ЗАВИСИМОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ОБЭ) ОТ УСЛОВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ.

Их ЛПЭ увеличивается от 1,3 кэВ/мкм у рентгеновского излучения до 100 кэВ/мкм у альфа-частиц. По мере роста ЛПЭ увеличивается наклон кривых и уменьшается экстраполяционное число (сокращается плечо на начальном отрезке кривых), достигая единицы при альфа облучении.

Следовательно, с ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к восстановлению. Соотношение ЛПЭ и ОБЭ имеет максимум. Ощутимый рост ОБЭ начинается с ЛПЭ, равной 10 кэВ/мкм, достигает максимального значения при ЛПЭ – 100 кэВ/мкм, а с последующим увеличением ЛПЭ круто падает. Причина этого явления состоит в том, что гибель клетки происходит после поглощения достаточного количества энергии в некотором критическом объёме. Естественно, что с ростом ЛПЭ такая вероятность увеличивается. Но после некоторых величин ЛПЭ наступает насыщение и каждая последующая частица теряет энергию уже в убитой клетке, следовательно, эффективность излучений с такой достаточно высокой ЛПЭ падает, так как энергия расходуется вхолостую.

В действительности общая картина связи ОБЭ с ЛПЭ оказывается более сложной. В основном это объясняется тем, что обычно в расчёт принимают лишь средние величины ЛПЭ, но расчёт ОБЭ по средней величине ЛПЭ – лишь глубокое приближение, при котором теряются детали пространственного распределения ионов. Особенно сильно это сказывается при нейтронном облучении, характеризующемся размытым спектром энергий, а следовательно, и разбросом значений ЛПЭ.

ЗАВИСИМОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ОБЭ) ОТ УСЛОВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ.

Величина ОБЭ зависит не только от вида излучения и его ЛПЭ, но и от исследуемого эффекта, а также от величины и мощности дозы, до и пострадиационных условий, режима фракционирования, наличия, дефицита или отсутствия кислорода.

Зависимость ОБЭ от дозы и её распределения во времени. Абсолютная величина ОБЭ не является постоянной, а зависит от степени поражения, снижаясь с её увеличением. К примеру, если при 80 – 90 % - ных уровнях выживаемости клеток почки человека ОБЭ составляет около 8, то при 10 – 1 % - ной выживаемости – около 3.

При фракционированном облучении ОБЭ растёт по мере увеличения числа фракций. Это происходит потому, что при дроблении дозы рентгеновского излучения каждый раз жизнеспособность клеток частично восстанавливается, что почти не наблюдается при фракционированном облучении быстрыми нейтронами. В процессе увеличения числа фракций такая утрата эффективной дозы рентгеновского излучения нарастает. В результате при фракционированном облучении нейтронами и рентгеновским облучением различия в дозах выражены в значительно большей степени, чем при однократном. Сравнение доз, вызывающих выживание 0,01 клеток, позволяет заметить, что ОБЭ нейтронов при однократном облучении составляет 1,5, а при фракционированном – 2,6. Иными словами, один и тот же эффект может быть достигнут при фракционированном облучении нейтронами в относительно меньших суммарных дозах (по сравнению с суммарной дозой рентгеновского излучения), чем при однократном облучении. Это явление используют при терапии опухолей нейтронами и другими тяжёлыми ядерными частицами, характеризующимися большой ЛПЭ.

Зависимость ОБЭ от распределения дозы во времени может быть выявлена не только при фракционированном облучении, но и при изменении мощности дозы. Так, в лаборатории Г. Ивенса в опытах на традесканции было показано, что быстрые нейроны при пролонгированном облучении в течение нескольких минут в 10 раз эффективнее индуцировали выход хромосомных аберраций, чем гамма- излучение. При пролонгированном облучении, продолжавшемся 49 ч., в той же суммарной дозе ОБЭ достигала 80.

Преимуществом использования плотноионизирующих излучений в лучевой терапии является повышение их ОБЭ в условиях дефицита кислорода, характерного для опухолей, а тем более в аноксии, за счёт устранения защитного действия гипоксического фактора с повышением ЛПЭ.

4. ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

В предыдущих лекциях были рассмотрены основные процессы взаимодействия ИИ с веществом. Это был физический этап лучевого поражения клетки. Теперь мы рассмотрим второй этап лучевого поражения – химический.

В основе первичных радиационно – химических изменений молекул могут лежать два механизма, обозначенные как прямое и косвенное действие радиации. Под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими исследуемыми молекулами (мишенями). Под косвенным действием понимают изменения молекул в растворе, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды или растворенных веществ, а не энергией излучения, поглощённой самими исследуемыми молекулами.

При радиолизе воды молекула ионизируется заряженной частицей, теряя при этом электрон:

H₂O H₂O⁺ + e ^-

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила OH^–

H₂O⁺ + H₂O H₃O⁺ + OH^–

«Вырванный» электрон очень быстро взаимодействует с окружающими молекулами воды; возникает сильно возбуждённая молекула H₂O^* которая в свою очередь, диссоциирует с образованием двух радикалов: Н^* и OH^*

H₂O⁺ + e ^- H₂O^* Н⁺ + OH^–

Эти свободные радикалы содержат неспаренные электроны и потому отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10 ^–5 с. За этот период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом. Следовательно, и второй этап радиационного поражения – первичные химические изменения – протекает практически мгновенно.

В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза, обладающие окислительными свойствами: гидропероксидный радикал НО₂^*, пероксид водорода Н₂О₂ и атомарный кислород:

Н^* + О₂ НО₂^*

НО₂^* + НО₂^* Н₂О₂ + 2О

Кроме этих окислительных продуктов в процессе радиолиза воды возникает стабилизированная форма электрона – гидротированные электроны (e ^- · aq). Они также обладают высокой реакционной способностью, но уже в качестве восстановителя, а потому реагируют с продуктами радиолиза и другими легко восстанавливающимися веществами, в частности с дисульфидными группами. Другим восстановителем, образующимся в процессе радиолиза воды, является атомарный водород.

В клетке организма в аналогичной ситуации процесс протекает значительно сложнее, чем при облучении воды, так как поглощаемым веществом здесь служат крупные органические молекулы, повреждаемые прчмым действием радиации либо продуктами радиолиза воды. Возникающие при этом органические радикалы также обладают неспаренными электронами, а следовательно, крайне реакционноспособны. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву связей в жизненно важных макромолекулах. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутках между образованием ионных пар и формированием конечных химических продуктов. Кроме того, биологический эффект облучения усиливается за счёт кислорода.

Эффект разведения

Наиболее серьёзные исследования радиохимических изменений разбавленных растворов были проведены в 30 – е годы Г. Фрикке, и 40 – е – У. Дейлом. Установлено, что при заданной дозе излучения абсолютное число инактивированных молекул не зависит от концентрации, так как в системе образуется постоянное для данной дозы количество способных прореагировать водных радикалов.

Иными словами, при косвенном действии независимо от разведения раствора абсолютное число повреждённых молекул остаётся постоянным, а доля их от общего числа изменяется обратно пропорционально их концентрации. Например, в опытах Фрикке при облучении 1 л муравьиной кислоты в дозе 100 Гр выделялось 25 мкмоль водорода независимо от того, содержал ли данный раствор 10^-4 моль/л кислоты (чёрные кружки) или 10^-1 моль/л (светлые кружки). Следовательно, количество распавшихся молекул муравьиной кислоты (25 мкмоль) составляло в более слабом растворе 25% от общего количества растворённой кислоты, а в более концентрированном – 0,025%. Лишь при очень сильном разбавлении часть радикалов, взаимодействуя друг с другом, не реагировала с растворённым веществом, в связи с чем увеличивалась величина инактивирующей дозы.

В отличие от косвенного, при прямом действии число инактивированных молекул при заданной дозе увеличивается пропорционально концентрации раствора, а доля от общего числа молекул остаётся постоянной.

Соотношение прямого и косвенного действия ионизирующего излучения при радиационной инактивации клеток.

Эффект разведения оказался весьма полезным для изучения различных систем in vitro, таких, как растворы макромолекул, вирусов, фагов и т.д. Однако он неприменим при работе с крупными клетками: при разбавлении суспензии величина повреждающей дозы не уменьшается. Из этого следует, что действие излучения на клетки оказывается прямым, так как разведение не затрагивает содержимого клеток, а сводится лишь к увеличению между ними количества воды, радикалы которой прореагировали между собой, не проникнув в клетку на достаточную глубину. Для разграничения прямого и косвенного действия излучения на клетки были предложены другие способы, основанные на предположении, что любой радиационный эффект, изменяющийся под влиянием внешних факторов, является следствием косвенного действия, поскольку повреждение, вызванное прямым действием, возникает одновременно с ионизацией и, следовательно, не может быть модифицировано. Поэтому длительное время усиление или ослабление радиационного поражения различными агентами рассматривали как доказательство косвенного действия.

В последующем была доказана ошибочность такого представления, так как оказалось, что между первичным поглощением энергии и конечным химическим изменением облучаемого субстрата существует много стадий, на каждой из которых, как упоминалось, возможна реверсия.

Следовательно, для клетки пока не известна корректная возможность непосредственно оценить относительную роль прямого и косвенного действия ионизирующих излучений.

Данные некоторых экспериментов на вирусах позволяют предполагать, что при облучении клеток прямое действие играет если не основную, то во всяком случае весьма существенную роль. В пользу этого вывода приводят два довода.

1. Косвенное действие при облучении раствора ДНК проявляется при её содержании менее 2%, тогда как в ядре клетки ДНК составляет 10% и более.

2. При облучении in vivo появление одного и того же количества повреждений молекул ДНК наблюдается при дозах, на два три порядка превышающих те, которые вызывают повреждение этих молекул при облучении в разбавленных растворах. Снижение эффективности облучения in vivo объясняют тем, что большая часть продуктов радиолиза воды поглощается клеточными метаболитами и не доходит до биологически активных молекул, иначе говоря, имеет место защитное действие биологических примесей.