Медична радіологія - Лазар А.П. 2008

Променеве терапія
Біологічна дія іонізуючого випромінювання

Усі іонізуючі випромінювання діють однаково - вони передають свою енергію атомам речовини, викликаючи їх іонізацію. Але розподіл енергії у речовині залежить від виду й енергії часток і фотонів. Альфа-частки швидко втрачають свою енергію при переміщенні у середовищі і формують вздовж траєкторії щільні скупчення іонів, тобто мають велику лінійну передачу енергії. Електрони утворюють вздовж шляху проходження порівняно розсіяні пари іонів. Фотони створюють ще менш щільну іонізацію. Фотони з енергією до 1 МеВ (мега-електронвольт) дають максимум поглинання у поверхневому шарі живого об’єкта (до 0,5 см). Глибше потік фотонів слабшає, у зв’язку з чим зменшується кількість іонів. Фотони з енергією більше 1 МеВ створюють максимум іонізації в глибині тканин, причому тим глибше, чим більша їхня енергія.

Перший етап біологічної дії іонізуючого випромінювання являє собою фізичний процес взаємодії випромінювання з речовиною. Усі іонізуючі випромінювання викликають збудження або іонізацію атомів. Внаслідок цього у тканинах з’ являються збуджені та іонізовані атоми і молекули, яким властива висока хімічна активність. Вони вступають у взаємодію один з одним і з оточуючими атомами, при цьому виникає велика кількість високоактивних вільних радикалів та перекисів. Якщо молекулі передана велика енергія, то вона може розірватися на фрагменти, утворюючи радикали з ненасиченими зв’язками. Цей процес називається радіолізом.

При радіолізі води молекула іонізується зарядженою часткою, втрачаючи при цьому електрон:

→ Н₂О → Н₂О⁺ + е^-

«Вирваний» електрон взаємодіє з оточуючими молекулами води, виникає сильно збуджена молекула Н₂О*, яка, в свою чергу, дисоціює з утворенням двох радикалів Н+ і ОН^-:

Н₂О⁺ + е^-→ Н₂О* → Н⁺ і ОН^-.

Ці вільні радикали містять неспарені електрони і тому відрізняються надзвичайно високою реакційною здатністю.

В присутності кисню утворюються інші продукти радіолізу, які мають окислювальні властивості - гідроперекисний радикал НО₂*, перекис водню Н₂О₂ та атомарний кисень:

1) Н⁺ + О₂ + е^-→ НО₂ ;

2) НО₂* + НО₂* → Н₂О₂ + 2О.

В клітинах організму цей процес протікає значно складніше, ніж при опроміненні води, тому що є великі органічні молекули, які ушкоджуються прямою дією радіації або продуктами радіолізу води. Виникаючі при цьому органічні радикали також мають неспарені електрони і є вкрай реакційними. Їх реакційність призводить до розриву хімічних зв’язків у життєво важливих макромолекулах.

Морфологічні та функціональні зміни клітин проявляються вже у перші хвилини і години після опромінення. Утворення не властивих організму продуктів призводить до його інтоксикації. За великої дози опромінення маса іонів може стати причиною загибелі «під променем». За смертельної дози опромінення (для всього тіла людини вона становить 6-8 Гр одномоментно) у кожному грамі Тканини утворюється 10¹⁵ пар іонів.

До 75% води у розчині входить до складу гідратної оболонки молекул, які під впливом іонізуючого випромінювання також змінюють свої властивості. Складні молекули можуть розірватися не тільки у місці падіння променю. Енергія може мігрувати вздовж молекули і викликати розрив в місці слабкого зв’язку. Розщеплена багатоатомна молекула втрачає свої властивості, а утворені радикали можуть приєднатися до інших інтактних молекул і призвести до їх розщеплення з утворенням ще двох радикалів, здатних взаємодіяти з іншими молекулами. Це є ланцюгова самоприскорювальна реакція. Чим більше молекул, тим більша вірогідність, що вони будуть іонізовані, збуджені або розщеплені. У зв’язку з тим, що не всі молекули організму функціонально рівноцінні, то пошкодження різних молекул буде мати і різні наслідки. Пошкодження життєвоважливих нуклеопротеїдів (ДНК, РНК), які регулюють процеси поділу клітин і обміну речовин може призвести до втрати здатності клітини ділитися і до її загибелі.

Зміни у хромосомному апараті клітини віддзеркалюються на її спадкових властивостях і призводять до радіаційних мутацій (точкові Мутації, розриви хромосом, Хромосомні аберації та ін.). Пошкодження лізосом стає причиною аутолізу клітини. Аутоліз, що розвивається у соматичних клітинах, знижує життєздатність організму. У деяких випадках Клітина може набути здатність до активного неконтрольованого поділу, що призводить до виникнення злоякісних новоутворень. За результатами досліджень, проведених переважно у Хіросімі і Нагасакі, фактори ризику розвитку раку оцінені приблизно у 10-1 Зв-1 - для гострого опромінення, і 5х10-2 Зв-1 - для хронічного опромінення

Можна виділити декілька рівнів впливу радіації на людину: 1) на молекулярному рівні відбувається пошкодження макромолекул - ДНК, РНК, ферментів; 2) на субклітинному рівні - пошкодження клітинних мембран, ядер, хромосом, мітохондрій і лізосом; 3) на клітинному рівні - пригнічення поділу клітин, загибель клітин, злоякісна трансформація; 4) на тканинному та органному рівнях - порушення центральної нервової системи, кісткового мозку, шлунково-кишкового тракту; 5) на рівні організму - скорочення життя, смерть; 6) на популяційному рівні - зміна генетичних характеристик внаслідок генних і хромосомних мутацій у індивідуумів.

Чутливість клітин до дії іонізуючого випромінювання залежить від багатьох факторів: виду і дози випромінювання (енергії квантів або часток), стадії мітотичного циклу, швидкості відновлювальних процесів, ступеню оксигенації, вільних сульфгідрильних груп, функціонального стану клітини в момент опромінення. Ядро клітини більш радіочутливе, порівняно з цитоплазмою.

Ступінь променевих реакцій тісно пов’язана з парціальною напругою кисню у біосубстраті. Це явище отримало назву «кисневого ефекту». Чим менше кисню в клітині, тим менше її променеве ураження. Зниження насиченості тканин киснем підвищує стійкість клітин і всього організму до дії радіації у 2-3 рази.

Згідно правилу (закону) Бергоньє-Трибондо, чутливість клітин до радіації прямо пропорційна їх здатності до поділу і зворотно пропорційна рівню їх диференціації. Особливо вражаються клітини, які знаходяться у стані підвищеної активності, наприклад, в період синтезу ДНК. Малодиференційовані клітини також більш чутливі до опромінення. З клітинних структур найбільш уразливими до дії іонізуючого випромінювання є ДНК та Хромосоми. Ці особливості покладені в основу використання іонізуючого випромінювання з лікувальною метою в онкології.

Разом з тим слід відзначити, що в клітинах існують відновлювальні системи, завдяки яким відбуваються репараційні процеси в ядерних і цитоплазматичних структурах. При затримці мітозів частина клітин гине одразу (інтерфазна загибель), частина гине через декілька мітозів (репродуктивна гибель), а частина відновлюється (репарація).

Тканини змінюються під дією іонізуючого випромінювання, залежно від переважання в їх будові тих чи інших клітин. Особливо відчутні зміни в активно проліферуючих тканинах: лімфоїдній, кровотворній, ендокринній. Вони гинуть при низьких дозах опромінення в 1-4 Гр, що проявляється анемією, лейкопенією та іншими порушеннями. Менш виражені променеві ушкодження виникають у тканинах, які мало відновлюються: кістковій, хрящовій, м’язовій, жировій. Клітини цих тканин гинуть при дозах 30-100 Гр. Як виключення, нервовій системі властива висока функціональна радіочутливість, і під дією радіації виникають помітні нервово-рефлекторні зміни.

Ступінь радіочутливості органів залежить від ступеню радіочутливості тканин, з яких вони побудовані. Серед органів травлення найбільш чутливою є Тонка кишка, а найменш чутливою - Печінка. Органи, які є найбільш радіочутливими, або які накопичують більшу кількість інкорпорованих радіонуклідів, називаються критичними. Під час опромінення найвиразні зміни відбуваються у нервовій та імунній системах, кістковому мозку, органах травлення. Крім того, більш радіочутливими є тканини зародка та плода, ніж тканини дорослої людини. Одним з наслідків опромінення вагітних жінок після вибухів атомних бомб у японських містах Хіросіма і Нагасакі було розумове і фізичне недорозвинення частини їхніх дітей.

На популяційному (видовому) рівні важливими наслідками впливу радіації є мутагенні властивості радіації. Мутації - це раптові зміни генетичного матеріалу, які успадковуються і приводять до змін тих чи інших ознак організму. Умовно вони поділяються на спонтанні, які виникають під впливом зовнішніх природних факторів, або внаслідок біохімічних змін у самому організмі, і індуковані, які виникають під впливом дії мутагенних факторів. Із них негативними є більш ніж 99% мутацій, а позитивними - менше 1%. Негативні приводять до загибелі клітин, або виникненню у них нових властивостей, зокрема неконтрольованого поділу і появи злоякісної пухлини. Для подвоєння частоти мутації достатньо дози радіації у 0,5-2,5 Зв. З подвоєнням дози опромінення подвоюється кількість мутацій. Характерними для радіаційних мутацій є розриви хромосом, які становлять до 50% усіх уражень генетичного апарату і які при природних мутаціях спостерігаються рідко.

Чим більше людей опромінюється, тим більша вірогідність появи рецесивних мутацій. Тому такі жорсткі правила променевого захисту застосовуються для нормативів опромінення груп людей. Якщо для професіоналів, які працюють з джерелами іонізуючого випромінювання (група А) гранично допустима доза на рік в Україні становить 20 мЗв/ рік, то для всього населення (категорія ГД) - 1 мЗв/рік.

Природній радіаційний фон становить близько 2,4 мЗв/рік. При опроміненні усього тіла, 1 Зв викликає зміни в крові, 3 Зв призводить до смерті потягом 30 днів у 50 % випадків.