Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_148_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
Действие
Приблизительное время
Первичный акт ионизации
10
–18
с
Прохождение вторичных электронов
10
–15
с
Образование ионных радикалов
10
–10
с
Образование свободных радикалов
10–9 с
Химические изменения
10–5 с
Гибель отдельных клеток
Часы–месяцы
Грубые биологические эффекты
Часы–годы
https://t.me/med1917
Этот процесс поглощения энергии приводит к образованию радикалов и
других химических соединений, и именно последующие химические
взаимодействия с ними являются истинными причинами радиационного
повреждения. Хотя может показаться, что химические изменения происходят
в течение короткого времени (~10–5 с), этот период, тем не менее, в ~1018 раз
больше, чем время, необходимое исходной частице для прохождения через
ядро клетки. Таким образом, на микроскопическом уровне химическое
повреждение происходит в течение относительно длительного периода
времени (таблица 2.1).
Следует отметить, что независимо от природы первичного излучения
(которое может состоять из частиц и/или электромагнитных волн), механизм
передачи энергии от первичного пучка излучения к биологическим мишеням
всегда осуществляется с помощью образующихся вторичных электронов.
Первичные акты ионизации (которые происходят практически мгновенно на
микроскопическом уровне) являются предшественниками цепочки
последующих актов, которые в конечном итоге могут привести к клиническим
(макроскопическим) проявлениям радиационного повреждения.
Проявление клеточной гибели в отдельных летально поврежденных
клетках наступает позже, обычно в тот момент, когда клетка в очередной раз
пытается вступить в митоз. Грубые (макроскопические и клинически
наблюдаемые) радиационные эффекты является результатом полного
функционального нарушения, которое следует за летальным повреждением
большого числа клеток или критических субструктур. Временные рамки всего
этого процесса могут растягиваться на месяцы или годы. Таким образом, в
клинических исследованиях любые вредные воздействия на здоровье,
связанные с процедурой облучения, могут проявиться лишь спустя длительное
время после завершения диагностического обследования или лечения
(таблица 2.1).
ТАБЛИЦА 2.1. ВРЕМЕННЫЕ РАМКИ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ
47
https://t.me/med1917
2.3. БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
2.3.1. Виды ионизирующих излучений
В ядерной медицине существует четыре вида излучения, которые играют
важную роль в воздействии на опухоли и нормальные ткани: гамма (γ)
излучение, бета (β) излучение, альфа (α) частицы и оже-электроны.
2.3.1.1. Гамма-излучение
Гамма-излучение — это электромагнитное излучение высокой энергии
(обычно выше 25 кэВ), которое возникает при взаимодействии субатомных
частиц. Электромагнитное излучение часто рассматривается как поток
волнообразных пучков частиц (фотонов), которые движутся со скоростью света
и чьи свойства взаимодействия определяются главным образом связанной с ними
длиной волны. Хотя коллективное ионизационное поведение большого числа
фотонов можно предсказать с высокой точностью, индивидуальные
взаимодействия фотонов происходят случайным образом, и, проходя через
любой тип материи, фотон может взаимодействовать от одного до нескольких
раз, либо не взаимодействовать вовсе. При каждом взаимодействии (которое
обычно сопровождается фотоэлектрическим эффектом, эффектом Комптона или
образованием электронно-позитронной пары) образуются вторичные частицы,
обычно электроны (которые непосредственно ионизируются) или фотон с
пониженной энергией, который сам может подвергаться дальнейшим
взаимодействиям. Электроны подвергаются многочисленным актам ионизации
относительно близко к месту их образования и, следовательно, вносят основной
вклад в локальную поглощенную дозу. Любые вторичные фотоны, которые
могут быть образованы, переносят энергию дальше от места первоначального
взаимодействия и, после дальнейших взаимодействий, приводящих к
образованию электронов, ответственны за осаждение дозы в местах, более
удаленных от первоначального взаимодействия.
2.3.1.2. Бета-излучение
Бета-излучение — электроны, испускаемые в результате β-распада
радионуклида. Процесс β-распада может происходить при относительном
избытке нейтронов (β–) или протонов (β+). Один из избыточных нейтронов
превращается в протон, а последующая избыточная энергия высвобождается и
делится между испущенным электроном и антинейтрино. Многие радионуклиды
проявляют β-распад, и во всех случаях испускаемая частица имеет спектр
возможных энергий, а не испускается с фиксированной, дискретной энергией.
Как правило, средняя энергия β- распада составляет около одной трети от
максимальной энергии. Большинство β-излучающих радионуклидов также
испускают γ-фотоны в результате первичного β-распада, оставляя дочернее ядро
в возбужденном, метастабильном состоянии. Поскольку β-частицы
48
https://t.me/med1917
представляют собой электроны, после выброса из атома-хозяина они ведут себя
точно так же, как и электроны, образовавшиеся после прохождения γ-лучей,
отдавая свою энергию (обычно порядка нескольких сотен килоэлектронвольт)
другим атомам и молекулам в результате серии столкновений.
Для радионуклидов, которые испускают как β-частицы, так и γ- фотоны,
обычно именно корпускулярное излучение доставляет наибольшую фракцию
дозы облучения в орган, подвергшийся воздействию. Например, около 90 %
дозы, доставленной
131
I в щитовидную железу, приходится на β-компонент. С
другой стороны, γ-излучение вносит более существенный вклад в общую дозу
облучения всего организма.
2.3.1.3. Альфа-частицы
Альфа-излучение испускается при распаде тяжелых, нестабильных
нуклидов. Альфа-частицы состоят из ядра гелия (два протона в сочетании с
двумя нейтронами), испускаемого в процессе ядерного распада. Α-частицы
обладают примерно в 7000 раз большей массой, чем β-частицы, и вдвое большим
электронным зарядом и отдают свою энергию на очень коротком расстоянии
(<100 мкм). Альфа-частицы обычно обладают энергией в диапазоне
мегаэлектронвольт, и поскольку они теряют эту энергию на таком коротком
расстоянии, биологически очень эффективны, т.е. обладают высокой линейной
передачей энергии (ЛПЭ; см. раздел 2.6.3) и ассоциируются с высокой
относительной биологической эффективностью (ОБЭ; см. раздел 2.6.4).
2.3.1.4. Оже-электроны
Радионуклиды, распадающиеся путем электронного захвата или
внутренней конверсии, оставляют атом в высоковозбужденном состоянии с
вакансией на одной из электронных орбиталей внутренней оболочки. Эта
вакансия быстро заполняется либо переходом в спектре флуоресценции
(характеристическое рентгеновское излучение), либо неизлучающим (оже)
переходом, при котором энергия, полученная при переходе электрона на более
глубокую орбиталь, используется для испускания другого электрона из того же
атома. Оже-электроны — это частицы с очень коротким пробегом и низкой
энергией, которые часто испускаются каскадами, что является следствием
наличия вакансии во внутренней оболочке атома, которая проходит через атом
до самой внешней орбитали, испуская дополнительные электроны на каждом
этапе. Этот кластер электронов очень малой энергии может создавать плотность
ионизации, сравнимую с плотностью ионизации, создаваемой треком α-частиц.
Таким образом, радионуклиды, распадающиеся путем электронного захвата
и/или внутренней конверсии, могут проявлять свойства как при высокой ЛПЭ
вблизи (в пределах 2 нм) от места распада.
49
Прямое
действие
Косвенное
действие
2 нм
4 нм
https://t.me/med1917
2.4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО МОДИФИКАТОРЫ
Радиационно-индуцированное повреждение биологических мишеней может
быть результатом прямого или косвенного действия излучения (рис. 2.1):
— прямое действие сопровождается ионизацией или возбуждением (через
кулоновские взаимодействия) атомов в биологической мишени. Это приводит к
цепочке явлений, которые в конечном итоге приводят к наблюдаемому
(макроскопическому) повреждению. В нормально насыщенных кислородом
клетках млекопитающих прямое действие составляет около одной трети
повреждений для излучений с низкой ЛПЭ, таких как электроны и фотоны;
— косвенное действие заключается в радиационном воздействии на атомы
или молекулы, которые не являются составными частями биологической
мишени. Поскольку клетки существуют в богатой водной среде, большинство
косвенных действий связано с ионизацией или возбуждением молекул воды.
Образующиеся при этом свободные радикалы могут мигрировать и повреждать
соседние биологические мишени. Косвенное действие является основной
причиной радиационного повреждения, и в нормоксических клетках на него
приходится около двух третей повреждений.
Косвенное действие преобладает при излучениях с низкой ЛПЭ, например,
при рентгеновском и γ-излучении, в то время как прямое действие преобладает
при излучениях с высокой ЛПЭ, например, в случае α-частиц и нейтронов.
Рис.2.1. Иллюстрация разницы между прямым и непрямым повреждением клеточной ДНК
2.4.1. Роль кислорода
На радиационные эффекты может влиять несколько факторов, особенно
присутствие или отсутствие кислорода. Свободные радикалы (обозначаются
точкой справа от атомного символа), образующиеся в результате прямого или
50
https://t.me/med1917
косвенного действия, очень химически активны и стремятся взаимодействовать
с другими молекулами, которые могут делиться или отдавать электроны.
Молекулярный кислород (O2) имеет два неспаренных электрона и легко вступает
в реакцию со свободными радикалами, что повышает вероятность повреждения
ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) в результате косвенного действия.
Важными реакциями, посредством которых кислород может усиливать
биологическое повреждение, являются:
где R – представляет собой органическую молекулу.
Коэффициент кислородного усиления (ККУ) определяется как отношение
дозы в условиях гипоксии (полного отсутствия кислорода) к дозе в воздухе,
необходимой для достижения эквивалентного биологического эффекта. Для
излучения с низкой ЛПЭ, такого как γ-излучение, ККУ имеет значение ~3. Для
излучения с высокой ЛПЭ, такого как α-частицы, ККУ уменьшается почти до 1,0.
2.4.2. Эффект «свидетеля»
Эффект «свидетеля» возникает, когда клетка, через которую не прошла
заряженная частица, поражается в результате радиационных взаимодействий,
происходящих в соседних клетках. Открытие эффекта «свидетеля» ставит под
сомнение традиционную точку зрения, согласно которой все радиационные
повреждения возникают в результате прямого взаимодействия заряженных частиц
с критическими клеточными мишенями. По этой причине он до сих пор остается
спорным в радиобиологии. Возможное объяснение заключается в том, что
облученные клетки могут посылать радиационный сигнал близлежащим клеткам,
что может вызвать ответную реакцию, например, запуск апоптоза, в этих клетках.
В настоящее время трудно оценить общую значимость эффекта «свидетеля».
Вероятно, он наиболее значим при рассмотрении вопросов радиационной защиты,
связанных с малыми дозами, поскольку усиливает общий радиационный эффект
в случаях, когда не все клетки ткани подвергаются поперечному воздействию
частиц, т.е. общий радиационный риск для ткани выше, чем можно было бы
ожидать на основе рассмотрения общей реакции, проявляемой теми клетками,
через которые непосредственно прошли заряженные частицы.
2.5. ПОВРЕЖДЕНИЕ И РЕПАРАЦИЯ ДНК
2.5.1. Повреждение ДНК
Повреждение ДНК является основной причиной гибели клеток, вызванной
облучением. Радиационное воздействие приводит к широкому спектру
повреждений ДНК, таких как однонитевые разрывы (ОР), двунитевые разрывы
51
https://t.me/med1917
(ДР), повреждения оснований, ДНК-белковые сшивки и белок-белковые сшивки
(см. рисунок 2.1). Количество повреждений ДНК, образующихся при облучении,
велико, однако существует целый ряд механизмов репарации ДНК. В результате
процент повреждений, вызывающих гибель клеток, очень мал. Число
повреждений, индуцированных в ДНК клетки дозой 1–2 Гр, приблизительно
таково: повреждения оснований: >1000; ОР: ~1000; ДР: ~40. ДР играют
критическую роль в гибели клеток, канцерогенезе и наследственных эффектах.
Существуют экспериментальные данные, показывающие, что первоначально
образовавшиеся ДР коррелируют с радиочувствительностью и выживаемостью
при более низких дозах облучения, и что не восстановленные или неправильно
восстановленные ДР также коррелируют с выживаемостью после более высоких
доз. Кроме того, существуют экспериментальные доказательства причинноследственной связи между генерацией ДР и индукцией хромосомных
транслокаций с канцерогенным потенциалом.
2.5.2. Репарация ДНК
Механизмы репарации ДНК важны для восстановления клеток после
воздействия излучения и других повреждающих агентов. Существует множество
ферментативных механизмов для обнаружения и репарации радиационноиндуцированных повреждений ДНК. Механизмы репарации ДНК, такие как
эксцизионная репарация оснований, репарация ошибочно спаренных
нуклеотидов и эксцизионная репарация нуклеотидов, реагируют на такие
повреждения, как окисление оснований, алкилирование и интеркаляция нитей.
Эксцизионная репарация состоит в расщеплении поврежденной нити ДНК
ферментами, которые расщепляют полинуклеотидную цепь по обе стороны от
повреждения, и ферментами, расщепляющими конец полинуклеотидной цепи,
позволяя удалить короткий сегмент, содержащий поврежденную область. Затем
ДНК-полимераза может заполнить образовавшийся разрыв, используя в качестве
шаблона противоположную неповрежденную нить. Для ДР существует два
основных пути репарации: негомологичное соединение концов (НСК) и
гомологическая рекомбинация. НСК-репарация действует на фрагменты ДНК с
«тупыми» (дефосфорилированными) концами. Этот процесс включает в себя
распознавание ремонтными белками концов повреждений, очистку разорванных
концов молекулы ДНК и окончательное связывание разорванных концов.
Восстановление ДР путем гомологической рекомбинации использует гомологию
последовательностей с неповрежденной копией поврежденного участка и,
следовательно, может работать только в поздних S/G2-фазах клеточного цикла.
Неповрежденная ДНК из обеих нитей используется в качестве шаблона для
восстановления повреждения. В отличие от НСК, процесс репарации при
гомологической рекомбинации не содержит ошибок. Репарация с помощью НСК
происходит на протяжении всего клеточного цикла, но доминирует в G1/S-фазах.
Этот процесс сопряжен с ошибками, поскольку он не опирается на гомологию
последовательностей. Невосстановленные или неправильно восстановленные
повреждения ДНК приводят к мутациям и/или повреждению хромосом в клетке,
52
https://t.me/med1917
подвергшейся воздействию. Мутации могут привести к онкологии или
наследственным эффектам (при воздействии на половые клетки), в то время как
серьезные повреждения хромосом часто приводит к гибели клеток.
2.6. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НА КЛЕТКИ
2.6.1. Понятие гибели клеток
Дозы облучения порядка нескольких грэй могут привести к гибели клеток.
Обычно считается, что клетки были «уничтожены» при облучении, если они
утратили репродуктивную целостность, даже если физически они уцелели.
Потеря репродуктивной целостности может произойти в результате апоптоза,
некроза, митотической катастрофы или индуцированного старения. Хотя все эти
механизмы, кроме последнего, в конечном счете приводят к физической гибели
клетки, для этого может потребоваться значительное время.
Апоптоз, или запрограммированная клеточная гибель, может происходить
как естественным путем, так и в результате повреждения клеточной среды.
Апоптоз происходит в определенных типах клеток после облучения малыми
дозами, например, в лимфоцитах, клетках серозных слюнных желез и некоторых
клетках в зоне стволовых клеток в семенниках и кишечных криптах.
Некроз — это форма клеточной гибели, связанная с потерей активности
клеточной мембраны. Клеточный некроз обычно возникает после воздействия
высоких доз облучения.
Гибель репродуктивных клеток является результатом митотической
катастрофы (клетки пытаются делиться при отсутствии надлежащей репарации
повреждений ДНК), которая может произойти в первые несколько клеточных
делений после облучения, и происходит с возрастающей частотой после
увеличения дозы.
Ионизирующее излучение также может привести к сенесценции.
Сенесцентные клетки метаболически активны, но утратили способность к
делению.
2.6.2. Кривые выживаемости клеток
Количественное понимание многих аспектов биологической реакции на
облучение может быть достигнуто путем рассмотрения поведения основных
характеристик выживаемости клеток (эффекта дозы). Хотя практическое
определение кривых выживаемости клеток потенциально сопряжено с
экспериментальными и интерпретационными трудностями и лучше всего
выполняется лицами, которые являются экспертами в таких процедурах,
понимание структуры и значения таких кривых, даже в чисто схематическом
контексте, может быть очень полезным для понимания роли, которую играют
различные факторы, влияющие на реакцию на облучение.
На рисунке 2.2 показана типичная форма кривой выживаемости клеток для
тканей млекопитающих. Физическая доза облучения откладывается по линейной
53
Фракция выживших клеток
Доза (Гр)
https://t.me/med1917
горизонтальной оси, а фракция выживших клеток — по логарифмической
вертикальной оси. Каждая из отдельных точек на графике представляет собой
фракцию выживших клеток в результате доставки единичных доз острого
облучения заданного излучения, которое в данном случае принимается за γизлучение. (В контексте данной темы под дозой острого облучения может
пониматься доза, которая доставляется с высокой мощностью дозы, т. е. доставка
излучения происходит практически мгновенно). Построенные кривые
выживаемости клеток млекопитающих имеют две основные характеристики:
конечный начальный наклон (при нулевой дозе) и постепенно увеличивающийся
наклон по мере возрастания дозы.
Рис. 2.2. Кривая выживаемости клеток при облучении показывает зависимость доли клеток,
сохранивших способность к колониеобразованию (доля выживших клеток), от поглощенной
дозы облучения
2.6.3. Характеристики осаждения дозы: линейная передача энергии
Как отмечалось выше, передача энергии в поглощающую среду (будь то
живой или неживой материал) происходит через вторичные электроны,
созданные при прохождении первичной ионизирующей частицы или луча. ЛПЭ
является мерой линейной скорости, с которой излучение поглощается в
поглощающей среде вторичными частицами, и определяется Международной
комиссией по радиационным единицам и измерениям (МКРЕ) как коэффициент
dE/dl, где dE — средняя энергия, локально переданная среде заряженной
частицей определенной энергии при прохождении расстояния dl. Единицей,
обычно используемой для измерения ЛПЭ, является килоэлектронвольт на
микрометр, а некоторые характерные значения приведены в таблице 2.2.
54
Вид излучения
Линейная передача энергии (кэВ/мкм)
60
Co, γ-излучение
0,2
250 кВп, рентгеновское излучение
2,0
10 МэВ, протоны
4,7
2,5 МэВ, α-частицы
166
1 МэВ, электроны
0,25
10 кэВ, электроны
2,3
1 кэВ, электроны
12,3
https://t.me/med1917
ТАБЛИЦА 2.2. ЛИНЕЙНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ РАЗЛИЧНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
В частности, для радиобиологических исследований понятие ЛПЭ
является проблематичным, поскольку оно относится к средней линейной
скорости осаждения энергии, но на микроскопическом уровне (т. е. при
размерах, сопоставимых с критическими клеточными мишенями) энергия,
осаждаемая на единицу длины на разных участках одного трека, может резко
отличаться. В частности, поскольку заряженные частицы теряют энергию при
прохождении через среду в результате столкновений и ионизационных
процессов, ЛПЭ резко возрастает, достигая своего максимального значения к
самому концу их пробега. Изменение значения ЛПЭ по длине трека является
одной из причин того, что средние значения ЛПЭ плохо коррелируют с
наблюдаемыми (т. е. макроскопическими) биологическими эффектами. По этим
причинам непосредственно измеренная ОБЭ имеет гораздо большее значение в
качестве показателя различной биологической эффективности разных видов
излучения.
2.6.4. Определение относительной биологической эффективности
Для данной биологической конечной точки, ОБЭ излучения с высокой
ЛПЭ определяется как отношение изоэффективных доз для эталонного (с низкой
ЛПЭ) излучения и излучения с высокой ЛПЭ (рис. 2.3). В качестве эталонного
излучения обычно используется γ-излучении
60
Co или высокоэнергетическое
рентгеновское излучение (250 кВп).
55
Доза облучения (Гр)
Низкая ЛПЭ
Высокая ЛПЭ
https://t.me/med1917
Рис. 2.3. Относительная биологическая эффективность излучения определяется как
отношение дозы, необходимой для того, чтобы вызвать такое же снижение выживаемости
клеток, как и при эталонном излучении с низкой линейной передачей энергии (ЛПЭ)
Если соответствующие изоэффективные дозы с низкой и высокой ЛПЭ
равны d
и dH, то:
L
Если основные кривые выживаемости клеток описываются в терминах
линейно-квадратичной (ЛК) модели, то фракция выживших клеток S как
функция доз острого облучения при низкой и высокой ЛПЭ соответственно
задается как:
где индексы L и H – снова соответственно обозначают низкую и высокую ЛПЭ.
На рисунке 2.4 показан пример того, как ОБЭ, определенная в любой
конкретной конечной точке (фракция выживших клеток), варьируется с
изменением дозы для заданной величины фракции облучения при излучении
с низкой ЛПЭ. Максимальная ОБЭ (ОБЭ
) возникает при нулевой дозе и, с
макс
точки зрения микродозиметрической теории, соответствует соотношению
между соответствующими линейными константами радиочувствительности
высокой и низкой ЛПЭ, αH и αL, т. е.:
56
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана