2. Види випромінювань, що застосовуються у медичній практиці . Біологічна дія іонізуючих випромінювань на здорову та патологічно змінену клітину.

Променева терапія — це розділ медичної радіології, який вивчає застосування іонізуючих випромінювань для лікування хвороб.

Променева терапія проводиться в радіологічних відділеннях онкологічних диспансерів та НДІ. Для лікування злоякісних пухлин променева терапія застосовується майже у 80% хворих в поєднанні із хірургічним чи хіміотерапевтичним методами та майже у 40% хворих променева терапія проводиться як самостійний радикальний метод лікування.

В медичній практиці використовуються як іонізуючі (альфа-, бета-, гама-, рентгенівське, нейтронне та протонне),так і неіонізуючі (ультразвукове, інфрачервоне, лазерне, резонансне радіочастотне) випромінювання.

Джерела іонізуючих випромінювань. Розрізняють природні джерела — космічне випромінювання і природні радіонукліди Землі та штучні джерела іонізуючого випромінювання - нерадіонуклідні та радіонуклідні.

Нерадіонуклідні джерела випромінювань — це технічні пристрої, які не містять у собі радіоактивних речовин, але за певних умов здатні генерувати іонізуюче випромінювання за рахунок прискорення і гальмування заряджених частинок. Це генератори рентгенівського (рентгенівські апарати близько- та далекодистанційні), гальмівного та корпускулярного випромінень високих енергій (лінійні прискорювачі електронів, синхрофазотрони, синхроциклофазотрони та ін.).

Радіонуклідні джерела іонізуючих випромінень — це джерела випромінень безперервної дії, в яких міститься радіоактивна речовина. В залежності від технологічного призначення розрізняють закриті та відкриті джерела іонізуючого випромінювання.

Закрите джерело — це радіоактивне джерело іонізуючого випромінювання, обладнання якого виключає потрапляння радіоактивної речовини, що в ньому міститься, у зовнішнє середовище, це: радіоактивні препарати (голки, кульки та ін.) та гама-терапевтичні установки для статичного та динамічного опромінення.

Відкрите джерело — це радіоактивне джерело випромінювання, при використанні якого можливе потрапляння в зовнішнє середовище радіоактивної речовини, що в ньому міститься - це справжні розчини та суспензії радіоактивних речовин.

Фізичні властивості та проникаюча здатність деяких іонізуючих випромінювань представлені в табл.2.1.

Таблиця 2.1. Фізичні властивості та проникаюча здатність деяких видів іонізуючих випромінювань.

Види випромінювань	Енергія випромінювань МеВ	Швидкість поширення в вакуумі км/с	Довжина пробігу в повітрі	Довжина пробігу в тканинах	Іонізуюча здатність (щільність іонізації на одиницю шляху пробігу)
Альфа	1-10	20 000	до 20 см	до 50 мкм	10 000-20 000 пар/мм
Бета	0,1-2	270 000	до 15 м	до 1 см	5-10 пар/мм
Гамма	0,1-20	300 000	сотні метрів	десятки сантиметрів	1 пара/см
Нейтрони	0,5-10	0,001-1000000	сотні метрів	сантиметри, метри	Сотні, десятки тисяч пар на мм

Біологічна дія іонізуючих випромінювань.

Під біологічною дією іонізуючих випромінювань розуміють їх здатність викликати функціональні, анатомічні і метаболічні зміни на всіх рівнях біологічної організації. Біологічна дія іонізуючих випромінювань зумовлена енергією, що передається випромінюваннями різним тканинам і органам.

В основі біологічної дії іонізуючих випромінювань лежать:

• поглинання енергії випромінювання біосубстратом;

• іонізація і збудження атомів і молекул, радіоліз води з утворенням вільних радикалів H⁺ OH^- і пероксиду водню - H₂O₂, утворення активних вільних радикалів, розвиток первинних радіаційно-хімічних реакцій і пошкодження високомолекулярних сполук.

Первинна дія випромінювання може бути прямою і непрямою. При прямому впливі випромінювання відбувається збудження та іонізація молекул речовини тканин і органів.

Передача енергії іонізуючого випромінювання речовині здійснюється в дуже короткий термін (див. табл. 2.2):

Таблиця 2.2. Стадії променевого ураження

Час	Етап ураження	Рівень біологічної організації
10-12 сек	Фізична взаємодія, поглинання енергії, іонізація і збудження молекул.	Молекулярний
10-9-10-3 сек	Первинні радіохімічні реакції, утворення радикалів. Зміни молекул, порушення біохімії клітин.	Субклітинний
Секунди-хвилини	Ураження клітин: порушення структур, що забезпечують функцію і спадковість клітин.	Клітинний
Хвилини-години	Порушення морфології клітин та їх загибель	Тканинний, органний
Хвилини-місяці	Ураження цілісного організму: порушення функцій органів і систем; морфологічні зміни в органах і системах; загибель організму	Цілісний організм
Все життя індивідуума	Віддалені соматичні ефекти (зниження опірності, скорочення тривалості життя, розвиток раку або лейкозу, дистрофічні зміни тканин)
Невизначено тривалий час	Генетичні наслідки опромінення	Популяційний

Іонізація і збудження атомів і молекул опроміненої тканини є первинним фізичним процесом, що зумовлює пусковий механізм біологічної дії іонізуючого випромінювання, тому її називають прямою дією. При цьому відбувається розрив молекулярних зв'язків з утворенням вільних радикалів з високою хімічною активністю. Вони взаємодіють з оточуючими інтактними атомами та молекулами (молекулами органічних речовин, розчинених у воді: білків, нуклеопротеїдів, ліпідів, ферментів тощо), внаслідок чого відбувається їх розщеплення з утворенням наступних вільних радикалів, які взаємодіють з неопроміненими молекулами і зумовлюють непряму дію іонізуючого випромінювання, тобто зміни молекул, виникають не від отриманої енергії іонізуючого випромінювання, а від енергії змінених молекул (під час опромінення під пряму дію потрапляє дуже незначна частина молекул опромінюваного організму).

Основним субстратом окислювальних реакцій , що викликають вільні радикали, є біоліпіди і нуклеопротеїди. В результаті радіаційного впливу порушується структура тканин і клітин.

Іонізація атомів і молекул веде до зміни структури молекул, що призводить до порушення біохімічних процесів в органах і тканинах і проявляється розладом тканинного дихання, зміною дії ферментативних систем, порушенням синтезу білків тощо.

Іонізуюче випромінювання завжди спричиняє пошкоджуючу дію на живий організм. Реакції організму на опромінення різноманітні і визначаються як діючим чинником - випромінюванням, так і властивостями самого організму.

Ступінь променевого ураження чітко корелює з парціальним тиском кисню в тканинах — чим нижчий парціальний тиск кисню, тим менші прояви променевого ураження (так званий „кисневий ефект”). В умовах гіпоксії радіочутливість організму може знижуватись у 2 – 3 рази.

Особливості біологічної дії випромінювань:

1) Біологічний ефект залежить від величини поглинутої дози та потужності дози випромінювань, ця залежність пряма - з наростанням дози та її потужності посилюється ефект. Патологічні зміни виникають на всіх рівнях інтеграції організму – молекулярному, клітинному, органному та в цілісному організмі.

2) Ефект опромінення пов'язаний з розподілом дози в часі, тобто зі швидкістю поглинання енергії. Розподіл однієї і тієї ж сумарної дози на окремі фракції веде до зменшення ступеня променевого ураження, процеси відновлення, що починаються відразу після опромінення, здатні хоча б частково компенсувати порушення, що виникли.

3) Ступінь і форма променевого ураження визначається розподілом енергії випромінювання в організмі. Найбільший ефект зумовлює опромінення всього організму - загальне опромінення. Менші зміни викликає вплив в тій же дозі на окремі частини організму – локальне (місцеве) опромінення, при цьому має значення, які частини організму опромінюються. Найбільші наслідки викликає опромінення живота, а найменші - опромінення кінцівок.

4) Біологічна дія залежить від виду випромінювання (див. розділ “Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною”).

Отже, всі види іонізуючих випромінювань самі або опосередковано викликають або збудження, або іонізацію атомів або молекул біосистем. Однак, при опроміненні об'єктів різними видами іонізуючих випромінювань в рівних дозах виникають кількісно, а інколи і якісно різноманітні біологічні ефекти. Тому було введене поняття про відносну біологічну ефективність (ВБЕ) іонізуючих випромінювань (див. розділ „Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною”).

5) Наявність прихованого періоду дії радіації. Прихованим періодом називається проміжок часу, що охоплює період від моменту опромінення до появи змін, що реєструються клінічно. Тривалість прихованого періоду обернено пропорційна поглинутій дозі. Чим більша доза, тим коротший прихований період. Необхідно мати на увазі, що прихований період є поняттям умовним, чисто клінічним, бо в дійсності реакція на опромінення розвивається безупинно.

6) Властивість кумуляції - накопичення. Якщо ділянку шкіри опромінити в дозі 1 Гр, то жодних візуальних змін не буде. Якщо опромінення повторювати декілька днів підряд, розвинеться еритема. Якщо опромінення щодня продовжувати 2-3 місяці - то виникає некроз. Це відбувається тому, що в тканинах поступово накопичуються невеликі зміни, які викликаються кожним опроміненням, що в підсумку призводить до більших пошкоджень.

В формуванні біологічного ефекту особливу роль грає функція систем, які інтегрують організм - нервової системи, ендокринного апарату і гуморальної системи, що транспортує по організму токсичні продукти, які утворюються в тканинах в результаті опромінення.

Нервові рецептори зазнають впливу токсичних продуктів, що призводить до порушення процесів нервової регуляції, а виникнення ланцюгових реакцій, що самоприскорюються в опроміненому організмі, зумовлює подальший розвиток етапів променевого ураження з характерною періодичністю розвитку патологічного процесу.

З вищесказаного випливають два важливих положення:

Перше - взаємодія іонізуючого випромінювання з живою речовиною відбувається за законами фізики і супроводжується збудженням та іонізацією атомів і молекул і первинними радіохімічними процесами (реакціями). Але це лише первинна дія радіації.

Друге - іонізація атомів і молекул є лише пусковим механізмом для вторинних процесів, які розвиваються в подальшому в живому організмі по біологічним законам. Тому ефективність біологічної дії іонізуючих випромінювань оцінюють з точки зору тяжкості цих вторинних пошкоджень.

Дія іонізуючих випромінювань на клітину і організм теплокровних тварин

В результаті опромінення в клітині можна зареєструвати безліч найрізноманітніших реакцій - затримку поділу, пригнічення синтезу ДНК, пошкодження мембран і ін. Ступінь вираженості цих реакцій залежить від того, на якій стадії життєвого циклу клітини відбулося опромінення.

Відомо, що синтез ДНК в клітині відбувається в інтерфазі, яка поділяється на 3 періоди - період синтезу ДНК (S - період), перед - (G₁) і постсинтетичні (G₂) періоди (G - від англ. Gap - інтервал), четвертий період - мітоз (М). Тривалість мітотичного циклу варіює по величині, розташовуючись наступним чином: М < G₂ - S - G₁. Найкоротший період - мітоз, завершується на протязі 30-60 хвилин.

Деякі променеві реакції легко переносяться клітиною, що є наслідком пошкодження структур, втрата яких дуже швидко надолужується. Найбільш універсальна реакція - тимчасова затримка (пригнічення) клітинного ділення, що часто називається радіаційним блокуванням мітозів. Для більшості культур клітин затримка ділення відповідає приблизно одній годині на кожний 1 Гр. Тривалість часу затримки ділення залежить і від стадії клітинного циклу, в якій знаходяться клітини в момент опромінення; найбільш тривалий він в тих випадках, коли впливу зазнають клітини в стадії синтезу ДНК, а найкоротший - при опроміненні в мітозі. Реакцію затримки ділення слід відрізняти від повного пригнічення мітозу, що настає після впливу більших доз, коли клітина значний час продовжує жити, але цілком втрачає здатність до поділу.

Летальні реакції клітин. Форми клітинної загибелі.

Під клітинною загибеллю або летальним ефектом опромінення розуміють втрату клітиною здатності до проліферації. Клітинами, що вижили, вважають ті, що зберегли здатність до необмеженого розмноження, тобто клоноутворення. Таким чином, йдеться про репродуктивну загибель клітини. Ця форма променевої інактивації клітин найбільш розповсюджена в природі.

Інший різновид репродуктивної загибелі нащадків опромінених клітин - утворення так званих гігантських клітин, що виникають в результаті злиття двох сусідніх, частіше “сестринських” клітин. Такі клітини здатні до 2-3 поділів, після чого вони гинуть.

Основною причиною репродуктивної загибелі клітин є структурні перетворення ДНК у вигляді так званих хромосомних перебудов, або аберацій хромосом. Основні види аберацій: фрагментація хромосом, формування хромосомних мостів, дицентриків, кільцевих хромосом, поява внутрішньо- і міжхромосомних обмінів, тощо.

Деякі аберації, наприклад мости, механічно перешкоджають поділу клітини. Обмін всередині хромосом і між ними призводить до нерівномірного розподілу хромосом, до втрати генетичного матеріалу, що викликає загибель клітини через нестачу метаболітів, синтез яких кодувався ДНК втраченої частини хромосоми.

Ще одна форма радіаційної інактивації клітин - інтерфазна загибель - настає до вступу клітин в мітоз. При дозах опромінення 10 Гр загибель може настати “під променем” або незабаром після опромінення. При дозі опромінення до 10 Гр загибель настає в перші години після опромінення і може бути зареєстрована у вигляді різноманітних дегенеративних змін клітини - частіше пікнозу або фрагментації хроматину.

Природа радіаційної загибелі клітин.

Чутливість ядра клітини приблизно на шість порядків вища за чутливість протоплазми. З усіх внутрішньоядерних структур відповідальною за життєздатність клітини є ДНК. Остання бере участь в формуванні хромосом і переносі генетичної інформації. Опромінення викликає різноманітні перетворення в ДНК: розриви молекули ДНК, утворення лужно-лабільних зв'язків, втрату основ і зміну їх складу, зміни нуклеотидних послідовностей, зшивки ДНК-ДНК і ДНК-білок, порушення комплексів ДНК з іншими молекулами.

Розрізняють поодинокі розриви ДНК, коли зв'язок між окремими атомними угрупуваннями порушується в одній з ниток двониткової молекули ДНК і подвійні, коли розрив відбувається відразу в близько розташованих ділянках двох ланцюгів, що призводить до розпаду молекули. При будь-якому розриві порушується зчитування інформації з молекули ДНК і просторова структура хроматину.

Поодинокі розриви не призводять до поломок молекули ДНК, бо розірвана нитка міцно утримується на місці водневими, гідрофобними і іншими видами взаємодій і протилежною ниткою ДНК. Крім того, структура досить добре відновлюється потужною системою репарації. Поодинокі розриви самі по собі (якщо вони не переходять в подвійні) не є причиною загибелі клітин.

Зі збільшенням дози опромінення зростає імовірність переходу поодиноких розривів в подвійні. Рідкоіонізуючі випромінювання (гамма, рентгенівське, швидкі електрони) на 20-100 одиничних розривів зумовлюють один подвійний. Щільноіонізуючі випромінювання викликають значно більше число подвійних розривів ДНК і аберацій хромосом безпосередньо після опромінення.

Окрім утворення розривів, в опроміненій ДНК порушується структура основ, передусім тиміну, що збільшує число генних мутацій. Відзначається утворення зшивок між ДНК і білками нуклеопротеїнового комплексу.

Нарешті, важливим наслідком опромінення є зміна епігеномної (не зв'язаної з ядерним матеріалом) спадковості клітини, носіями якої є різноманітні цитоплазматичні органели. При цьому знижується функціональна активність нащадків опромінених клітин. Певно, саме це може бути однією з причин віддалених наслідків опромінення. Однак головною причиною репродуктивної загибелі клітин при опроміненні є пошкодження їх генетичного апарату.

Пострадіаційне відновлення (репарація) клітин

Багато радіаційних пошкоджень відновлюються. Такі пошкодження називають потенційними. Їх доля може скластися двома шляхами - вони репарують і тоді клітина виживає, або реалізуються і тоді клітина гине.

По часу здійснення розрізняють дореплікативну, постреплікативну і реплікативну репарації.

Дореплікативна репарація (до етапу подвоєння ДНК) може відбуватися шляхом возз'єднання розривів, а також з допомогою вилучення (ексцизії) пошкоджених основ. У з’єднані одиничних розривів беруть участь ферменти: лігаза, ендо-, екзонуклеаза, ДНК-лігаза, які забезпечують кінцевий акт репарації — лігазне возз’єднання.

Постреплікаційна репарація - це процес, при якому клітина зберігає життєздатність, незважаючи на наявність дефектів ДНК.

Реплікативна репарація (відновлення ДНК в процесі її реплікації) здійснюється вилученням в ході реплікації пошкоджень в зоні точки росту ланцюга, або шляхом елонгації, минаючи пошкодження.

Нестохастичні і стохастичні наслідки радіаційного впливу

Нестохастичними називають такі ефекти, для яких існує поріг опромінення, а імовірність їх виникнення і ступінь тяжкості залежить від дози опромінення.

Стохастичними називають такі ефекти, для яких не існує поріг впливу.

Основними стохастичними ефектами є генетичні і канцерогенні наслідки променевого впливу.

У таблиці 2.3. наведена структура патологічних порушень унаслідок радіаційного впливу на організм людини.

Табл. 2.3. Структура патологічних порушень внаслідок радіаційного впливу на організм людини.

Радіаційний вплив
Безпосередні ефекти	Віддалені ефекти
	Соматичні	Тератогенні	Генетичні
Гостра променева хвороба	Ріст загальносоматичних захворювань	Розумова відсталість	Домінантні мутації
Хронічна променева хвороба	Лейкоз	Природжені дефекти	Наведені генетичні ефекти
Гіперплазія, деструкція щитовидної залози	Рак щитовидної залози	Бластомогенні ефекти	Дефекти, пов’язані з дією на хромосоми
Катаракта	Рак молочної залози
Променеві травми	Рак легенів
Психоемоційні розлади	Інші види пухлин
	Патологія вагітності і пологів
	Скорочення тривалості життя

Соматичні наслідки радіаційного впливу

Серед нестохастичних наслідків, окрім променевої хвороби, можуть розвиватися гіпопластичні і дистрофічні стани, дисфункція залоз внутрішньої секреції. Найбільш типовими наслідками є функціональні і органічні зміни з боку нервової, серцево-судинної, імунної систем, а також кровотворення.

Генетичні наслідки радіаційного впливу

Генетичні наслідки опромінення виявляються в першій і наступних генераціях. Під впливом іонізуючих випромінювань в малих дозах найчастіше розвиваються генні мутації, що в найбільшому ступені відбиваються на спадковості людини. До генетичних ефектів дії радіації належать різні форми спадкових хвороб, зумовлених пошкодженнями генетичного апарату ядер статевих клітин. Чинники, що зумовили зміни генетичної інформації, називаються мутагенами, а це явище - мутагенезом.

При ураженні хромосомного апарату соматичних клітин під впливом іонізуючих випромінювань можуть розвиватися різні непухлинні хвороби (соматичні, тератогенні ефекти).

При дії іонізуючих випромінювань на статеві клітини (гонади) можуть виникати зміни числа, структури хромосомного апарату, що викликають спадково зумовлені форми патології:

• зміна внутрішньої структури окремих генів може зумовлювати мертвонародження, спонтанний аборт, народження нежиттєздатних дітей; мутації, що характеризуються структурною перебудовою однієї або декількох хромосом і зумовлюють важкі патологічні синдроми;

• зміна числа хромосом в наборі може зумовлювати важкі форми спадкової патології і бути причиною найбільш розповсюджених хромосомних хвороб;

• генетичні порушення внаслідок радіаційного опромінення статевих залоз батьків діляться на домінантні та рецесивні.

Дія випромінювання на ембріон та плід

Внутрішньоутробний розвиток дитини відбувається в три періоди — передімплантації, органогенезу та фетогенезу.

Передімплантаційний період триває до 9-ої доби після запліднення. Найбільш чутливі зародки до 5-ої доби розвитку. Опромінення 1 – 1,5 Гр зумовлює загибель 70 – 80% зародків. Опромінення зародків 6 – 10 доби розвитку зумовлює виникнення наступних вроджених вад: морфо-функціональні порушення мозку, вади серця, скелета та ін.

Органогенез триває з 9-ої доби до 6-го тижня після зачаття. Опромінення дозою в 0,2 Гр в цей період може спричинити затримку росту плода, грубі аномалії його розвитку, та неонатальну смертність.

Фетогенез розпочинається з 7-го тижня після запліднення. В цей період відносно великі дози опромінення зумовлюють стійке відставання в рості організму.

Біологічну дію випромінювань оцінюють також по радіочутливості (поява фізіологічної реакції на опромінення) і радіоуражуваності (радіоуражуваність: СД50/30 викликає загибель 50% тварин на протязі 30 днів; СД100/30 - викликає загибель 100% опромінених на протязі 30 днів).

Променеве ураження залежить від індивідуальної чутливості до іонізуючого випромінювання і загальної реактивності організму під час опромінення. Є видові відмінності чутливості у ссавців. Смертельна доза для людини становить більше 6 Гр, для собаки – 6 Гр, морської свинки - 5 Гр, пацюка - 8 Гр, птахів - 8-10 Гр, кроля - 12 Гр, найпростіших (амеба) - 1000 Гр, бактерій - сотні тисяч Гр (Mіcrococcus radіodurens живе і розмножується в каналах працюючого атомного реактора).

Рідіочутливість залежить від віку (у дітей значно вища, ніж дорослих та осіб похилого віку), генетичної конституції, стану здоров’я (хворі зазвичай більш радіочутливі ніж здорові), харчування (повноцінне та збалансоване харчування підвищує радіостійкість), гормонального статусу (порушення гормонального статусу підвищує радіочутливість), статі (особи жіночої статі більш радіостійкі, ніж чоловіки), кількості кисню в атмосфері під час опромінення біологічних об’єктів (кисневий ефект – підвищення радочутливості при зростанні чи зниженні парціального тиску кисню в атмосфері), температури (охолодження тіла нижче нормальної супроводжується підвищенням радіостійкості).

В 1906 р. І. Бергоньє і Л. Трибондо відзначили, що радіочутливість тканин прямо пропорційна проліферативній активності і обернено пропорційна ступеню диференціювання клітин, що її складають. Тому найбільш чутливими є кровотворна тканина, лімфоїдна тканина, статеві залози, кришталик ока та ін., найбільш радіостійкою тканиною є м’язова тканина.

В залежності від радіочутливості встановлено 3 групи критичних органів або тканин:

І група - все тіло, гонади і червоний кістковий мозок, лімфоїдна тканина.

ІІ група - щитовидна залоза, жирова тканина, печінка, нирки, селезінка, шлунково-кишковий тракт, легені, м'язи, кришталик ока і органи, що не відносяться до І і ІІІ груп.

ІІІ група - шкірний покрив, кісткова тканина, кисті, передпліччя, гомілки і стопи.