ТЕОРИИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Теоретические представления о механизме биологического действия ионизирующих излучений.

Радиобиология – экспериментальная научная дисциплина, поэтому в историческом аспекте возникновение и судьба гипотез и теорий о механизмах радиобиологических эффектов теснейшим образом связаны с возможностью интерпретации новых экспериментальных фактов.

При анализе основных этапов формирования взглядов на природу радиобиологического эффекта можно выделить два основных направления.

Первое выражается в стремлении установить общие, преимущественно формальные, но обязательно количественные закономерности, которые характеризуют самые первичные («пусковые») звенья радиобиологических реакций. Это теоретическое направление объединяет гипотезы, составляющие основу количественной радиобиологии.

Второе пытается объяснить все многообразие сложных лучевых реакций биологических объектов от момента поглощения энергии и до проявления конкретных радиобиологических эффектов. Отсюда преимущественно качественный (описательный) характер объединяемых в этом направлении гипотез.

Из количественных концепций мы рассмотрим основанную на принципе попаданий теорию мишеней, стохастическую гипотезу и вероятностную модель радиационного поражения клетки, а из качественных – гипотезу первичных радиотоксинов и цепных реакций и структурно-метаболическую гипотезу.

ТЕОРИИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Принцип попаданий и теория мишеней.

В связи с необходимостью объяснения основного радиобиологического парадокса исторически первыми были сформулированы два положения, которые легли в основу наиболее ранних теоретических представлений в радиобиологии, получивших название классического формализма. Первое из них – принцип попаданий (Ф.Дессауэр, Д.Ли) – основан на дискретности событий поглощения энергии, квантованности взаимодействия излучений с веществом, вероятностности распределения поглощаемой энергии в пространстве. Второе – принцип мишени (Д.Ли, Н.В.Тимофеев-Рессовский, К.Циммер) – учитывает высокую в физическом и функциональном отношении гетерогенность клеточных структур.

Основные положения принципа попадания заключаются в следующем:

1)Ионизирующие излучения обладают очень малой объемной плотностью по сравнению с другими видами излучения, например, с тепловым, т.е. переносят энергию в дискретном виде и попадают в некий объект «концентрированными порциями»;

2)Фотоны и частицы ионизирующего излучения обладают огромной дискретной энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи;

3)За время первой, физической стадии воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты происходит поглощение, перераспределение и деградация энергии;

4)Энергия поглощенных живой системой фотонов или заряженных частиц полностью (прямо или косвенно) расходуется на возбуждение и ионизацию атомов и молекул;

5)Вероятность переноса энергии к молекуле не зависит от ее химической структуры, она определяется суммарной электронной плотностью вещества, имеющей примерно равные значения для различных элементов клетки.

В основу принципа мишени положено представление о том, что структура и функции живой системы неравноценны, гетерогенны и различаются в ответах на одно и то же попадание. Если радиация «одинаково безразлична» к облучаемым субстратам («не выбирает» их), то повреждение отдельных элементов биологических систем имеет неодинаковую значимость для судьбы клетки.

Основные положения принципа мишени:

1)Высокая энергия, дискретно поглощаемая в клетке, и отсутствие избирательности действия позволяет ионизирующим излучениям вызывать изменения любой молекулы в составе любого структурного компонента биологической системы. В биологических объектах не существует молекул или систем, испытывающих преимущественное поглощение энергии излучения;

2)Неоднородные элементы клетки, поглотившие одну и ту же энергию излучения, по истечении времени (различного для каждого элемента живой системы) претерпевают изменения, приводящие к различным по степени и биологической значимости повреждениям;

3)Кривые доза-эффект являются отражением квантованности характера взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и наличия в клетке высокочувствительных объемов – мишеней.

“Минусы” теории - не объясняет зависимос­ть радиобиологического эффекта от температуры и наличия в облучаемой среде кислорода.

Однако отказ от теории мишени, как общей теории биологического действия ионизирующих излучений, не означает отрицания возможности прямого действия излучения и признания того, что в клетках и организмах могут быть менее и более чувствительные к облучению структуры и системы.

Все это обусловило появление в конце 60-х годов новой количественной гипотезы – стохастического действия излучений, призванной, согласно определению ее авторов (О.Хуг, А.М.Келлерер), «изложить теорию попаданий на основе стохастического принципа».