Биологическое действие ионизирующих излучений

Б присутствии кислорода возможно образование гидроперекиси и перекиси водорода:

При действии ионизирующей радиации в организмах протекают первичные физико-химические процессы, ко­торые заключаются в образовании высокоактивных в хи­мическом отношении соединений. Возникновение этих соединений возможно как в водной фазе, так и в невод­ной. Учитывая, что в живом организме имеется большое количество воды (от 60 до 90%), следует предполо­жить, что процесс радиолиза воды имеет большое зна­чение в развитии лучевого поражения. Под действием ионизирующего излучения возможны следующие процес­сы образования ионов и радикалов из воды:

Энергия излучения может поглощаться и непосред­ственно молекулами органических соединений. При этом возникают возбужденные молекулы, ионы, радика­лы и перекиси:

Таким образом, первичные процессы, происходящие в организмах непосредственно в момент действия излу­чения, заключаются в образовании возбужденных моле­кул, ионов, радикалов, перекисей. Эти высокоактивные

236

в химическом отношении соединения вступают в реакций со сложными биохимическими системами живого орга­низма, что приводит к нарушениям биохимических про­цессов и структуры клеток, а следовательно, и к нару­шениям функций на уровне целостного организма. Одна­ко конкретные причины и механизмы развития лучевого поражения изучены в настоящее время недостаточно полно.

Процесс лучевого поражения имеет ряд особенно­ стей.

Развитие во времени. Если организм не облучен очень большой дозой, вызывающей так называемую смерть под лучом, то процесс поражения имеет три фа­зы. Первая — фаза первичных изменений. Для нее ха­рактерны реакции, аналогичные реакциям возбуждения, сопровождающиеся изменением некоторых биохимиче­ских процессов и нарушением физиологических функ­ций. Затем наступает фаза мнимого благополучия. В этой фазе почти все изменения, характерные для пер­вой фазы, проходят и отклонений от нормы у поражен­ных животных не наблюдается. Длительность второй фазы колеблется в широких пределах в зависимости от видов организмов и от дозы облучения: у простейших она может составлять несколько часов, у моллюсков — несколько месяцев, у высших животных и человека — 5 — 21 сут. Третья фаза — фаза лучевой болезни. При этом происходит быстрое нарастание биохимических и физиологических изменений и возникают патологические явления. Тяжесть этих нарушений находится в прямой зависимости от дозы облучения. При малых дозах жи­вотное выживает, при больших — погибает.

У человека лучевое поражение характеризуется сле­дующими признаками и проявлениями: первая фаза — потеря аппетита, слабость, головокружение, тошнота, лейкоцитоз и др.; вторая фаза — слабость, временами головокружение, лейкопения и др.; третья фаза — общая слабость, помрачение сознания, резкое уменьшение чис­ла лейкоцитов, эритропения, повышенная температура, тахикардия, выпадение волос, кровоизлияния в кишеч­нике и легких и др. Если после третьей фазы человек выживает, то наступает постепенное улучшение состоя­ния и возвращение показателей к норме.

При исследовании гибели организмов во времени бы­ло обнаружено два пика смертности. Опыты проводились

237

на дрожжах, гидрах, мышах. Наличие двух пиков смертно­сти некоторые авторы объясня­ют тем, что в тканях живого организма возникают две не­зависимые реакции, каждая из которых может «привести к ги­бели организма. Считают, что эти реакции развиваются с различной скоростью. Одна ре­акция — неокислительного ти­па — проявляется преимущест­венно при действии больших доз излучения и при действии излучения с 'большой плотно-

стью ионизаций; вторая реакция — окислительного типа — проявляется при средних дозах излучения.

Зависимость от дозы. Биологический эффект дейст­вия излучения зависит от дозы облучения. Очень большие дозы вызывают смерть под лучом. Например, при облу­чении мышей дозой 100 000 Р они погибают через 1 — 2 ч. Несколько меньшие дозы вызывают лучевое заболе­вание, приводящее к смерти через несколько дней. При действии еще меньших доз часть животных через неко­торое время погибает, а часть выздоравливает. Для изу­чения зависимости биологического эффекта от дозы об­лучения прибегают к помощи графиков. По одной оси откладывают величину дозы облучения, по другой — смертность организмов (процент погибших животных). При действии на одни объекты получают экспоненциаль­ную зависимость смертности от дозы (рис. 46,а), при действии на другие объекты — S-образную (рис. 46,6).

В радиобиологической литературе часто для удобст­ва пользуются понятием дозы, при которой в течение 30 сут после облучения происходит гибель 50% орга­низмов,— LD_50/30. Ниже приведены значения LD_50/30 для некоторых животных.

238

Как следует из приведенных данных, различные жи­вотные обладают различной радиочувствительностью. Из позвоночных животных наибольшей радиочувствительностью обладают млекопитающие. Кроме различной видовой чувствительности, имеется различная индиви­дуальная чувствительность в некоторых пределах дозы. Этим объясняется форма зависимости смертности от дозы.

Неодинакова также радиочувствительность различ­ных тканей, клеток и частей клеток. Например, наиболее радиочувствительны из тканей организма костный мозг, селезенка, лимфатические узлы и эпителий кишечника. Еще в 1906 г. Бергонье и Трибондо сформулировали правило: чувствительность клеток к облучению прямо пропорциональна их пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени их дифференцировки. Правило Бергонье и Трибондо послужило теоретической основой для развития рентгено- и радиотерапии злока­чественных опухолей. Клетки опухолей относятся к чис­лу интенсивно делящихся: они обычно менее дифферен­цированы, чем клетки ткани, где развивается опухоль, поэтому во многих случаях опухоль более чувствительна к облучению, чем окружающие ее нормальные ткани. Чем определяется различная радиочувствительность тканей, до сих пор окончательно не выяснено.

На зависимость гибели организмов от дозы облуче­ния оказывают влияние изменения внешних условий: температуры, парциального давления кислорода, рН и т.д.

Зависимость от температуры. Было исследовано влияние температуры на лучевое поражение яиц аска­риды, икры лягушки, взрослых лягушек, новорожден­ных крысят, дрожжей и т. д. При этом было установ­лено, что изменение температуры во время облучения мало влияет на степень лучевого поражения. Темпера­турный коэффициент смертности Q₁₀ не превышал 1,1— 1,3. Но при изменении температуры, при которой объект содержится после облучения, значительно изменялась степень лучевого поражения. Например, в опытах на ля­гушках повышение температуры после облучения при-

₂₃₉

вело к значительному усилению лучевого поражения — Q₁₀ был равен 6.

Небольшая величина температурного коэффициента поражения во время облучения указывает на то, что в момент облучения в субстрате происходят физические процессы, аналогичные первичным процессам поглоще­ния света. Значительное увеличение степени поражения при увеличении температуры после облучения свиде­тельствует о возникновении в облученном объекте хими­ческих процессов, имеющих высокую энергию акти­вации.

Влияние кислорода. Уже сравнительно давно было показано, что снижение парциального давления кисло­рода во время облучения уменьшает радиочувствитель­ность живого объекта. Кислородный эффект был уста­новлен при работе с вирусами, бактериями, животными. Окончательно механизм влияния кислорода на радио­биологические процессы еще не выяснен.

Химическая защита. Степень лучевого поражения из­меняется при введении до облучения ряда химических веществ в среду, где находится организм, или внутрь са­мого организма. Снижение степени лучевого поражения организмов при введении ряда химических соединений называется химической защитой.

Защитными свойствами обладают соединения, содер­жащие сульфгидрильные группы и серу (цистеин, глу-татион). Кроме того, защитное действие оказывают не­которые амины, сахара, флавины, антибиотики и пр. Некоторые авторы считали, что первичный механизм действия ионизирующей радиации связан с инактиваци­ей сульфгидрильных групп ферментов. Поэтому хими­ческую защиту объясняли наличием в защитных соеди­нениях сульфгидрильных групп. Однако эта точка зре­ния не оправдалась.

Важным свойством защитных соединений является их антиокислительная способность. Почти все защитные вещества являются ингибиторами окислительных про­цессов. Вероятно, защитные вещества понижают интен­сивность окислительных процессов, возникающих при лучевом поражении. Это подтверждается тем, что в от­сутствие кислорода эффект защиты химическими веще­ствами уменьшается. Введение защитных веществ, так же как и недостаток кислорода в тканях, сдвигает окис­лительно-восстановительный потенциал в положительную

240

сторону, что тормозит развитие окислительных процес­сов. Защитные вещества могут ингибировать свободные радикалы, образующиеся при облучении, и тормозить окислительные реакции, ведущие к поражению. При изучении защитного действия веществ было получено соответствие между их антирадикальной активностью и радиозащитным действием.

Теории, объясняющие механизм действия радиоактивных излучений

Теория мишени. Для объяснения механизма действия радиоактивных излучений на организм был создан ряд теорий. Одной из первых теорий, пытавшихся объяс-нить, почему ничтожное в энергетическом отношении действие излучения дает большой биологический эф- фект, была теория мишени (Гровтер). Согласно этой теории, в живой клетке имеется определенный чувстви­тельный объем (мишень), попадание в который части­цы или поглощение которым кванта излучения приво­дит к гибели клетки. Попадание в мишень подчинено закону вероятностей. Математические расчеты позволя­ют получать зависимость эффекта от дозы облучения, которая в некоторых случаях хорошо совпадает с экспе­риментальной кривой. Сторонники теории мишени пыта­лись связать чувствительный объем с какой-либо частью клетки: с ядром, ядрышком, геном. Первое время полу­чали хорошее совпадение величины мишени с величиной гена и давали хорошее объяснение количественным зави­симостям хромосомных аберраций и других видов мута­ций от величины дозы. Но затем, по мере расширения исследований по генетике и радиобиологии, вычислен­ный объем мишени перестал совпадать с объемом, от­водимым под генетический аппарат клетки. Кроме того, с позиций теории мишени трудно объяснять большинство особенностей процесса лучевого поражения: наличие фа­зы мнимого благополучия, влияние температуры, влия­ние кислорода, защитное действие химических веществ и т. д. Таким образом, теория мишени является чисто формальной теорией, не вскрывающей природы, физи­ческих и физико-химических процессов, ведущих к пора­жению, и не объясняющей особенностей и закономерно­стей лучевого поражения.

Теория непрямого действия (Вейс, Дейл). Согласно згой теории, в водной фазе живого организма возникают