ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

В лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

1. Стадии формирования лучевого повреждения.

     2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.

     3. Прямое  и косвенное действие ионизирующих излучений.  Радиолиз воды. Кислородный эффект.

     4. Действие ионизирующих излучений на биологические макромолекулы.

     5. Реакция клеток на облучение.

 

Ионизирующие излучения получили своё название  благодаря  способ-

ности вызывать ионизацию атомов и молекул облучаемого объекта.

Принципиальной особенностью действия  ионизирующих  излучений,  в

отличие от  других повреждающих факторов внешней среды,  является спо-

собность проникать в биологические ткани,  клетки, субклеточные струк-

туры и повреждать их, вызывая одномоментную ионизацию атомов и молекул

за счёт физических взаимодействий  и  радиационно-химических  реакций.

Причём биологическое действие ионизирующих излучений нельзя рассматри-

вать как элементарный акт.  В его формировании выделяют несколько сле-

дующих друг за другом стадий.

_Стадии формирования лучевого повреждения.

1. Физическая  (10^-16 с)

Поглощение энергии ИИ облучаемой средой с возбуждением и  иониза-

цией её молекул.

2. Физико-химическая  (10^-6 с)

Возникновение активных  в  химическом отношении свободных радика-

лов,  которые взаимодействуют между собой и с органическими молекулами

клетки.

3. Химическая  (неск. секунд )

Появление биохимических  повреждений биологически важных макромо-

лекул (белки, нуклеиновые кислоты, липиды и т.д.).

4. Биологическая (часы-недели-годы)

Формирование повреждений на клеточном,  тканевом, органном, орга-

низменном уровнях; формирование отдаленных последствий.

 

_ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ ..

(физическая стадия)

Основная часть энергии заряженных частиц и гамма-квантов, взаимо-

действующих с веществом,  идёт на его ионизацию и возбуждение. Под ио-

низацией понимают отрыв электрона от атома или молекулы,  в результате

чего они преобразуются в положительно заряженные  ионы.  Если  энергии

излучения недостаточно  для  полного  отрыва электрона,  то происходит

возбуждение, т.е. переход электрона на удалённую от ядра орбиталь. За-

ряженные частицы  (альфа,  бета)  производят ионизацию непосредственно

(прямо ионизирующие). Электрически нейтральное излучение (гамма, рент-

геновское, нейтронное)  ионизирует  атомы среды в результате вторичных

процессов (косвенно ионизирующие).

Степень ионизации  зависит  от свойств излучения (энергия,  заряд

частиц) и от структуры облучаемого объекта и характеризуется некоторы-

ми параметрами.

_Линейная плотность ионизации (удельная ионизация) . – число пар ио-

нов,  образованных заряженной частицей на единице длины пути в вещест-

ве.

_Линейная передача энергии (ЛПЭ) . – средняя энергия, теряемая заря-

женной частицей на единице длины её пути в веществе.  За единицу изме-

рения принимают  килоэлектрон-вольт  на микрометр пути (кэВ/мкм).  Для

электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не  применяется,  но  ис-

пользуется значение  вторичных  заряженных частиц,  образующихся в ве-

ществе.

В зависимости  от ЛПЭ все излучения делятся на редко- и плотноио-

низирующие (пограничная величина 10 кэВ/мкм).  Редкоионизирующие (< 10

кэВ/мкм) –   бета,  гамма,  рентгеновское.  Плотноионизирующие  (>  10

кэВ/мкм) – альфа, нейтронное.

ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэто-

му в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.

Теперь рассмотрим  особенности взаимодействия с веществом различ-

ных видов излучений.

1.  _Альфа-частицы  .обладают высокой ионизирующей способностью,  об-

разуя несколько десятков тысяч пар ионов на единицу пробега в  вещест-

ве.По мере  продвижения  в  веществе  вначале плотность ионизации воз-

растает в несколько раз (с 20 000 до 80 000 пар ионов на 1 см пути)  и

затем, практически при завершении пробега,  резко падает (кривая Брэг-

га). Эту особенность взаимодействия используют при  лечении  опухолей,

т.к.она позволяет  сосредоточить значительную энергию на глубине пора-

жённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых  тканях.  Траектории

альфа-частиц в  веществе  прямолинейны.  Пробег  в  воздухе составляет

несколько сантиметров,  в жидкостях и биологических  тканях  –  10-100

мкм. Несмотря  на небольшую глубину проникновения альфа-частиц в живую

ткань, их разрушительное действие весьма  значительное  из-за  высокой

ионизирующей способности.

2.  _Бета-частицы  .обладают  меньшей  ионизирующей  способностью  по

сравнению с альфа-частицами,  образуют несколько десятков пар ионов на

1 см пути.  Кроме ионизации,  за счёт торможения электронов в веществе

(особенно с  большим  Z)  возникает тормозное рентгеновское излучение.

Из-за малой массы бета-частицы при продвижении в веществе  отклоняются

на большие  углы,  поэтому траектория их очень извилиста.  Проникающая

способность бета-частиц в воздухе измеряется метрами,  в биологической

ткани составляет несколько сантиметров.

3.  _Гамма-излучение  .- одно из наиболее проникающих.  Его проникаю-

щая способность  зависит от энергии гамма-квантов и от свойств вещест-

ва.Ослабление гамма-излучения в веществе происходит за счёт  различных

эффектов взаимодействия:  фотоэффект, эффект Комптона, образование пар

электрон-позитрон.

При фотоэффекте  вся  энергия  гамма-кванта  передаётся электрону

оболочки, при этом электрон вырывается из атома и производит  в  даль-

нейшем ионизацию.Место  выбитого  электрона  займёт  другой электрон с

верхней оболочки,  что сопровождается  испусканием характеристического

рентгеновского излучения.Фотоэффект наиболее характерен при поглощении

мягкого гамма-излучения (до 0,5 Мэв) тяжёлыми элементами.

При эффекте Комптона гамма-квант передаёт часть своей энергии ор-

битальному электрону,  выбивая его,  и превращается в другой  квант  с

меньшей энергией.Выбитый  электрон производит в дальнейшем ионизацию.В

дальнейшем вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона  и

т.д.Этот эффект наиболее вероятен при энергии гамма-квантов 0,5-1 МэВ.

Образование пары электрон-позитрон возможно только при значитель-

ной энергии  гамма-кванта (>1 МэВ).Такой квант взаимодействует с атом-

ным ядром и в его поле преобразуется в пару частиц – электрон и позит-

рон.Эти частицы  производят в дальнейшем ионизацию.Позитрон,  встречая

на своём пути электрон,  соединяется с ним и превращается в  2  фотона

(аннигиляция).Образующиеся фотоны  поглощаются средой в результате эф-

фекта Комптона или фотоэффекта.

——————————————————————–

Для медико-профилактического факультета

4. _ Нейтроны .  не имеют заряда,  поэтому беспрепятственно проникают

внутрь атомов,  взаимодействуя непосредственно с ядрами. При этом воз-

можны следующие эффекты:  рассеяние (упругое и неупругое) и поглощение

(радиационный захват).

При упругом рассеянии нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и

отклоняется от первоначального направления.  Ядро,  с которым  взаимо-

действует нейтрон (ядро отдачи),  начинает двигаться и ионизирует дру-

гие атомы и молекулы.  Такой эффект наиболее  характерен  для  быстрых

нейтронов. Самый важный пример упругого рассеяния – рассеяние на ядрах

водорода (протонах).  При этом нейтрон передаёт протону более половины

 

своей энергии,  образуется протон отдачи. Поэтому для замедления быст-

рых нейтронов используют вещества, содержащие водород (вода, парафин).

При неупругом  рассеянии часть кинетической энергии нейтрона тра-

тится на возбуждение ядра отдачи, которое переходит в основное состоя-

ние, излучая гамма-квант.

Нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват). При этом

ядро переходит  в  возбуждённое  состояние и испускает гамма-квант или

частицы (протон,  нейтрон,  альфа-частицу). В результате радиационного

захвата многие  вещества  становятся радиоактивными (наведенная актив-

ность). этот эффект наиболее характерен для медленных нейтронов.  Луч-

шими поглотителями являются кадмий и бор.

———————————————————————

_ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

_РАДИОЛИЗ ВОДЫ. КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ.

(физико-химическая стадия)

На этой стадии происходит образование свободных радикалов.Свобод-

ные радикалы – это  электрически  нейтральные  атомы  или  молекулы  с

неспаренным электроном на внешней орбите.Они являются весьма реакцион-

носпособными, т.к.имеют тенденцию спаривать этот электрон с  аналогич-

ным электроном в другом СР либо удалять его из атома путём электронно-

го излучения.  Следовательно, СР могут быть как окислителями (акцепто-

рами), так и восстановителями (донорами).

В основе первичных  радиационно-химических  изменений  на  данной

стадии могут лежать 2 механизма :

1) прямое действие – когда молекула  претерпевает  изменения  не-

посредственно при взаимодействии с ИИ ;

2) косвенное действие – когда молекула непосредственно не  погло-

щает энергию от ИИ ,а получает её от других молекул.

Поскольку живая материя на 70-90%  состоит из  воды,  то  большая

часть энергии излучения поглощается именно молекулами воды.

Таким образом, в основе косвенного действия лежит РАДИОЛИЗ ВОДЫ.

_Механизм радиолиза воды.

При воздействии ИИ в воде идут процессы ионизации и возбуждения.

В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон и об-

разуется положительно заряженная молекула Н О  : Н О — Н О  + е

Образовавшийся  электрон  постепенно теряет свою энергию и может быть

захвачен другой молекулой воды,  которая  превращается в отрицательно

заряженную молекулу Н О .  Эти молекулы не являются стабильными и рас-

падаются, образуя ион и свободный радикал.

Н О  — Н  + ОН           Н О  — Н  + ОН

 

Кроме того, выбитый электрон может окружить себя четырьмя молеку-

лами воды и превратиться в гидратированный электрон е  .

Возбуждённая молекула  воды также нестабильна и распадается на 2

радикала : атомарный водород Н и гидроксильный радикал ОН .

Далее радикалы могут реагировать друг с другом :

Н  + Н  ── Н   ;  ОН  + ОН ── Н О  ;    Н  + ОН ── Н О

Радикалы могут вступать в реакцию с другими молекулами воды :

Н О + Н ── Н + ОН

Свободные радикалы способны вырывать  атом  водорода  из  органи-

ческих молекул ,превращая их в радикалы :

RН + ОН  ── R  + Н О             RН + Н   ── R  + Н

Свободные радикалы реагируют  также  с  молекулами  растворённого

кислорода  ,в результате чего образуются перекисные радикалы ,обладаю-

щие высокой реакционной способностью :

– гидроперекисный радикал НО        Н  + О  ──  НО

– супероксидный радикал  О          О  + е  ──  О

Какие эффекты могут вызвать продукты радиолиза воды ?

1) окислители :   ОН  , Н О  , НО  , О  ;

2) восстановители :   Н  , е  ;

3) образование радиотоксинов в результате  реакции  с  хиноном  и

убихиноном ;

4) дезаминирование аминокислот.

 

Необходимо отметить, что в присутствии кислорода  образуются  до-

полнительные реакционноспособные радикалы, которые обладают выраженным

поражающим действием. Кроме того, молекула кислорода обладает электро-

ноакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при

действии излучения радикалами биологических молекул,  как бы фиксирует

возникшие в них потенциальные повреждения и делает их труднодоступными

для репарации.

Следовательно, в  присутствии кислорода отмечается усиление луче-

вого повреждения по сравнению с наблюдаемым в анаэробных условиях. Это

явление известно в радиобиологии как КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ.

Количественной мерой КЭ служит коэффициент кислородного усиления.

При облучении отдельных клеток он равен 3, т.е.в присутствии кислорода

лучевое повреждение усиливается втрое.

Для проявления  такого  действия кислород должен присутствовать в

клетке в момент облучения. Однако в дальнейшем кислород играет положи-

тельную роль: он необходим для нормальной работы системы репарации ДНК.

Таким образом, в формировании лучевого повреждения кислород ведёт

себя двояко:  усиливая первичные процессы лучевого повреждения, он од-

новременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления.

Кислородный эффект зависит от ЛПЭ:  с увеличением ЛПЭ он уменьша-

ется и при действии, например, альфа-излучения исчезает.

На кислородном эффекте основан метод управления  тканевой  радио-

чувствительностью, что используется в лучевой терапии опухолей.

1) оксигенорадиотерапия (оксибарорадиотерапия)

Во время  сеанса  лучевой терапии больной дышит чистым кислородом

при нормальном или увеличенным в 2-3 р. атмосферном давлении. Напряже-

ние кислорода в здоровых тканях увеличивается незначительно (есть пре-

дел насыщения).  В опухоли давление кислорода поднимается до такого же

уровня, но по сравнению с исходным его содержание возрастает во  много

раз, значит, повышается её радиочувствительность.

2) гипооксирадиотерапия

Во время сеанса лучевой терапии больной дышит гипоксической газо-

вой смесью (содержание кислорода 7-10%  вместо 21%). Напряжение кисло-

рода в здоровой ткани уменьшается, а в опухоли останется прежним. Зна-

чит, можно повысить дозу на опухоль.

 

_ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА МАКРОМОЛЕКУЛЫ ..

(химическая стадия)

 

_Действие ИИ на белки.

До 20% поглощённой энергии будет локализоваться в белках.

Под действием ИИ из молекулы белка выбивается электрон.Образуется

дефектный участок,  лишённый электрона – “дырка”.Эта “дырка” мигрирует

по полипептидной цепи за счёт переброски соседних  электронов  до  тех

пор,   пока  не  достигнет  участка  с  повышенными  электрондонорными

свойствами.  В этом месте возникают  свободные  радикалы  у  пептидных

группировок.  Такие  события  происходят в результате прямого действия

ИИ.  При косвенном действии образование свободных радикалов происходит

при взаимодействии с продуктами радиолиза воды.  Образование свободных

радикалов влечёт за собой изменения структуры белка :

– разрыв водородных, пептидных, дисульфидных связей ;

– разрушение аминокислот в цепи ;

– образование сшивок и агрегатов ;

– нарушение вторичной и третичной структуры белка.

Такие нарушения  в  структуре  белка приводят к  нарушению  всех

его функций (ферментативной,  гормональной, сократительной и др.). На-

рушение ферментативной функции – образование “бешеных ферментов”.

 

_Действие ИИ на нуклеиновые кислоты.

Около 7% поглощённой дозы приходится на ядерную ДНК.

Механизм повреждения  сходен  с  повреждением  белка :  выбивание

электрона и образование “дырки”, миграция её по полинуклеотидной  цепи

( при этом пробегается несколько сотен азотистых оснований ) до участ-

ка с повышенными  электрондонорными  свойствами  .Таким  местом  будет

место локализации азотистого основания, чаще тимина или цитозина. Воз-

никают свободные  радикалы  этих оснований.  Это прямое действие.  При

косвенном действии к образованию свободных радикалов приводит  взаимо-

действие с продуктами радиолиза воды.  Образование свободных радикалов

приводит к нарушению структуры ДНК:

– однонитевые и двунитевые разрывы ;

– модификация азотистых оснований;

– образование сшивок – тиминовых димеров;

– нарушение ДНК-мембранного комплекса ;

– сшивки ДНК – ДНК ;

– сшивки ДНК с белком нуклеопротеидного комплекса.

При дозе 1 Гр в каждой клетке  человека  повреждается  5000  азо-

тистых оснований ,возникает 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов.

Определённое число одиночных разрывов образуется даже  при  малых

дозах   излучения,  но  они  не  приводят  к  поломкам  молекулы  ДНК,

т.к. куски повреждённой молекулы  прочно  удерживаются  на месте водо-

родными связями c противоположной нитью ДНК. Репарация  одиночных раз-

рывов идёт быстро и эффективно – эксцизионная репарация:

– фермент эндонуклеаза узнаёт повреждённый участок  и  производит

“разрез”;

– фермент экзонуклеаза вырезает повреждённый  участок  (иногда  и

прилегающие);

– ДНК-полимераза застраивает дефект новыми нуклеотидами с исполь-

зованием неповреждённой нити в качестве матрицы;

– лигазы соединяют новый сегмент с интактными участками.

Большинство одиночных разрывов репарируются даже в летально облу-

чённых клетках. Поэтому одиночные разрывы  не являются причиной, опре-

деляющей гибель клетки. Однако нерепарированные одиночные  разрывы мо-

гут в последующем привести к  образованию двойных разрывов.

Двойные разрывы могут возникнуть в результате единичного акта ио-

низации  либо при совпадении одиночных разрывов на комплементарных ни-

тях.Двойные разрывы опасны для клетки ,т.к. они практически не репари-

руются  и  служат  непосредственной причиной возникновения хромосомных

аберраций.Основными видами хромосомных аберраций являются:

– фрагментация хромосом;

– образование хромосомных мостов ,дицентриков  ,кольцевых

хромосом;

– появление внутри- и межхромосомных обменов.

Часть аберраций (например,  мосты) механически препятствуют деле-

нию клетки. Появление обменов, ацентрических фрагментов приводит к не-

равномерному разделению  хромосом и утрате генетического материала,  а

это вызывает гибель клеток из-за недостатка метаболитов,  синтез кото-

рых кодировался утраченной частью ДНК.

 

_Действие ИИ на липиды.

Под влиянием облучения происходит образование свободных радикалов

ненасыщенных  жирных  кислот,  которые при взаимодействии с кислородом

образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют  с  на-

тивными жирными кислотами. Это процесс перекисного окисления липидов.

Т.к. липиды – основа биомембран, то это повлечёт за собой измене-

ние  их  свойств.А  поскольку  клетка представляет собой систему взаи-

мосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма  проходят

именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы.Вы-

ражено нарушение энергетического обмена, что  связано  с  повреждением

митохондрий.

Нарушение целости наружной мембраны клетки приводит к сдвигу ион-

ного баланса клетки из-за выравнивания концентраций натрия и калия.

 

_Действие на углеводы.

Под действием ИИ происходит отрыв атома водорода от кольца, обра-

зуются свободные радикалы, а затем перекиси.

Из продукта  распада углеводов – глицеринового альдегида – синте-

зируется метилглиоксаль – вещество, ингибирующее  синтез  ДНК,  белка,

подавляющее деление клеток.

Чувствительна к  облучению   гиалуроновая   кислота,   являющаяся

составным элементом соединительной ткани.

 

_РЕАКЦИЯ КЛЕТОК НА ОБЛУЧЕНИЕ ..

(биологическая стадия)

Возможны три типа реакций:

1) радиационный блок митозов;

2) митотическая (репродуктивная) гибель клетки;

3) интерфазная гибель клетки.

Наиболее универсальной реакцией клетки на воздействие ИИ является

временная задержка деления или РАДИАЦИОННЫЙ БЛОК  МИТОЗОВ.Длительность

его зависит от дозы:  на 1 Гр дозы задержка на 1 час. Проявляется этот

эффект независимо от того, выживет ли  клетка  в  дальнейшем.Причём  с

увеличением дозы  облучения увеличивается не число реагирующих клеток,

а время задержки деления каждой облучённой клетки. Эта  реакция  имеет

огромное приспособительное значение :увеличивается длительность интер-

фазы, оттягивается вступление клетки в митоз, создаются  благоприятные

условия для нормальной работы системы репарации ДНК.

При больших дозах,  чем необходимы только для радиационного блока

митозов,  развивается  МИТОТИЧЕСКАЯ  ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ.  Это полная потеря

клеткой способности к размножению. Это не относится к клеткам, не  де-

лящимся или делящимся редко.  В клетке не выражены дегенеративные про-

цессы.

Варианты митотической гибели:

1) клетка гибнет в процессе одного из первых четырёх пострадиаци-

онных митозов (показателем выживаемости клетки является её способность

проходить 5 и более делений);

2) облучённые  клетки после первого пострадиационного митоза фор-

мируют так называемые “гигантские” клетки (чаще в  результате  слияния

“дочерних”  клеток), такие  клетки способны делиться не более 2-3 раз,

после чего погибают.

Основная причина  митотической гибели клетки – повреждение хромо-

сомного аппарата клетки, приводящее к дефициту синтеза ДНК.

ИНТЕРФАЗНАЯ ГИБЕЛЬ  КЛЕТКИ  наступает  до вступления клетки в ми-

тоз. Для большинства соматических клеток человека  она  регистрируется

после облучения в дозах в десятки и сотни Гр. Лимфоциты (радиочувстви-

тельные клетки) гибнут по этому механизму даже  при  небольших  дозах.

В клетке наблюдаются различные дегенеративные процессы  вплоть  до  её

лизиса.

Механизм интерфазной гибели следующий.За счёт разрывов в молекуле

ДНК нарушается структура хроматина.В мембранах идёт процесс  ПОЛ.Изме-

нения ДНК-мембранного комплекса вызывают остановку синтеза ДНК.Повреж-

дение мембраны лизосом приводит к выходу из них ферментов – протеаз  и

ДНК-аз.Эти  ферменты разрушают ДНК ,что ведёт к пикнозу ядра.Поврежде-

ние мембран митохондрий ведёт к выходу из них кальция ,который активи-

рует протеазы.В итоге клетка лизируется.