Первичные эффекты ионизирующего излучения

Все ионизирующие излучения действуют в принципе одинаково они передают свою энергию атомам вещества, вызывая их возбуждение и ионизацию. Ведущей радиационно-химической реакцией является разрыв химических связей в молекулах липидов, нуклеиновых кислот, белков и т.д. с возникновением свободных радикалов.

Наибольшее значение в первичных реакциях играет вода (она составляет 60-70% массы тела). При прохождении через ее молекулы частиц или фотонов проходит ионизация воды (т.е. отщепление ц присоединение электронов).

Продукты расщепления ионизированной воды включают в себя свободные радикалы. Электрон может присоединиться к ионизированной молекуле воды, и та, став нейтральной, становится неустойчивой.

Если в воде расверен кислород, то возможны реакции, ведущие к образованию перекиси водорода.

В организме в связи с водой находятся все органические вещества. Поэтому часть радикалов "нападает" на окружающие молекулы, окисляя или восстанавливая их активные группы. В результате изменяются молекулы белка и нуклеопротеидов, ферментов и др. Возникает, так называемое, непрямое действие ионизирующего излучения на молекулы биосубстрата. Это подтверждается следующими фактами:

1. Эффектом разведения - эффект инактивации фермента, облученного в растворе, в большой степени независим от его концентрации в растворе.

2. Температурным эффектом - при замораживании раствора фермента поражающее действие ионизирующей радиации уменьшается, что можно объяснить уменьшением свободных радикалов,

3. Кислородным эффектом - при недостатке кислорода биологические объекты становятся более радиорезистентными.

4. Эффектом обезвоживания - облучение сухих 'биологических препаратов (порошок ферментов, витаминов, гормонов) приводит к значительно меньшему их разрушению по сравнению с теми же препаратами, но облучаемыми в водных растворах.

5. Защитным действием других органических веществ; присутствующих в растворе, так как, по-видимому, происходит "перехват" свободных радикалов и поражающее действие продуктов радиолиза воды уменьшается. Однако здесь возможен и перехват энергии.

Действие радиации на белки. Сывороточный альбумин денатурируется и осаждается при облучении в дозе 72 000 рад. Поэтому денатурацию белка следует ожидать в случае гибели организма "под лучом".

Большее значение имеют процессы, связанные с изменением функциональные свойств белков, а именно ферментов. По Баррону, наиболее чувствительны ферменты, имеющие в своем составе сульфгидрильные группы (-ЗН). Под влиянием радиации они переходят в бисульфидные связи (S - S). Таким образом сульфгидрильный фермент аденозинтрифосфота инактивируется на 10% уже при 10 рад.

Влияние ионизирующей радиации на клетки.

В клетках, в которых возникли биологические, радиационные изменения, они проявляются двояко:

а) в нарушении жизнедеятельносги самой клетки,

б) в изменениях наследсгаснных свойств клетки.

Схема возможных последствий облучения клеток (по Л. Д. Линденбрантену, 1969 г.)

Возникающие от радиации первичные физические, физико-химические процессы могут вызывать различные поражения и гибель клеток. Эти первичные поражения (возникают до вступления клетки в митоз) состоят в изменении проницаемости клеточных мембран, возникновении "липкости" хромосом, образовании зерен и глыбок в ядерном веществе, в изменении окрашиваемости, задержке митозов и т.д.

На патогенез этих нарушений существует три взгляда:

1) объектом первичного химического повреждения является ДНК,

2) первичное химическое повреждение ведет к образованию токсических веществ, губительно действующих на клетку,

3) первичное химическое повреждение может быть связано с нарушением свойств многочисленных мембран, образующих в клетках эндоплазматическую сеть. Это приводит к высвобождению ферментов, фиксированных на мембранах или в ограниченных последними полостях (в частности, протеолитических ферментов).

Кроме различного рода дегенеративных изменений в клетках наиболее существенными последствиями радиации будут:

1. ЗАДЕРЖКА МИТОЗОВ. В качестве возможных причин называют;

а) образование токсических веществ, или разрушение веществ, необходимых для деления, б) подавление синтеза ДНК.

2. МУТАГЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ.

3. ПОТЕРЯ СПОСОБНОСТИ К РАЗМНОЖЕНИЮ. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ.

Гибель через несколько делений после облучения. Причина возникновения летальных мутаций - прямое действие радиации на хромосомный аппарат клетки.

Последствия, которые вызывает воздействие излучения в клетках, зависят главным образом от величины полученной дозы и могут быть сведены к следующим эффектам:

1} изменения в соматических клетках, приводящие к возникновению опухолевых заболеваний (от лейкоза умерли Мария Кюри и ее дочь, помогавшая матери; до введения строгих правил работы рентгенологов и радиологов у них чаще, чем у врачей других специальностей, развивались опухоли (существовали термины "рак и лейкоз рентгенологов и радиологов"); рабочие урановых шахт Колорадо умерли от рака легких; у жителей Хиросимы и Нагасаки, переживших ядерную бомбардировку, возросла частота лейкозов и через 5-7 лет уровень избыточной смертности от этой патологии достиг пика, а через 20 лет дополнительных новых случаев заболевания, обусловленных радиоактивным облучением, зарегистрировано не было);

2) генетические мутации, оказывающие влияние на будущие поколения; если мутация происходит в зародышевой клетке (в сперматозоиде или в яйцеклетке), последствия будут ощутимыми не только /тля индивидуума, который разовьется из этой клетки, но и в ком-то из будущих поколений (так при облучении мушек дрозофил через несколько поколений начинают выявляться у достаточно большого числа особей явные уродства крыльев и изменения цвета глаз). В Национальной лаборатории г. Окриджа (США) была осуществлена программа "Грандиозная мышь", в ходе которой было обследовано 7 млн мышей. Для использованной в экспериментах линии было характерно наличие семи специфических локальных мутаций, происходящих самопроизвольно. Шесть из них включают в себя изменение окраса покровов тела, а седьмая - укорочение ушей. Когда животных подвергали действию излучения, частота появления указанны?; мутаций увеличивалась и превышала частоту этих мутаций, происходящих самопроизвольно. В этой же лаборатории на мышах особой генетической [ линии было показано, что при облучении родителей в первом поколении потомков регистрируется 37 различных радиационных скелетных аномалий. Мужские особи более чувствительны, чем женские. Для человека достаточно убедительные данные этого феномена отсутствуют в виду того, что до недавнего времени самая многочисленная группа пораженных - жители Хиросимы и Нагасаки (около 110 000 обследованных) для генетических исследований малочисленна, а последствия Чернобыльской аварии требуют еще своего анализа. Тем не менее можно рекомендовать при получении значительной дозы радиации, случайно или вследствие медицинского рентгенологического обследования, включающего воздействия на гонады (половые органы), планируемую беременность отложить на срок приблизительно б мес., чтобы свести до минимума генетические последствия, вызываемые облучением:

3) влияние на зародыш и плод вследствие облучении матери в период бе-; ременности приводит к неполноценному развитию эмбриона в результате двух различных причин. Первая - отягощенная наследственность иди генетические нарушения - по данным доктора А. Stewart у детей, рожденных матерями, подвергавшимися рентгеновскому обследованию в период беременности, значительно чаще развивается рак и лейкоз, чем у детей, рожденных матерями, воздействию не подвергавшимися. Однако это наблюдение имеет и возражение: около 2000 детей родились у матерей, бывших беременными в момент атомных взрывов в Хиросиме и Нагасаки, при этом, находясь в утробе матери они получили среднюю дозу, равную 0,14 Зв (значительно больше, чем при рентгеновском обследовании), но обнаружен был только 1 случай злокачественного заболевания вместо ожидаемых по расчету 12. Вторая причина - внешнее влияние радиации на развивающийся эмбрион или плод. Возникающие вследствие этого нарушения известны как тератогенные эффекты (по имени чудовиша Тереса из греческой мифологии).

Развитие ребенка до момента рождения можно разделить на 3 основных периода. После зачатия оплодотворенная яйцеклетка подвергается быстрому делению, приблизительно до 9-го дня. Облучение в этот период, по-видимому, не вызывает других эффектов, кроме гибели недавно сформированного зародыша, состоящего из небольшого ограниченного числа клеток, Период развития, продолжающийся с 9-го дня по 6-ю неделю жизни после зачатия, называется органогенезом, потому что в это время клетки начинают дифференцироваться с образованием специализированных органов и частей тела- глаз, мозга, рук, ног и др. Облучение в этот период может привести к появлению целого спектра дефектов - расщепление нёба, остановка развития конечностей, нарушения формирования головного мозга и т.д. Развитие органов и конечностей в этот период проходит в строгой последовательности, следовательно радиация будет влиять на те структуры, которые должны развиваться в момент вредной экспозиции. Облучение в ранний период органогенеза наряду с грубыми аномалиями плода способно вызывать задержку роста организма, что выражается в уменьшении размеров тела при рождении. Срок беременности после 6 недель называют плодным периодом. О действии радиации в данный период известно немного, за исключением того, что большие дозы вызывают стойкое отставание в росте организма, т.е. потомок облученной матери по размерам меньше нормы при рождении и остается ниже среднего роста на всю свою жизнь.

У потомков японцев, выживших после атомной бомбардировки, наблюдается в качестве заметных дефектов уменьшение размера головы и отставание умственного развития.

Все вышеизложенное обосновывает так называемое правило десяти дней, которое гласит, что женщина детородного возраста должна проходить рентгенографию желудка или органов таза только во время первых 10 дней после начала менструального периода, г.о. в отсутствие беременности. В государственном масштабе это правило введено в Великобритании, где медицинское обслуживание организует система Национального здравоохранения. При проведении же рентгеновских процедур при неотложных ситуациях женщине не мешало бы предупредить врача о наличии беременности.

4. ГИБЕЛЬ КЛЕТОК. На механизмах мы уже остановились ранее.