общем облучении организма можно ожидать появления как соматических, так и генетических эффектов.
В действии ионизирующего излучения на биологический объект выделяют 4 стадии Стадия Физическая Процессы Продолжительность стадии Поглощение биомолекулами 10– 16 – 10– 15 энергии излучения; образование сек. ионизированных и возбужденных атомов и молекул, которые случайным образом распределены в веществе, поскольку вероятность поглощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова.
Стадии действия ИИ на организм (продолжение) Стадия Процессы Продолжи -тельность стадии Физи- Перераспределение поглощенной энергии 10– 14 – ковнутри молекул и между ними, что сопро- 10– 11 сек. хими- вождается разрывами химических связей там, ческая где эти связи менее прочны В белковых молекулах это аминокислоты, содержащие спаренные алкильные радикалы (напр. , триптофан), а также тиоловые и дисульфидные группировки; в нуклеиновых кислотах - это азотистые (в первую очередь, пиримидиновые) основания. Образуются свободные радикалы, отличающиеся очень высокой химической активностью (прямое действие излучения).
Стадии действия ИИ на организм (продолжение) Стадия Процессы Продолжи -тельность стадии Хими. Реакции между свободными радикалами, 10– 6 – ческая между радикалами и неактивированными 10– 3 сек молекулами. Происходит образование широкого спектра молекул с измененными структурой и функциональными свойствами (непрямое действие излучения). Рассмотренные стадии в действии излучений получили наименование первичных. Они осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени (в пределах 1 миллисекунды) и являются общими для действия излучений, как на живую, так и на неживую материю.
Стадии действия ИИ на организм (продолжение) Стадия Процессы Биоло- Последовательное развитие поражения на гичес- всех уровнях биологической организации: от кая субклеточного до организменного; активация процессов биологического усиления и репарации повреждений. Её сущность составляют вторичные (радиобиологические) эффекты. Продолжительность стадии Секунды – годы
Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем В молекулах малого размера атомы прочно связаны между собой ковалентными связями и поэтому такие молекулы обладают малой радиопоражаемостью. Макромолекулы имеют вторичную, третичную, четверичную структуру, которые поддерживаются более слабыми связями – водородными, ионными и пр. , которые и разрываются в первую очередь. За счет этого макромолекулы повреждаются в большей степени. Наиболее биологически значимыми в облученной клетке являются изменения ДНК. По механизму передачи энергии биомолекулам различают прямое и непрямое действие ИИ.
При прямом действии происходит поглощение энергии непосредственно молекулой ДНК с ионизацией или возбуждением её атомов. Эффект ионизации сводится к потере атомами биомолекулы одного или нескольких электронов. Возбужденное состояние характеризуется переходом электронов на более высокий энергетический уровень, в результате чего такие атомы пребывают в неустойчивом состоянии и легко диссоциируют с образованием свободных радикалов. Все эти изменения приводят к повреждению ДНК (разрыв фосфоэфирных связей в ДНК, связей ДНК-белок, распад структурных компонентов (напр. дезоксирибозы) ДНК, повреждения ДНК-мембранного комплекса, окисление химических групп и образование «сшивок» между молекулами ДНК (ДНК-ДНК), нарушение вторичной, третичной и четвертичной структуры) в результате чего нарушается её биологическая активность.
Непрямое действие ИИ - это действие на ДНК при посредстве активных продуктов, образующихся из молекул посредников (продукты радиолиза воды и первичные радиотоксины – липидные и хиноновые). Под их влиянием в клетках возникают повреждения, во многом сходные с теми, которые вызываются самим облучением. Из всех первичных радиохимических превращений наибольшее значение имеет ионизация молекул воды (радиолиз воды), в результате которой образуются свободные радикалы с дальнейшим образованием перекиси водорода и др. высокоактивных соединений. В липидах в присутствии кислорода при взаимодействии с ИИ накапливаются продукты перекисного окисления перекиси, гидроперекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны и пр. Липиды являются структурными компонентами внутриклеточных мембран, и их повреждение приводит к существенному нарушению метаболизма в клетке, вносит значимый вклад в патогенез лучевого поражения. Некоторые продукты ПОЛ обладают выраженными радиомиметическими свойствами (первичные радиотоксины). Липидные радиотоксины изменяют свойства внутриклеточных мембран, их проницаемость, способствуют высвобождению ферментов. К первичным радиотоксинам относят также образующиеся в облученных клетках продукты окисления фенолов: хиноны и семихиноны.
Реакции клеток на облучение В клетках формируются начальные эффекты лучевых воздействий, приводящие к поражениям, проявляющимся позднее на более высоких уровнях биологической организации тканевом, органном, системном, организменном. Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ИИ, изменяют ход обменных процессов с участием поврежденных структур. Локализация и характер первичных повреждений в структурах клетки носит в значительной степени вероятностный характер, весьма разнообразны и связанные с ними изменения метаболизма. Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке - это "биологическое усиление" первичного радиационного повреждения (наиболее значимы для судьбы облученной клетки изменения нуклеинового и белкового обмена, окислительного фосфорилирования). Нарушение синтеза АТФ является пусковым звеном в послелучевой деградации ДНК.
Но в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций. Наиболее важной является система ферментативной репарации повреждений ДНК. Молекулы ДНК уникальны, и в случае повреждения их функция не может быть продублирована. При репликации нарушенных матриц будут воспроизводиться дефектные копии будут синтезироваться аномальные продукты, например ферменты с измененными характеристиками. Поэтому возникшие в результате облучения повреждения ДНК, во избежание развития тяжелых для клетки последствий, должны быть репарированы таким образом, чтобы исходное строение этого чрезвычайно сложно устроенного биополимера было точно восстановлено.
Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функциональных возможностей и т. п. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений, сохранение жизнеспособности и основных функций.
Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность ("радиационный блок митозов"), что объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление, напр. нарушением образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе. Подавление синтеза ДНК не может рассматриваться как причина торможения митотической активности: последняя снижается ранее, чем начинает обнаруживаться уменьшение включения в ДНК меченых предшественников.
Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (напр. костный мозг) является существенной причиной их опустошения после облучения. К функциональным нарушениям в клетках могут быть отнесены, например, такие проявления, как снижение фагоцитарной активности нейтрофилов после облучения, изменения активности некоторых ферментов в этих клетках.
Формы лучевой гибели клеток Важнейшим радиобиологическим эффектом является гибель клеток. Различают две основные её формы: репродуктивную (митотическая), т. е. непосредственно связанную с процессом деления клетки, и интерфазную, которая может произойти в любой фазе клеточного цикла.
Репродуктивная форма гибели клеток Основной причиной гибели клеток при этой форме являются возникающие под влиянием облучения структурные повреждения хромосом, что связано с нерепарируемыми повреждениями молекул ДНК, напр. двойные разрывы. При делении потомки такой поврежденной клетки погибнут сразу же после данного деления или в результате 2 -3 последующих митозов (в зависимости от значимости утраченного генетического материала). Вызываемое облучением торможение процессов подготовки к делению (блок митозов) объективно может благоприятно сказаться на судьбе клетки, поскольку в результате увеличивается время, необходимое для репарации лучевого повреждения.
Интерфазная форма гибели клеток По этому типу погибают как неделящиеся клетки, так и делящиеся, но находящиеся вне фазы митоза. По этому типу клетки гибнут в очень высоких дозах (под лучом), за исключением лимфоцитов (для них это основная форма). Механизмы интерфазной гибели клеток - некроз и апоптоз. Некроз запускается активацией и высвобождением из лизосом гидролитических ферментов с последующим повреждением органелл и цитолизом клеток. Апоптоз запускается включением программы самоуничтожения клетки. Происходит активация участков генома, которые контролируют синтез ферментов, участвующих в деградации хроматина. Эту активацию могут вызывать разные стимулы, в том числе и вызванные облучением повреждения. Апоптоз это генетически опосредуемая программированная форма клеточной гибели.
Действие излучений на ткани, органы и системы Ткани организма радиочувствительности. весьма различаются по Ткани тем более радиочувствительны, чем выше пролиферативная активность составляющих их клеток, и тем более радиорезистентны, чем выше степень их дифференцировки (правило Бергонье и Трибондо). Высокую радиочувствительность активно пролиферирующих клеток связывают с особой ролью при облучении повреждений ДНК На тканевом уровне острое радиационное поражение проявляется нарушениями структуры и функции, зависящими, прежде всего, от клеточного опустошения ткани.
Радиационное поражение системы крови (на примере гранулоцитопоэза) Система крови относится к числу систем клеточного обновления, функционирование которых обеспечивает поддержание постоянного числа функциональных клеток, обладающих короткой продолжительностью жизни. Важным эффектом является приостановка клеточного деления (блок митозов), которая тем продолжительнее, чем выше доза облучения. По выходе из блока часть клеток подвергается репродуктивной и интерфазной гибели. С повышением дозы число погибающих клеток увеличивается. Наиболее радиочувствительны клетки стволового отдела, и их число резко снижается практически сразу после облучения. Высокой радиочувствительностью обладают и клетки пула пролиферации. Радиочувствительность клеток пула созревания сравнительно невысока – большинство этих клеток сохраняют жизнеспособность, созревают и выходят в периферическую кровь.
В результате количество клеток в костном мозге, а затем и в периферической крови довольно быстро убывает. Вначале снижается число наиболее молодых, наиболее радиочувствительных клеток. Затем процесс опустошения захватывает все более зрелые отделы, так как созревание и выход в кровь созревших клеток продолжаются, а восполнения их числа за счет поступления из пролиферативного пула нет. Наконец, и в периферической крови развивается гранулоцитопения. Начало снижения содержания в крови отдельных видов функциональных клеток после облучения и срок, когда глубина этого снижения максимальна, зависят, главным образом, от времени, в течение которого клетки-предшественники находятся в составе пулов пролиферации, созревания, а также от продолжительности циркуляции в крови созревших клеток.
Например у человека прохождение предшественников гранулоцитов через пул пролиферации занимает 4 -6 дней, и примерно столько же времени - прохождение через пул созревания. Зрелые гранулоциты циркулируют в крови в среднем всего 8 - 10 часов. В соответствии с названными сроками нейтропения у человека начинает обнаруживаться, примерно, через 5 суток после облучения. Продолжительность пребывания в крови человека тромбоцитов оценивается в 6 -8 дней, и минимальный их уровень достигается через 2 -2, 5 недели.
Длительность жизни эритроцитов в крови составляет 100– 120 дней. Поражение зрелых эритроцитов после облучения невелико, и поэтому, даже в случае полного прекращения продукции новых эритроцитов, их число в сутки снижается примерно на 1%, и анемия развивается очень медленно (если не возникнет кровотечения). Выраженность цитопении нарастает с увеличением дозы облучения. Поражение кроветворения и связанные с ним клинические проявления, в первую очередь инфекционные осложнения и повышенная кровоточивость, получили наименование костномозгового синдрома, который лежит в основе одноименной формы ОЛБ.
Радиационное поражение органов ЖКТ Наибольшей радиочувствительностью среди органов ЖКТ обладает эпителий слизистой тонкой кишки, который является принципиально такой же системой клеточного обновления, как и костный мозг. В эпителии кишки после облучения наступает временный блок митозов, погибают, прежде всего, стволовые и другие делящиеся клетки. Созревающие и функциональные клетки, будучи радиорезистентны, после облучения продолжают продвижение к верхушкам ворсинок и слущиваются. Эпителиальная выстилка кишки при отсутствии пополнения за счет клеточного деления быстро исчезает, ворсинки "оголяются" и уплощаются. Стволовые энтероциты менее чувствительны к облучению, чем стволовые кроветворные клетки вследствие более высокой активности в них систем внутриклеточной репарации повреждений ДНК. Поэтому опасное для жизни повреждение эпителия кишки – кишечная форма ОЛБ, происходит при более высоких дозах (порядка 10 Гр).
В случаях, когда доза облучения достигает величины, при которой повреждение кишки становится несовместимым с сохранением жизни, уже к концу 3 -5 суток происходит полная денудация слизистой. Несовместимая с жизнью панцитопения в крови развивается значительно позднее. Если в ранние сроки не наступит смертельного исхода, сохранившиеся стволовые клетки эпителия кишки обеспечивают его быструю регенерацию, восстановление структуры и функции кишечной стенки.
Лучевое поражение ЦНС Выраженные морфологические проявления поражения клеток ЦНС наблюдаются только после воздействия в дозах 50 Гр и выше – церебральная форма ОЛБ. Наиболее ранние изменения обнаруживаются в синапсах - слипание синаптических пузырьков. Через 2 ч после облучения обнаруживается набухание клеток, пикноз ядер клеток мозжечка, реже - других нейронов, явления васкулита, менингита и др. Максимум изменений приходится на 1 сутки после облучения. Однако это относится лишь к морфологическим проявлениям повреждения. Функциональные же реакции нейронов обнаруживаются в ответ на облучение уже в ничтожных дозах. Таким образом, хотя радиочувствительность нейронов и невысока, нарушения функций нервной системы имеют существенное значение для развития любой формы лучевого поражения.
Спасибо за внимание
Скачать презентацию Введение в радиобиологию Основы биологического действия ионизирующих
Т.8 Введение в радиобиологию.ppt