Биофизика 02

застосовується в радіотерапії пухлин, так як забезпечує захист тільки здорових клітин, але не пухлинних. Багато радіопротекторів підсилюють репараційні процеси в клітині, або подовжують такий стан клітини, в якому її репараційні системи найбільш активні й ефективні.

Дія радіосенсибілізаторів заснована на їхній здатності підсилювати активність малоактивних вільних радикалів, інгібірувати ферменти, зокрема ті, що володіють репараційними властивостями, інактивірувати нативні радіопротектори або конкурувати з тими з них, які здатні перехопити вільний радикал, а також на ряді інших механізмів.

У медичній практиці широко використовуються сенсибілізатори, що вибірково збільшують чутливість до опромінення тільки пухлинних клітин, наприклад, бутионінсульфоксимін, діетилмалеат (знижують вміст сульфгідрильних сполук), мізонидазол або 1F(2FнітроF1Fімідазоліл)F3FметоксиF2Fпропано (знижує активність репараційних систем).

Ефективність модифікаторів (радіопротекторів або радіосенсибілізаторів) оцінюють по фактору зміни дози К:

де D — доза випромінювання, що обумовлює деякий прояв певного біологічного ефекту, Dm — доза, що викликає такий же прояв біоефекту, але в присутності модифікатора. Для радіопротекторів К <1, для радіосенсибілізаторів К >1. К залежить від самої дози, стану клітини і ряду інших факторів.

§ 52. Іонізуюче випромінювання в медицині

Рентгенівське і γFвипромінювання широко застосовуються в медичній діагностиці для інтероскопії1 організму. Найбільш відо-

мим із інтероскопічних методів є рентгенодіагностика, що підрозділяється на рентгеноскопію (зображення розглядається на люмінесціючому екрані) і рентгенографію (зображення фіксується на фотоплівці). Для одержання більш яскравого зображення потрібно посилення інтенсивності рентгенівського опромінення, що негативно виявляється на здоров’ї пацієнта. Тому в рентгенології застосовується цілий ряд технічних засобів для поліпшення якості зображення при малих інтенсивностях опромінення.

Для того, щоб досліджуваний орган або група органів були чітко видні на рентгенограмі, необхідно, щоб його коефіцієнт поглинання

181

рентгенівських променів відрізнявся від коефіцієнтів поглинання інших тканин. Для діагностичних цілей звичайно застосовують випромінювання λ = (1–2)·10–11 м, для якого масовий коефіцієнт ослаблення визначається за формулою

де k — коефіцієнт пропорційності; Z — заряд ядра речовиниFвбирача. Останнім часом отримав широкого поширення метод комп’ютерної томографії, який дозволяє за допомогою просвічування тонкими рентгенівськими променями одержувати зображення не цілого об’єму тканини, а тільки її тонких шарів товщиною 3–5 мм. Цей метод володіє значно більш високою чутливістю в порівнянні з традиційними рентгенодіагностичними методами, тому що дозволяє визначити різницю

в поглинанні випромінювання тканиною до 0,1%.

Зображення внутрішніх органів можна одержувати також, використовуючи радіонуклідний метод діагностики. Відомо, що деякі хімічні елементи і сполуки мають спроможність вибірково накопичуватися в якомусь органі або тканині. Якщо в цю сполуку (радіофармпрепарат) додати радіоактивний ізотоп і ввести пацієнту, то, дочекавшись розподілу препарату в організмі, можна за допомогою спеціальних приладів (наприклад, сцинтиграфів) визначити випромінювання ізотопу в різних ділянках тіла. Природно, що в областях, де концентрація препарату більша, випромінювання буде сильнішим.

Для дослідження, наприклад, щитовидної залози пацієнту вводять радіоактивні ізотопи 123I, печінки — фарбу бенгалFроз, позначену 131I, кісткової тканини — фосфатний комплекс, мічений 99Тс.

Даний метод дозволяє визначити розміри й обриси органа, а за неоднорідностями розподілу введених радіофармпрепаратів судити про деякі захворювання, наприклад, цироз печінки, гепатит, остеопороз, онкозахворювання, визначати наявність і розташування метастаз.

При розробленні нових радіофармпрепаратів необхідно прагнути до того, щоб ізотоп володів як можна меншим періодом піврозпаду, щоб уникнути зайвого опромінення організму.

Радіоізотопи використовуються також для визначення незначних концентрацій у крові деяких речовин, наприклад, гормонів, коли звичайні хімічні методи виявляються неефективними. Суть даного методу, який називається радіоімунологічним, у наступному.

За допомогою спеціальних методів імунології для визначуваної речовини (антигену) одержують антитіла, здатні зв’язуватися саме з ним.

1 Інтероскопія (від лат. interior – усередині і гр. skopeo – дивитися) – сукупність методів, що дозволяють досліджувати внутрішню структуру біологічних об’єктів, не порушуючи їхньої цілісності.

182

Далі в пробірці змішують антитіла, антигени, позначені якимFнебудь радіоактивним ізотопом і кров пацієнта, що припусково містить ці антигени (немічені). Антитіла й антигени, зв’язуючись одні з одними, утворюють комплекси, які відокремлюють центрифугуванням. Чим вища була концентрація антигену в крові, тим більше антитіл зв’яжеться

зантигенами пацієнта і менше — із міченими антигенами. Якщо ж антиген у крові цілком був відсутнім, то утворяться комплекси тільки

зміченими антигенами. По радіоактивності осаду при відомому об’ємі крові, взятої для аналізу, визначають концентрацію антигену в крові.

Радіоімунологічний метод дозволяє діагностувати на ранніх стадіях цілий ряд захворювань, стежити за нормальним протіканням вагітності і розвитком плоду, робить неоціненну допомогу в наукових досліджен-

нях.

РентгеноF і γFтерапію широко використовують для лікування онкологічних захворювань. В основі методу лежить той факт, що найбільшою чутливістю до опромінення володіють ті клітини, що активно діляться. Тому дія іонізуючого випромінювання викликає переважну загибель саме ракових клітин.

Приклади розв’язання задач

Задача 9.1. Для рентгенологічного дослідження шлунка пацієнт прийняв розчин сульфату барію (ВаSO4). У скільки разів поглинання рентгенівського випромінювання шлунком вище, ніж навколишніми м’якими тканинами (Н2О)? Вважати, що поглинання рентгенівського випромінювання даним атомом не залежить від того, в якій сполуці цей атом знаходиться.

Розв’язання. Відповідно до (9.4), відношення коефіцієнтів поглинання сульфату барію і води складає:

≈ 354,

де n — число атомів даного елемента в сполуці; Z — заряд ядра даного атома.

Тобто шлунок поглинає в 354 рази більше, ніж навколишні м’які тканини.

Питання тестового контролю

9.1. Енергія мікрохвильового випромінювання достатня для: а) збудження атомів, але не їхньої іонізації; б) збудження й іонізації атомів; в) переважно іонізації атомів;

183

г) не викликає ні того, ні іншого.

9.2. Деформаційною поляризацією називається явище, при якому: а) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушуються

по напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний бік; б) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність електрич-

ного поля, в електричному полі вишиковуються по напрямку поля; в) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушують-

ся проти напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний бік;

г) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність електричного поля, в електричному полі вишиковуються перпендикулярно напрямку поля.

9.3. Орієнтаційною поляризацією називається явище, при якому: а) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушуються

по напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний бік; б) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність електрич-

ного поля, в електричному полі вишиковуються по напрямку поля; в) позитивно заряджені ядра атомів в електричному полі зрушують-

ся проти напрямку силових ліній поля, а електрони — у протилежний бік;

г) молекули, що мають дипольний момент і у відсутність електричного поля, в електричному полі вишиковуються перпендикулярно напрямку поля.

9.4.Глибиною проникнення електромагнітного випромінювання в тканині називається відстань, на якій:

а) потужність падаючої енергії збільшується в е раз; б) довжина хвилі випромінювання збільшується в е раз; в) потужність падаючої енергії зменшується в е раз;

г) довжина хвилі випромінювання зменшується в е раз; д) довжина хвилі випромінювання зменшується в 10 раз.

9.5.Для збудження атомів необхідно, щоб:

а) енергія випромінювання була набагато менша різниці енергій між двома електронними рівнями;

б) енергія випромінювання приблизно дорівнювала різниці енергій між двома електронними рівнями;

в) енергія випромінювання набагато перевищувала різницю енергій між двома електронними рівнями;

г) потужність випромінювання перевищувала 1 Вт/м2; д) потужність випромінювання була менша, ніж 1 Вт/м2.

9.6. Довжина хвилі, на яку приходиться максимум поглинання даної речовини, залежить від кількості сполучених подвійних зв’язків N у молекулі в такий спосіб:

184

а)

б)

в)

г)

д)

9.7.Енергія випромінювання оптичного діапазону (крім далекого ультрафіолету), як правило, достатня для:

а) збудження атомів, але не їхньої іонізації; б) збудження й іонізації атомів; в) переважно іонізації атомів; г) не викликає ні того, ні іншого.

9.8.Глибина проникнення ультрафіолетового випромінювання складає порядку:

а) 1 мкм; б) 0,1 мм; в) 1 мм; г) 1 см; д) 1 м.

9.9.Основний внесок у фотопошкодження білків вносять:

а) заряджені амінокислоти; б) полярні амінокислоти; в) гідрофільні амінокислоти; г) аліфатичні амінокислоти;

д) ароматичні амінокислоти.

9.10.Максимум поглинання ДНК приходиться на довжину хвилі: а) 260 нм; б) 350 нм; в) 400 нм; г) 1000 нм; д) 1 см.

9.11.Іонізуюче випромінювання включає:

а) випромінювання радіодіапазону й інфрачервоне випромінювання;

б) далеку область ультрафіолетового випромінювання, рентгенівське

185

і γFвипромінювання;

в) випромінювання радіодіапазону й ультрафіолетове випромінювання;

г) рентгенівське і γFвипромінювання;

д) інфрачервоне, видиме й ультрафіолетове випромінювання.

9.12.Іонізуюче випромінювання викликає: а) збудження атомів, але не їхню іонізацію; б) збудження й іонізацію атомів; в) переважно іонізацію атомів; г) не викликає ні того, ні іншого.

9.13.Радіопротектори:

а) зменшують нагрівання тканини при опроміненні хвилями радіочастотного діапазону;

б) збільшують нагрівання тканини при опроміненні хвилями радіочастотного діапазону;

в) збільшують радіобіологічний ефект при опроміненні іонізуючим випромінюванням;

г) послабляють радіобіологічний ефект при опроміненні іонізуючим випромінюванням;

д) сприяють збільшенню контрастності рентгенівських знімків. 9.14. Масовий коефіцієнт ослаблення випромінювання хвиль дов-

жиною λ = (1–2)·10–11 м пропорційний: а) λ2Z2;

б) в) λ3Z3; г)

д)

186

Розділ 10. ВЛАСНІ ФІЗИЧНІ ПОЛЯ ЛЮДИНИ

Процеси, що відбуваються в живому організмі, створюють фізичні поля: електромагнітні й акустичні. Джерелом електромагнітного випромінювання є електрична активність органів, тертя одягу об тіло, акустичних — биття серця, течія крові по судинах, випромінювання з вуха людини (так зване кохлеарне випромінювання), тепловий рух атомів і молекул (що створює акустичне випромінювання мегагерцевого діапазону) та ін. Діапазон довжин хвиль електромагнітного випромінювання тіла людини складає від 60 см (радіодіапазон) до 0,5 мкм (оптичний діапазон), діапазон акустичного випромінювання — від 0,01 Гц (інфразвук) до 10 МГц (ультразвук).

Ці поля, а також їхня зміна в часі, дозволяють одержати інформацію про фізіологічні процеси в організмі. У медичній практиці широко використовуються з діагностичною метою електрокардіографія й електроенцефалографія (методи виміру електричної активності серця і мозку), теплобачення (одержання температурних карт ділянок тіла) і багато інших методів.

§53. Електричні і магнітні поля людини. Фізичні основи електрокардіографії

Кожна клітина організму має електричний потенціал. Потенціал деяких із них (наприклад, нервових і м’язових) змінюється в часі, у зв’язку з чим змінюється і потенціал цілих органів і тканин. Залежність електричного потенціалу якогось органа або тканини від часу називається електрограмою, а діагностичний метод дослідження — електрографією. Електрографічний метод застосовують для клінічної діагностики захворювань цілого ряду органів — серця (електрокардіографія), м’язів (електроміографія), головного мозку (електроенцефалографія), сітківки ока (електроретинографія) та ін.

Для виміру різниці потенціалів між якимись двома точками органа можна безпосередньо прикласти до них електроди. Однак такий прямий метод електрографії на практиці майже не використовується. Різниця потенціалів вимірюється на поверхні тіла, а вся сукупність клітин досліджуваного органа (через неможливість математичного опису зміни в просторі і часі електричного потенціалу кожного окремого волокна) представляється у вигляді моделі еквівалентного генератора, який створює такий же електричний потенціал на поверхні тіла, як і даний орган.

188

Тут ми припускаємо, що при r→∞ ϕ→0, а також те, що диполь знаходиться в однорідному нескінченному про- відному середовищі з питомим електричним

опором ρ. Тоді

По теоремі косинусів:

де l — відстань між полюсами диполю. Тоді

(10.3)

де

Якщо r >l, то –1 <x <1. Тоді функцію можна розкласти в біномний ряд:

Таким чином, різниця потенціалів між деякими точками тим більша, чим більший питомий опір середовища ρ, відстань між цими точками

190