БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Воздействие ионизирующего излучения на живой организм представляет собой сложный и не изученный до конца процесс. Сравнительно недавно многие исследователи полагали, что ионизирующее излучение оказывает повреждающее действие за счет сообщения органам и тканям энергии, т.е. что биологическая реакция организма на облучение осуществляется ровно настолько, насколько хватает поглощенной организмом при облучении энергии. Основной ошибкой таких представлений являлось сведение сложных биологических процессов к упрощенным физическим закономерностям, игнорирование особенностей организма, подвергающегося облучению, и ответных реакций на лучевое воздействие, которые по своим энергетическим параметрам могут в десятки раз превосходить энергию, сообщенную организму при облучении. Известно, что летальная доза для млекопитающих составляет от 300 до 900 Р. При таких дозах поглощаемая тканями и органами животных и человека энергия могла бы обусловить повышение температуры тела не более чем на сотые доли градуса. Ясно, что само по себе такое повышение температуры не может вызвать столь явно выраженного эффекта поражения; последний обусловлен высокой радиочувствительностью живой клетки. Причины столь высокой радиочувствительности до конца не выяснены; существуют гипотезы о возможном существовании цепных автокаталитических реакций, усиливающих первичное действие излучения.

Возможные последствия облучения человека делят на соматические, соматико-стохастические и генетические.

Соматические (телесные) эффекты – это последствия воздействия облучения на самого облученного, но не на его потомство. Соматические эффекты делят на стохастические (вероятностные) и нестохастические.

К нестохастическим соматическим эффектам относят поражения, вероятность возникновения и степень тяжести которых растут по мере увеличения дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог. К таким эффектам относят, например, локальное незлокачественное повреждение кожи (лучевой ожог), катаракта глаз (потемнение хрусталика), повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др. Время проявления максимального эффекта также зависит от дозы: после более высоких доз эффект наступает раньше.

Данные многочисленных и длительных наблюдений за персоналом и населением, подвергшимся воздействию повышенных доз (облучение в медицинских целях, проведение ремонтных работ на ядерных установках и т.д.), показывают, что длительное профессиональное облучение дозами до 50 мЗв в год взрослого практически здорового человека не вызывает никаких неблагоприятных соматических изменений. Согласно этим биологическим и клиническим данным, нестохастические эффекты при длительном хроническом облучении полностью исключается, если эквивалентная доза излучения не превышает 500 мЗв в год на любой орган, за исключением хрусталика глаза, для которого годовая доза не должна превышать 150 мЗв. Нестохастические эффекты проявляются при достаточно высоком облучении всего тела или отдельных органов.

В противоположность этому стохастическими эффектами считаются такие, для которых от дозы зависит только вероятность возникновения, а не их тяжесть, и отсутствует порог. Основными соматико-стохастическими эффектами являются онкологические заболевания. Поскольку соматико-стохастические эффекты облучения имеют вероятностную природу и длительный латентный (скрытый) период, измеряемый десятками лет после облучения, они трудно обнаруживаемы.

Генетические эффекты – врожденные уродства – возникают в результате мутаций и других нарушений в клеточных структурах половых клеток, ответственных за наследственность. Генетические эффекты так же, как и соматико-стохастические, являются стохастическими, т.е. вероятностными по своей природе; они не исключаются при малых дозах и так же не имеют порога.

Выход обоих эффектов мало зависит от мощности дозы, а определяется суммарной накопленной дозой независимо от того, получена она за 1 сутки или за 50 лет. Соматико-стохастические и генетические эффекты должны учитываться при оценке ущерба в результате действия малых доз на большие группы людей, насчитывающие сотни тысяч человек. Выход этих эффектов определяется коллективной дозой[1], если она составляет не менее 100 чел×Зв, а выявление эффекта у отдельного индивидуума практически непредсказуемо. Если коллективная доза составляет несколько чел×Зв, то наиболее вероятно нулевое количество эффектов.

На основе статистических данных о числе случаев заболевания лейкемией и различными видами рака с летальным исходом у японцев, перенесших атомную бомбардировку в Хиросиме и Нагасаки, а также данных о последствиях рентгенотерапии и др. было установлено, что выход этих заболеваний (с летальным исходом) зависит не только от коллективной дозы, но также от возраста и пола и составляет в среднем 125 случаев в год на 10⁴ чел×Зв при однородном облучении всего тела. Риск для женщин имеет более высокое значение, что обусловлено опасностью рака грудной железы при облучении.

С увеличением возраста от 18 до 65 лет имеет место снижение риска возникновения соматико-стохастических и генетических эффектов, обусловленное существованием длительного латентного периода. А именно, чем больше возраст человека в момент облучения, тем больше вероятность того, что раковая опухоль не успеет развиться до наступления его естественной смерти.

Биологическое действие ионизирующего излучения условно подразделяется на: 1) первичные физико-химические процессы в молекулах живых клеток и окружающего их субстрата, 2) нарушения функций организма как целого вследствие первичных процессов.

Первым этапом развития лучевого поражения являются процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом клетки, в результате чего образуются возбужденные и ионизированные атомы или молекулы облучаемого вещества. Они в течение короткого времени (порядка 10^-6 с) взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы[2], ионы и др.). На этом же этапе возможно образование разрывов связей в молекулах, как за счет непосредственного воздействия ионизирующего излучения, так и за счет внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения.

В дальнейшем развиваются реакции химически активных веществ с различными биологическими структурами, приводящие как к распаду этих структур, так и к образованию новых, не свойственных облучаемому организму соединений.

На следующих этапах развития лучевого поражения нарушается метаболизм[3] в биологических системах с изменением соответствующих функций.

Поскольку у человека, как и у всех млекопитающих, основную часть массы тела (около 75%) составляет вода (находящаяся частично в свободном состоянии, а частично входящая в состав органелл[4] биологических систем), первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водой в клетках, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении свободных радикалов типа ОН или Н и последующими цепными каталитическими реакциями (в основном окислением этими радикалами молекул белка[5]). В этом заключается косвенное (непрямое) действие излучения через продукты радиолиза воды. Прямое действие ионизирующего излучения происходит при локализации поглощенной энергии в основном веществе (органеллы и растворенные вещества) и может вызывать расщепление молекул белка, разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов и другие денатурационные изменения.

Как уже было сказано выше, прямая ионизация и непосредственная передача энергии биологическим тканям не объясняют повреждающего действия излучения. Так, при абсолютно смертельной дозе, равной для человека 6 Гр на все тело, в 1 см³ ткани образуется 10¹⁵ ионов, что составляет одну ионизированную молекулу воды на 10⁷ молекул.

При взаимодействии ионизирующего излучения с водой происходит выбивание электронов из молекул Н₂О с образованием т.н. молекулярных ионов:

Возникающие молекулярные ионы воды являются менее стабильными по сравнению с электронейтральными молекулами и в свою очередь распадаются с образованием ряда радикалов, взаимодействующих между собой:

Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н, ОН, Н₂О₂ и особенно НО₂ (гипероксидом), обладающим высокой окислительной способностью. Эти радикалы, взаимодействуя с молекулами растворенных соединений, дают начало вторичнорадикальным продуктам.

Дальнейшие этапы развития радиационного повреждения молекулярных структур сводятся к изменениям белков, липидов[6] и углеводов[7]. Например, облучение белковых растворов приводит к конфигурационным изменениям белковой структуры, агрегации молекул за счет образования связей или к разрушению, обусловленному разрывом связей. Эти процессы наблюдаются при достаточно больших поглощенных дозах – порядка нескольких сотен или тысяч рад и более.

Наиболее важными изменениями в клетках являются: а) нарушение механизма митоза[8] (деления) и повреждение хромосомного[9] аппарата облученной клетки. При этом самые ранние эффекты в клетках вызываются не митотической гибелью, а обычно связаны с повреждением мембран, б) блокирование процессов обновления и дифференцировки[10] клеток, в) блокирование процессов пролиферации[11] и последующей физиологической регенерации тканей.

Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся (дифференцирующихся) тканей некоторых органов (костный мозг, половые железы, селезенка и т.п.). При этом стволовые[12] и пролиферативные клетки, претерпевающие множество делений, наиболее радиочувствительны. Изменения на клеточном уровне, гибель клеток приводят к таким нарушениям в тканях, в функциях отдельных органов и в межорганных взаимосвязанных процессах организма, которые вызывают существенные негативные последствия для организма или даже его гибель.

Клетки тканей организма человека можно расположить в порядке возрастания их радиочувствительности следующим образом:

1. Нервная ткань;

2. Хрящевая и костная ткань;

3. Мышечная ткань;

4. Соединительная ткань;

5. Щитовидная железа;

6. Железы пищеварительной системы;

7. Легкие;

8. Кожа;

9. Слизистые оболочки;

10. Половые железы;

11. Лимфатическая ткань; костный мозг.

Рассмотрим более подробно процессы, наблюдающиеся при облучении организма в целом. При этом в первую очередь изменяется содержание свободных аминокислот[13] в тканях. Эти изменения оказывают существенное влияние на белковый обмен, поскольку недостаток хотя бы одной из аминокислот приводит к резкому замедлению биосинтеза белков.

Различные ферментные[14] системы реагируют на облучение по-разному. Активность ряда ферментов после облучения возрастает, других – снижается, третьих – практически остается неизменной.

Высокой чувствительностью к ионизирующим излучениям обладают дезоксирибонуклеиновые комплексы. Уже через несколько минут после облучения наблюдается высвобождение ДНК[15] и накопление нуклеиновых кислот в цитоплазме[16] облученных клеток.

Облучение простых сахаров значительными дозами приводит к их окислению и распаду. Облучение растворов полисахаридов[17] (например, крахмала) сопровождается значительным понижением их вязкости, появлением простых сахаров (глюкозы). При облучении организма в целом происходит понижение уровня гликогена[18] в скелетных мышцах, печени и ряде других тканей.

При воздействии ионизирующих излучений на липиды образуются перекиси, которые играют очень важную роль в развитии лучевого поражения.

Перечисленные выше примеры поражений молекулярных структур, возникающих в результате воздействия ионизирующих излучений на организм, далеко не исчерпывают все множество таких процессов. Более того, целый ряд подобных механизмов до сих пор подробно не исследован; информация о них носит чисто качественный описательный характер.

Процессы радиационного поражения клеток отнюдь не исчерпываются поражением биологически важных макромолекул. Клетка представляет собой слаженную динамическую систему биологически важных макромолекул, которые содержатся в субклеточных образованиях, выполняющих определенные физиологические функции. Поэтому эффект воздействия радиации можно понять, только приняв во внимание изменения, происходящие не только в самих клеточных органеллах, но и во взаимоотношениях между ними.

Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро[19] и митохондрии[20]. Повреждения этих структур происходят при малых дозах и проявляются в самые ранние сроки. Эксперименты по локальному воздействию микропучком протонов на культуры ткани сердца показали, что прохождение нескольких десятков протонов сквозь хромосомы ядра вызывает в последних заметные повреждения, чего не наблюдается в цитоплазме при гораздо более высоких потоках протонов. В ядрах радиочувствительных клеток почти сразу после облучения угнетаются энергетические процессы, происходит выброс в цитоплазму ионов Na и K, нарушается нормальное функционирование мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом и мутации.

К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится также окислительное фосфорилирование[21]. Нарушение этого процесса отмечается уже через несколько десятков минут после облучения дозой 100 Р; оно проявляется в нарушении процесса генерирования АТФ, при этом наблюдаются изменения физико-химических свойств нуклеопротеидных[22] комплексов, в результате чего количественно и качественно изменяется ДНК и нарушается процесс синтеза ДНК – РНК – белок.

По одной из существующих моделей радиационное поражение клетки осуществляется в три этапа. На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные образования, ионизируя и возбуждая их (эта стадия лучевого поражения связана с физическими процессами, происходящими в клетке под воздействием ионизирующего излучения).

На втором этапе происходят химические превращения, являющиеся результатом процессов взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот, липидов с водой, кислородом, радикалами воды и с биомолекулами. В итоге возникают органические перекиси, вызывающие быстро протекающие реакции окисления, которые приводят к появлению множества измененных молекул. Радикалы, возникающие в слоях упорядоченно расположенных белковых молекул (в частности, в мембранах), взаимодействуют с образованием изменений их структуры. Повреждение мембран приводит к высвобождению ряда ферментов.

На третьем этапе происходят биохимические реакции, являющиеся результатом высвобождения ферментов из клеточных органелл и изменения их активности. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков.

Однако следует подчеркнуть, что конечный эффект облучения является результатом не только первичного облучения клеток, но и последующих процессов восстановления. Предполагается, что значительная часть первичных повреждений в клетке возникает в виде т.н. потенциальных повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов. Реализации этих процессов способствуют процессы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. Пока реализация потенциальных повреждений не произошла, клетка может восстановиться. Подавление процессов регенерации, обычно наблюдаемое в радиочувствительных тканях, не может рассматриваться как результат непосредственного повреждения клеток именно этих тканей. Так, было показано, что ткань селезенки морской свинки, облученной дозой, во много раз превышающей смертельную, при трансплантации (через сутки после облучения) здоровой морской свинке обнаружила в условиях новой среды все признаки хорошей регенерации.