Блок информации к занятию 12 по зчс. Тема:« Биологическое действие ионизирующего излучения»

Под биологическим действием ионизирующих излучений понимают связанную с облучением совокупность морфологических и функциональных изменений в живом организме.

Ионизирующие излучения обладают высокой биологической активностью. Они способны вызывать ионизацию любых химических соединений биосубстратов, образование активных радикалов и этим индуцировать длительно протекающие реакции в живых тканях. Воздействуя на живой организм, ионизирующее излучение вызывает в нем цепочку обратимых и необратимых изменений в клетках, тканях, органах и организме в целом. Результатом биологического действия радиации является нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях организма, вплоть до его гибели.

Влияние радиации на вещество – это серия актов взаимодействия фотонов или частиц высокой энергии с атомами (молекулами) вещества. Особенности биологического действия радиации, во-первых, в том, что у человека отсутствуют специальные анализаторы для восприятия излучения, и, во-вторых, оно в основном связано с формой передачи энергии клеткам. Например, при гамма–облучении дозой в 1000 Р, смертельной для человека, ткани поглощают ничтожно малую энергию – около 8, 4 кДж /г. Для сравнения можно сказать, что такое же количество энергии расходуется при повышении температуры тела на 0,001⁰ С.

Воздействие ионизирующих излучений на биологические объекты подразделяют на следующие этапы:

1. Физический этап. Первичным пусковым моментом, инициирующим многообразные процессы, происходящие в организме, является ионизация и возбуждения атомов и молекул. Физический этап заключается в передаче энергии фотона или частицы одному из электронов атома. Для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата необходимо поглощение энергии в 10-12 эВ. Ионам и возбужденным атомам свойственна повышенная химическая реактивность, они способны вступать в такие реакции, которые невозможны для обычных атомов. Длительность этапа 10^-12 - 10^-8 с.

2. Физико-химический этап взаимодействия измерения с веществом протекает в зависимости от состава и строения облучаемого вещества. Принципиальное значение имеет наличие в облучаемой ткани воды и кислорода. В основе первичных радиационно-химических изменений молекул лежат 2 механизма, обозначаемые как прямое и косвенное действие радиации.

Под прямым действием радиации понимают передачу энергии излучения непосредственно молекуле, которая испытывает превращения. Ионизирующие излучения (точнее – электроны, образовавшиеся в момент облучения) взаимодействуют непосредственно с биомолекулами, в результате чего происходит перенос части кинетической энергии на биомолекулы. Это приводит их в ионизованное или возбужденное состояние. При ионизации и возбуждении сложных молекул происходит их диссоциация (распад) в результате разрыва и химических связей. Прямое воздействие радиации может вызвать расщепление молекулы белка, разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов и другие денатурирующие явления. В первую очередь разрушаются ферменты и гормоны.

Под косвенным действием понимают изменение молекул клеток и тканей, обусловленные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды и растворенных в ней веществ, а не энергией излучения, поглощенной самими молекулами. В организме косвенное действие осуществляется через продукты радиолиза) воды, которая в живой клетке составляет 60-70 и даже 90% её массы. Именно в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, являющимися основными компонентами клетки, которым легко может быть передана энергия, первоначально поглощённая водой.

При взаимодействии ионизирующих излучений (гамма–квантов, заряженных частиц) с атомами происходит ионизация и возбуждение атомов. При этом на один акт ионизации приходится 10-100 возбуждённых атомов, которые в процессе рекомбинации излучают избыток энергии в виде характеристического рентгеновского излучения. При радиолизе воды под действием излучения из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженный ион воды: γ→Н₂О →е^- + Н₂О⁺ «Вырванный» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды: е^- + Н₂О → Н₂О^-. Ионы воды, которые при этом образовались, в свою очередь распадаются (диссоциируют), с образованием свободных радикалов водорода и гидроксида (Н^• ОН^•): Н₂О⁺ → Н⁺ + ОН^•; Н₂О^-→ Н^• + ОН^-. Обладая большой химической активностью, свободные радикалы взаимодействуют друг с другом: Н^• + ОН^• → Н₂О (происходит рекомбинация, восстановление воды); При наличии в среде растворенного кислорода возможна реакция образования гидропероксидного радикала НО₂^•_. (Н^• + О₂ → НО^·₂) – эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эффекте ионизирующего излучения.

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой токсичностью, но они быстро разлагаются в организме ферментом каталазой на воду и кислород.

НО₂^•_.+ НО₂^•_.→ Н₂ О₂ + 2О (атомарный кислород)

НО₂^•_.+ Н^•_.→ Н₂ О₂ (пероксид водорода)

НО₂^•_.+ НО₂^•_.→ Н₂ О₄ (высший пероксид)

Гидроксильные радикалы (ОН^•) и радикалы водорода (Н^•) образуются также и в том случае, когда под действием излучений происходит возбуждение молекул γ→Н₂О^• → Н₂О⁺.Избыточная энергия этой молекулы расходуется на её расщепление с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила Н₂О^• → Н⁺ + ОН^•.

Пероксидные вещества обладают сильными окислительными и токсическими свойствами. Вступая в соединения с органическими веществами и прежде всего с молекулами, получившими высокую химическую активность в результате ионизации или возбуждения, они вызывают значительные химические изменения в клетках и тканях (деполимеризации нуклеиновых кислот, нарушение проницаемости клеточных мембран, повышение проницаемости стенок кровеносных сосудов, сопровождающиеся кровотечениями и кровоизлияниями).

Свободные радикалы ОН^• и Н^• вступают также в реакции с органическими молекулами: RН + ОН⁺ → R^• + Н₂О; RН + Н^{• +} → R^• + Н_2,, что приводит к образованию новых радикалов (R^•), которые могут вступать в реакцию с биологическими молекулами и приводить впоследствии к радиобиологическому поражению клеточных структур. Образовавшийся радикал может взаимодействовать с кислородом: R^• + О₂ → RО₂^•, что приводит к образованию органического пероксидного радикала RО₂^•, который образует цепную химическую реакцию:

RО₂^• + RН → RООН + Р^•; R^• + О₂ → RО₂^• и т.д.

В результате молекулы в клетке RН заменяются молекулами RО₂^• или RООН.

Таким образом, при радиолизе воды образуются ионы, свободные радикалы (Н^•, ОН^•, НО₂^•), окислители (перекись водорода - Н₂ О₂, атомарный кислород и др.). Свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, окисляя и разрушая их, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму – токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с вовлечением многих сотен и тысяч молекул, не затронутых непосредственно излучением. В этом и заключается специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты, которая заключается в том, что вызываемый ими эффект обусловлен не столько количеством поглощаемой энергии в облучаемом объекте, сколько той формой, в которую эта энергия передаётся. Именно ионизация и возбуждение атомов и молекул обуславливают специфику действия ионизирующего излучения.

Второй этап радиационного напряжения длится от 10^-7 с до нескольких часов. Время жизни свободных радикалов (Н^•, ОН^•) не более 10^-5. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворённым субстратом.

3. Этап биомолекулярных повреждений. В результате прямого и косвенного действия излучений происходят изменения белков, липидов и углеводов. Поражаются липиды клеточных мембран, нарушая проницаемость их. Повреждаются микромолекулы ферментов, нарушается синтез РНК, тормозится синтез ДНК, наблюдаются однонитчатые и двунитчатые разрывы, приводящие к хромосомным аберрациям. Имеют место генные мутации, их появление в клетках означает, что клетка содержит генетический материал, отличный от генетического материала, содержащегося в исходных (нормальных) клетках. Повреждаются структурные элементы клетки – ядра, хромосомы, митохондрии, лизосомы, хромосомы, нарушается синтез АТФ (аденозинтрифосфата). Поражение ядра приводит к синтезу изменённых белков (в результате нарушения РНК), которые впоследствии приводят к образованию злокачественных опухолей, вторичных радиотоксинов, вызывающих старение и лучевую болезнь. Повреждение лизосом приводит к цитолизу, высвобождению ферментов, способных вызывать изменения нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов. Нарушение структуры и функций митохондрий снижает уровень энергических процессов клетки. К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование, которое ведёт к нарушению системы генерирования АТФ, что в дальнейшем ведёт к нарушению энергетики клетки и лучевой болезни.

4. Этап ранних биологических и физиологических эффектов. На процесс радиационного поражения влияет ряд факторов: доза и вид облучения, время экспозиции, мощность поглощённой дозы и др. Очень большие дозы вызывают гибель клеток, в результате огромных нарушений всех субклеточных структур и невозможности их восстановления. При маленьких дозах цитолиз не происходит, но снижается репродуктивная способность. Клетка, утратившая способность делиться, не всегда имеет признаки повреждений, она может ещё долго жить и после облучения. Считается, что большинство острых и отдалённых последствий облучения организма – результат репродуктивной гибели клетки.

Различные клетки обладают разной радиочувствительностью. Наибольшей радиочувствительностью обладают делящиеся клетки. Это кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников и яичников, клетки эпителия тонкого кишечника. Сюда же относят и лимфоциты, которые, несмотря на их дифференциацию и неспособность к делению, обладают высокой радиочувствительностью. Средней радиочувствительностью обладают клетки зародышевого слоя кожи и слизистых оболочек, сальных желез, волосяных фолликулов, потовых желез, эпителия хрусталика, сосудов, хрящевые клетки. Третью группу составляют радиорезистентные клетки (обладающие высокой устойчивостью к облучению). Это клетки печени, почек, нервные клетки, мышечные клетки, клетки соединительной ткани, костные клетки. На клеточном уровне репарация (восстановление клетки) длится до нескольких часов. Может наблюдаться остановка деления, приводящая к гибели клеток, трансформация клеток в злокачественные.

Группы клеток образуют ткани, из которых состоят органы и системы органов. Ткань – это не просто сумма клеток, это уже система, имеющая свои функции, не сводимые к функции отдельных клеток. Более подвержены радиации ткани, клетки которых активно делятся. Поэтому быстрее повреждается красный костный мозг, желудочно-кишечный тракт. Хотя нервная ткань принадлежит к достаточно устойчивым структурам, в функциональном отношении ЦНС радиочувствительна, так как самые ранние реакции организма на общее облучение проявляется в расстройстве подвижности и уровновешенности процессов возбуждения и торможения нервной системы. Половые железы очень чувствительны к радиации. Яичники взрослых женщин содержат большое число незаменяемых яйцеклеток, находящихся на разных стадиях развития. В результате репродуктивной гибели яйцеклеток может наступить стойкое бесплодие.

Гибель отдельных органов может наступить в результате развития злокачественных новообразований (опухолей) – рака щитовидной железы, молочной железы, лёгких и т.д.

5. Этап отдалённых биологических эффектов. К ним относятся стойкие нарушения функций отдельных органов и систем, сокращение продолжительности жизни, соматические эффекты (лейкозы, злокачественные новообразования, катаракта и др.), изменение генетической характеристики в результате мутаций. Особенно опасно накопление мутаций в генофонде, в результате чего генофонд будет не в состоянии обеспечить воспроизводство нации.

Воздействие ионизирующего излучения на молекулу ДНК

В организме человека имеются «гигантские молекулы» – это нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Основу жизни на Земле составляет молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Она входит в состав клеток.

Из основ биологии известно, что молекула ДНК - это хранитель генетической информации и она же «руководит» синтезом белка в соматических клетках. Она является составной частью всех живых организмов, входит в состав хромосом, которые имеются в ядре клетки. При облучении молекулы ДНК она возбуждается в целом, но из-за миграции энергии в молекуле происходит разрыв в самом слабом месте, а именно рвутся водородные связи между отдельными участками молекулы, то есть в связях между нуклеотидами.

Механизм миграции энергии заключается в том, что при выбивании электрона происходит миграция дефектного участка по полинуклеотидной цепи до участка с повышенными электрон-донорными свойствами. Такое место - чаще всего участок локализации тимина или цитозина, где и образуются свободные радикалы этих оснований. При косвенном действии излучений именно на этих участках происходит реакция с продуктами радиолиза воды.

Если между нуклеотидами происходят однонитиевые разрывы, то работает механизм репарации (восстановления) под генетическим контролем.

Установлено, что в молекуле одновременно может быть восстановлено до 7 разорванных связей в однонитивых разрывах ДНК. При этом разрушения генов молекулы не наблюдается. Но, если количество однонитиевых разрывов больше 7 или имеются двухнитиевые разрывы, то происходят хромосомные аберрации. Разорванные концы и целые фрагменты в дальнейшем «склеиваются» в новых сочетаниях, а закодированная в генах информация искажается или теряется совсем.

По мере накопления дозы облучения в зависимости от типа облучения растет и количество хромосомных аберраций, в результате аберраций искажаются гены, передача генетической информации, возможна и гибель молекулы ДНК. Находясь в составе хромосом соматической клетки, молекулы ДНК могут вызвать бесконтрольное деление, приводящее к раку. Это происходит в том случае, если возникшее изменение генетической информации закрепилось при самоудвоении ДНК и делении клеток.

Таким образом, молекула ДНК может противостоять радиационному облучению, но ее возможности ограничены.

Воздействие ионизирующего излучения на молекулу белка

Белок - это высокомолекулярное органическое соединение, построенное из 20 аминокислот. Аминокислоты появились на Земле, когда в атмосфере появились метан, аммиак, пары воды. Воздействие ультрафиолетового солнечного излучения привело к образованию формальдегида, затем цианистого водорода. Именно они являются ключом к разгадке появления белков и нуклеиновых кислот, В 1953 г. в Чикаго американский ученый Миллер экспериментально установил, что если подвергать воздействию электрическим зарядом смесь метана, воды и водорода можно получить до 2 % различных аминокислот. Из 20 аминокислот в организме человека синтезируется только 12, остальные 8 в готовом виде поступают в организм вместе с пищей. Белки в организме разнообразны. Свыше 10 миллионов белков выполняют разные функции: структурные, регуляторные (гормоны), каталитические (ферменты), защитные (антитела), транспортные (гемоглобин), энергетические и др.

Постоянное обновление белка лежит в основе обмена веществ, и он играет важную роль в жизнедеятельности организма. До 20 % поглощенной энергии облучения связано с повреждением белка. При облучении молекул белка ионизирующими излучениями молекула возбуждается it целом, но за счет миграции энергии (как в молекуле ДНК) разрыв происходит в наиболее слабых местах, а именно в связях между аминокислотами. В отличие от молекулы ДНК молекула белка системы защиты от радиации не имеет.

Таким образом, в результате прямого действия ионизирующих излучений в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы. При косвенном действии свободные радикалы образуются при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды. Образование свободных радикалов влечет изменения в структуре белка, а именно:

• происходит разрыв водородных, гидрофобных, дисульфидных связей;

• наблюдается модификация аминокислот в цепи;

• происходит образование сшивок и агрегатов;

• нарушается вторичная, третичная и четвертичная структура белка.

Такие нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций. Но большое количество молекул белка и организме, их постоянное обновление позволяет на биологическом уровне противостоять радиации с учетом степени их облучения.

Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру белка. Наиболее подвержена облучению четвертичная структура и менее подвержена первичная структура. Это изъясняется их прочностью. О последствиях облучения белка для здоровья человека можно судить только в том случае, если известен тип белка, вид и продолжительность облучения.

Воздействие ионизирующего излучения на липиды

Липиды - жироподобные вещества и жиры, плохо растворимые в воде. Они входят в состав клеточных перегородок (мембран), а также играют роль запасных питательных веществ в организме, накапливаясь в отдельных участках тела. В связи с плохой проводимостью тепла они выполняют защитную функцию.

При облучении липидов ионизирующими излучениями последствия во многом зависят от того, какие именно липиды облучаются. Если липиды не активно участвуют в процессах обмена веществ, то они мало влияют на здоровье человека (накопленные жиры).

Действие ионизирующих излучений на липиды следующее. Под влиянием облучения происходит образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а последние, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами. Это процесс перекисного окисления липидов. Так как липиды - основа биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой изменение их свойств. А поскольку клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы. Выражено нарушение энергетического обмена, что связано с повреждением митохондрий. Нарушение целостности наружной мембраны клетки приводит к сдвигу ионного баланса клетки из-за выравнивания концентраций натрия и калия (в клетке -повышенное количество калия, в межклеточном пространстве - натрия).

Воздействие ионизирующего излучения на углеводы

Общая формула углеводов может быть представлена в виде C_n(H₂0)_m. Учитывая, что молекула углерода более устойчива к облучению, чем молекула воды, то при облучении возникают радикалы воды. Поскольку углеводы — источник энергии в организме, то при их разрушении такой источник исчезает, что приводит к угнетению многих жизненно важных систем организма.

Воздействие ионизирующих излучений на углеводы следующее. Под действием излучения происходит отрыв атома водорода от кольца углеводной молекулы, образуются свободные радикалы, а затем — перекиси.

И все же, так как в организме человека всего 5 % углеводов, то их разрушение не приводит к такой драматической ситуации, как разрушение других молекул.

Различают радиационные повреждения на различных уровнях биологической организации:

• на молекулярном уровне: повреждаются микромолекулы ферментов, нарушается синтез РНК, тормозится синтез ДНК, возникают однонитчатые и двунитчатые разрывы нитей ДНК, нарушение обмена веществ;

• на субклеточном уровне: повреждаются клеточные мембраны, что приводит к нарушению функционирования клеток; повреждаются все структурные элементы клеток – ядра, хромосомы, лизосомы, митохондрии, нарушается синтез АТФ (что ведёт к нарушению энергетики клетки);

• на клеточном уровне происходит остановка деления и гибель клеток, трансформация клеток злокачественные;

• на тканевом и органном уровне: повреждение красного костного мозга, желудочно-кишечного тракта, центральной нервной системы. В результате нарушения кроветворения (особенно образования лейкоцитов), снижается иммунная защита, падает сопротивляемость организма к различным инфекциям. Возникают анемии различного типа, атрофические и гипопластические состояния ЖКТ, стерильность (полная или частичная). Усиливаются некротические процессы (циррозы печени, нефросклерозы, пневмосклерозы, атеросклероз и т.д.). Возникают различные дисгормональные состояния. Причиной гибели могут быть злокачественные опухоли, дисгормональные опухоли (матки, яичников, предстательной железы, половых органов и т.д.).

• на организменном и популяционном уровнях: сокращение продолжительности жизни или смерти; изменение генетической характеристики в результате мутаций. Сюда же можно отнести и лейкозы. Эта болезнь характеризуется избыточным содержанием в крови неполноценных белых кровяных клеток. Белые клетки, циркулирующие в крови, сами по себе не делятся, образуются они в результате активного деления стволовых клеток костного мозга и лимфатических узлов. Изменение в одной или более стволовых клетках буквально наводняет неполноценными белыми клетками весь организм, что собственно и представляет собой лейкоз (белокровие), или рак крови.

Реакции живых организмов на радиоактивное излучение многообразны и определяются параметрами излучения и особенностями организма. Характеризует отношение организма к ионизирующему излучению радиочувствительность и радиоустойчивость (радиорезистентность).

Радиочувствительность — чувствительность биологических объектов к повреждающему воздействию ионизирующего излучения. Количественная оценка радиочувствительности производится путем измерения поглощенных доз ионизирующего излучения, вызывающих определенный эффект. Во многих исследованиях она основывается на измерении дозы ионизирующего излучения, вызывающей гибель 50% облученных объектов (так называемая 50% летальная доза, или ЛД₅₀).

Радиоустойчивость (радиорезистентность) – это способность организма переносить высокие уровни облучения.

Радиочувствительность тканей, органов и систем организма.

Радиочувствительность различных органов и систем организма разная. Основные проявления лучевого повреждения связаны с поглощённой дозой в критических органах. Критические органы – органы, ткани, части тела, облучение которых причиняет наибольший ущерб здоровью человека, т.е. первыми выходящие из строя. Критические органы разделяют на группы, различающиеся по радиочувствительности. При равномерном облучении всего тела критическими органами являются те органы и ткани, которые наиболее радиочувствительны. По степени уменьшения радиочувствительности органы и системы можно разместить в следующем порядке: кроветворная ткань, кишечный эпителий, гонады, эпителий кожи, мышцы, печень, почки, костная ткань.

Наиболее радиочувствительными в организме будут ткани, имеющие резерв активно делящихся малодифференцированных клеток (кроветворная ткань, гонады, эпителий тонкого кишечника).

Наименее радиочувствительными (наиболее радиоустойчивыми) будут высокоспециализированные малообновляющиеся ткани (мышечная, костная, нервная). Исключение составляют только лимфоциты.

Радиочувствительность органов зависит от составляющих их тканей. По морфологическим изменениям их радиочувствительность располагается (по степени убывания чувствительности) в такой последовательности:

1.органы кроветворения;

2.половые железы;

3.слизистые оболочки, слюнные, потовые и сальные железы, волосяные сосочки, эпидермис;

4.желудочно-кишечный тракт;

5.печень;

6.органы дыхания;

7.железы внутренней секреции (надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, островки поджелудочной железы, паращитовидная железа);

8.органы выделения;

9.мышечная и соединительная ткани;

10. костная и хрящевая ткани;

11.нервная ткань.

Радиочувствительность кроветворной системы.

Клетки крови чувствительны к облучению. Поэтому предупреждение ее заболевания одна из важных проблем радиационной безопасности. Органы кроветворения наиболее радиочувствительны, поражение костного мозга, тимуса, селезенки, лимфатических узлов - одно из важнейших проявлений острой лучевой болезни. Значительные морфологические и функциональные нарушения наблюдаются во всех кроветворных органах, причем изменения в системе крови представляется возможным обнаружить вскоре после действия радиации и даже при относительно небольших дозах облучения.

Обычно процесс клеточного опустошения подразделяют на три стадии:

1. Первая, длящаяся около 3 ч, характеризуется относительным постоянством содержания клеток в кроветворных тканях.

2. Вторая стадия охватывает интервал времени от 3 до 7 ч после облучения, для нее характерно резкое и глубокое опустошение костного мозга и лимфоидных тканей (количество клеток в костномозговой ткани может снижаться более чем наполовину).

3.В третьей стадии скорость клеточного опустошения замедляется и дальнейшее уменьшение количества клеток происходит в костном мозге в результате репродуктивной гибели, а также продолжающейся дифференцировки части клеток и миграции их в кровь. Длительность течения третьей стадии пропорциональна дозе облучения.

При облучении крови ионизирующими лучами количество эритроцитов ежесуточно снижается и за месяц их потеря может достигнуть 25 % от исходного уровня. В результате развивающаяся анемия замедляет процессы репарации, а дефицит кислорода в костном мозге нарушает его способность восстанавливать кроветворение.

Лимфоидная ткань обедняется клеточными элементами раньше, чем ткань костного мозга. Число нейтрофилов при одной и той же дозе облучения снижается медленнее, чем число лимфоцитов. При лучевой патологии наблюдаются морфологические изменения белой крови, гиперсегментирование, фрагментация ядер. Лейкоциты набухают, увеличиваются их размеры и зернистость, накапливаются пигменты, структура ядра разрыхляется и т. д. Вслед за снижением числа нейтрофилов уменьшается число тромбоцитов, что приводит к увеличению времени свертывания крови. Клетки крови и ее плазма обладают сравнительно высокой устойчивостью к действию ионизирующей радиации. Биохимические сдвиги в крови облученных животных отчетливо выражены лишь в разгар лучевого поражения, оставаясь на начальных этапах поражения малозаметными. Кровь теряет постепенно способность снабжать ткани достаточным количеством кислорода, и в результате гипоксии организм погибает.

Т. о. под действием ионизирующих излучений могут возникнуть нарушения кроветворения на различных этапах клеточного обновления. Может быть временное прекращение деления клеток, гибель малодифференцированных клеток, нарушение продолжительности созревания, жизни большинства зрелых функционирующих клеток. Самым серьезным из названных заболеваний является нарушение дифференциации клеток, приводящее к лейкозу. Лейкоз - это заболевание, характеризующееся избыточным образованием неполноценных клеток крови (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов). Эту болезнь называют «раком» крови, или «белокровием».

Радиочувствительность половой системы.

Лучевое поражение семенников сопровождается биохимическими изменениями - снижается содержание нуклеиновых кислот, АТФ, креатина, холестерина, аскорбиновой кислоты, полисахаридов, угнетается сперматогенез. Облучение женских половых желез приводит к нарушениям менструального цикла, изменениям течения беременности, преждевременным родам, мертворождению, патологическому развитию эмбрионов, различным генетическим аномалиям потомства. Отметим, что если семенники обладают значительной восстановительной способностью, то яичники у взрослой самки полностью лишены этой способности. Поэтому у самок в отличие от самцов стерильность обычно необратима.

В яичках мужчин наиболее радиочувствительны постоянно размножающиеся сперматогонии. Сперматозоиды и сперматоциты более радиорезистентны. Опустошение яичек происходит при дозе 0,15 Гр и более. Дозы в 0,15-2 Гр приводят к временной олигоспермии. Дозы выше 2,5 Гр (до 3,5) ведут к временной (до года) стерильности. При дозе 3,5-6 Гр развивается стойкая стерильность с возможным частичным восстановлением сперматогенеза к 2 годам после облучения. Гормональная функция более резистентна. Клетки Лейдига устойчивы при локальном облучении в 50 Гр.

В яичниках женщины детородного возраста содержатся ооциты, образование которых завершается вскоре после рождения. Ооциты высоко радиочувствительны в процессе митотического деления. Однократное облучение обоих яичников в дозе 1-2 Гр вызывает временное бесплодие на 1-3 года. Доза 3,5-6 Гр вызывает стойкую стерильность. На контингенте женщин, подвергшихся лучевой терапии, наблюдали временную аменорею у половины женщин, облученных в дозе 1,5 Гр. В отличие от мужчин у женщин страдает и гормональная функция. Женщины старших возрастов более чувствительны к облучению, так как имеют меньше фолликулов. Однако большее внимание следует уделять женщинам детородного возраста до 40 лет.

Радиочувствительность пищеварительной системы.

Наиболее существенное изменения при лучевых поражениях происходит в желудочно-кишечном тракте, где наблюдается быстрое и глубокое опустошение тканей. Так, клеточное опустошение в кишечнике крипт уже завершается на первые-вторые сутки, а ворсинок — на третьи-четвертые сутки после облучения мышей. Если облучение производится в небольших дозах, то уже на пятые сутки можно наблюдать восстановление клеточного эпителия. Для желудочно-кишечного синдрома характерен следующий комплекс нарушений, определяющих гибель организма: поражение эпителия, деструкция крипт и ворсинок, инфекционные процессы за счет кишечной флоры, закупорка и поражение кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов, изменение активного транспорта, возрастание активности ферментов автолиза, изменение других ферментативных процессов, снижение проницаемости кишечника для питательных веществ. Нарушения в желудочно-кишечном тракте развиваются в соответствии с тяжестью лучевого поражения, являясь в отдельных случаях даже причиной гибели организма при костномозговом синдроме. Среди органов пищеварения наиболее радиочувствительна слизистая тонкого кишечника, далее следуют слизистая полости рта, языка, слюнных желез, пищевода, желудка, прямой и ободочной кишок, паренхима поджелудочной железы и печени.

Краткая характеристика радиочувствительности других органов и систем.

Сердечно-сосудистая система. В сосудах большей радиочувствительностью обладает наружный слой сосудистой стенки, что объясняется высоким содержанием коллагена. Сердце считается радиоустойчивым органом, однако при локальном облучении в дозах 5-10 Гр можно обнаружить изменения миокарда. При дозе 20 Гр отмечается поражение эндокарда.

Органы дыхания. Сложность оценки радиочувствительности органов дыхания состоит в том, что они содержат клеточные структуры, значительно различающиеся по устойчивости к радиации. Так, хрящевая ткань воздухоносных путей и плевра радиоустойчивы; лимфатическая ткань и сосудистая система легких, а также бронхиолярцый эпителий и клетки, выстилающие альвеолы, радиочувствительны. В результате общего облучения организма в органах дыхания возникают изменения, находящиеся в полном соответствии с развитием клинических и анатомических признаков лучевой патологии. При облучении легких может развиться радиационный пульмонит с потерей эпителиальных клеток, воспалением легочных альвеол и дыхательных путей и последующим фиброзом. Органы выделения. Почки достаточно радиоустойчивы. Однако облучение почек в дозах более 30 Гр за 5 недель может привести к развитию хронического нефрита.

Органы зрения. Возможны два типа поражений глаз: воспалительные процессы в конъюнктиве и склере (при дозах 3-8 Гр) и катаракта (при дозах более 8 Гр). В этом случае наиболее опасно нейтронное облучение.

Центральная нервная система.— наиболее радиоустойчивая из всех критических систем. Ее решающая роль в летальном исходе лучевого поражений проявляется при действии массированных доз ионизирующей радиации. В ответ на облучение ткань мозга реагирует как единая система: прямые поражения нейронных структур и расстройства циркуляции, связанные с поражением стенок кровеносных сосудов, обычно сопутствуют друг другу. Повреждения капиллярных сосудов проявляются в виде набухания эндотелиальных клеток. В отличие от зрелой нервной ткани мозг молодых животных более радиочувствителен, чем другие ткани организма. Отмечают, что облучение плода в утробе матери в сравнительно невысоких дозах приводит к полному разрушению целых его отделов. Высокая радиочувствительность нервной ткани эмбриона объясняется общей закономерностью, заключающейся в том, что в зависимости от времени формирования и дифференцировки органов и тканей в онтогенезе любые из них становятся крайне чувствительными к радиации независимо от их радиочувствительности во взрослом состоянии.

Оценивая биохимические и морфологические изменения ЦНС, следует отметить необычайно большую разницу в радиочувствительности для различных участков, в том числе и для соседних структур однотипных тканей мозга. Это объясняется тем, что наиболее радиочувствительны те микроструктуры, которые в момент облучения находятся в активном функциональном состоянии. Наиболее значительные изменения претерпевают сосудистые и секреторные условно-рефлекторные реакции, в меньшей степени — двигательные. Гибель нейронов наблюдается при дозах более 100 Гр.

Эндокринная система. Она обладает относительной радиоустойчивостью. Нарушения в деятельности эндокринной системы приводит к глубоким изменениям регуляторных биохимических процессов, иммунобиологических и нейровегетативных реакций, к расстройству гемодинамики, терморегуляции, извращению регуляции и деятельности многих органов и систем. К наиболее радиочувствительным органам эндокринной системы относятся половые железы. Другие железы внутренней секреции менее чувствительны, располагаясь по мере возрастания радиоустойчивости (по морфологическим признакам) в такой последовательности: надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, островки поджелудочной железы и, наконец паращитовидная железа. Радиоустойчивость этих желез связана с тем, что, их ткани состоят из высокодифференцированных функциональных клеток, практически не способных к физиологической регенерации.

Учитывая значение печени как «центральной биохимической лаборатории», ее барьерные функции, местонахождение на пути оттока крови из кишечника и т. д., можно понять причину того большого внимания, которое уделяют радиобиологи этому органу. Исследования показали, что печень высокорадиоустойчива, что связано с ее большой регенераторной активностью. Несмотря на многочисленные и глубокие биохимические изменения в печени облученных животных, все же не они причина непосредственной гибели организма.

Ряд органов и тканей условно называют стабильными в связи с их высокой устойчивостью: морфологические, функциональные и биохимические изменения в них после облучения даже в высоких дозах незначительны. Их способность к физиологической регенерации выражена слабо или практически отсутствует. Однако постлучевые изменения стабильных органов и тканей все же вносят известный вклад в общую картину лучевой патологии. Типично стабильный орган — почки. Обычно поражение почек наблюдается при общем облучении животных в несколько десятков грей. Их высокая устойчивость, вероятно, связана с тем, что обновление почечных клеток либо отсутствует, либо выражено слабо.

Еще более устойчивы к действию ионизирующей радиации мышечная и соединительная ткани. Структурные элементы кожи характеризуются относительно большими различиями в радиочувствительности. Сравнительно высокой радиоустойчивостью обладают костная и хрящевая ткани. Однако в период роста они чувствительны к ионизирующей радиации.

В процессе развития лучевого поражения, особенно в фазе выраженных клинических изменений, резко снижается устойчивость организма к инфекциям: подавляется естественная устойчивость организма к возбудителям инфекционных заболеваний, угнетается приобретенный иммунитет, нарушаются все его формы. Снижение иммунитета при лучевой болезни, угнетение защитных механизмов обусловливаются развивающимися в организме аутоиммунными процессами. Подавление иммунитета в облученном организме представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в основе которого лежит опосредованное действие ионизирующей радиации.

Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей:

1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии.

2) Биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма.

3) Для биологического действия ионизирующих излучений характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское, гамма-излучение, альфа- и бета-частицы), плотность ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для биологического действия ионизирующих излучений испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма.

Факторы, определяющие поражение организма:

1. Тип радиации. Все виды ионизирующей радиации могут оказать влияние на здоровье. Главное различие заключается в количестве энергии, определяющей проникающую способность альфа и бета частиц, гамма и рентгеновского излучения.

2. Размер полученной дозы. Чем выше доза полученной радиации, тем выше вероятность возникновения медико-биологических последствий.

3. Продолжительность воздействия радиации. Если доза получена в течение дней или недели, эффекты часто не такие серьезные, если подобная доза была получена в течение минут.

4. Часть тела, подвергнутая действию. Конечности, такие как руки или ноги получают большее количество радиации с менее выраженными повреждением, чем кровь, формирующая органы, размещенные в пояснице.

5. Возраст человека. С возрастом человека замедляется деление клеток, и тело менее чувствительно к эффектам ионизирующей радиации. Как только деление клетки замедлилось, эффекты радиации несколько менее разрушительны чем тогда, когда клетки быстро делились.

6. Биологические различия. Одни люди более чувствительны к эффектам радиации чем другие.

Под критическими органами понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз облучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения.

Таким образом, между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость, определяемая различиями в радиочувствительности отдельных жизненно важных (критических) систем.

При общем облучении организма в зависимости от эквивалентной поглощенной дозы может преобладать один из радиационных синдромов, связанных с критическими системами:

1) костномозговой (кроветворный),

2) желудочно-кишечный,

3) церебральный.

Они развиваются вследствие необратимого поражения соответствующих критических систем организма – системы кроветворения, желудочно-кишечного тракта или центральной нервной системы.

Костномозговой (кроветворный) синдром связан с повреждением стволовых клеток красного костного мозга. Это является смертельным для организма. Зрелые клетки крови не делятся, характеризуются специализированными функциями, быстро изнашиваются, а поэтому должны постоянно заменяться новыми. Поражение костного мозга приводит к падению количества разных типов клеток в крови. Сокращение числа клеток периферической крови обусловливает симптомы, предшествующие гибели организма: уменьшение количества крови, кровотечения, инфекции. Сокращение числа эритроцитов (красных кровяных телец), а соответственно, и понижение гемоглобина в крови приводит к анемии (малокровию). Уменьшение числа тромбоцитов, участвующих в процессе свертывания крови, приводит к возникновению кровотечений, что усиливает анемию. Уменьшение числа лейкоцитов (белых кровяных телец) приводит к снижению сопротивляемости организма различным болезням.

Желудочно-кишечный синдром связан с повреждением слоя клеток, выстилающих внутреннюю стенку тонкой кишки, которое приводит к проникновению в организм инфекции из кишечника за счет кишечной флоры и возникновению инфекционных заболеваний. Внутренняя, всасывающая поверхность кишечника имеет ворсинки, направленные в просвет кишечника. У основания этих ворсинок находятся быстроделящиеся клетки. Нарушение процесса обновления этих клеток и приводит к желудочно-кишечному синдрому, признаками которого являются боли в желудочно-кишечном тракте, потеря аппетита, тошнота, рвота, понос, изъязвление слизистой оболочки рта и зева, вялость, инертность. Все это происходит на фоне костномозгового синдрома.

Церебральный синдром связан с нарушениями центральной нервной системы. В центральной нервной системе в отличие от костного мозга и кишечника клетки достаточно устойчивы к воздействию радиации, так как зрелая нервная ткань состоит из высокоспециализированных клеток, которые в течение жизни не замещаются. Воздействие радиационных излучений приводит к функциональным нарушениям на тканевом уровне. Признаки церебрального синдрома – головные боли, полное безразличие ко всему окружающему, нарушение сознания (возможна временная потеря его), судороги. Эти симптомы связаны с повреждением головного мозга.

Состояние устойчивого динамического равновесия любой клеточной популяции в живом организме, необходимое для нормальной жизнедеятельности, поддерживается системами обновления клеток; любая потеря клеток (вследствие их гибели или миграции) в системе количественно восполняется возникновением новых клеток, что обеспечивает неизменность функции. Клетки каждого типа имеют свою характерную для них продолжительность жизненного цикла и соответственно различаются темпом обновления.

Таким образом, взрослый организм постоянно находится в состоянии строго сбалансированного клеточного самообновления, происходящего непрерывно в ряде его  жизненно важных систем.

Ежеминутно в каждой из них отмирают десятки и сотни тысяч «отслуживших» клеточных элементов, заменяясь новыми, заведомо готовыми «пожертвовать» собой через строго определенный срок - и так до конца жизни организма. Такое устойчивое равновесие в системах клеточного самообновления, являющееся необходимым  условием надежности поддержания жизнеспособности организма, получило название клеточного гомеостаза.

Применительно к рассмотренным выше основным радиационным синдромам две из таких самообновляющихся систем (в основном определяющие выживание или гибель облучаемого организма) - кроветворная и желудочно-кишечная — характеризуются большой скоростью клеточного обновления. В третьей – ЦНС - у половозрелых животных и у взрослого человека клеточного обновления практически не происходит.

Последствия облучения человека могут проявляться в двух вариантах: детерминированные и стохастические (случайные) эффекты.