4.1 Механизм биологического действия излучения

При взаимодействии ионизирующего излучения (ИИ) с органами и тканями человека, в биологической ткани происходят сложные физико-химические и биологические процессы. Все факторы окружающей среды влияют на деятельность живого организма. Во всех случаях живые клетки организма практически однотипно реагируют на повреждения, вызванные любым агентом, будь то температурный, химический, или инфекционный. Это связано с непрерывным процессом жизнедеятельности, который характеризуется протеканием обменных химических реакций в клетке, а значит, и в молекулах, в клеточном ядре в оболочке клетки, в тканях и органах. Ответная реакция живого на раздражитель регламентирована и сводится либо к «ремонту» повреждения в геноме (совокупности генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом), либо к замене поврежденного элемента вновь образованным с помощью «размножения», т. е. воссоздания молекулы или клетки вместо поврежденной, состарившейся или погибшей. Специальным механизмом, поддерживающим постоянство состава структуры тканей, считается апоптоз, т. е. самоуничтожение постаревших или поврежденных клеток, механизм контроля гибели клеток, которые не в состоянии выполнять присущую им функцию. В условиях жизни клеточная гибель выступает как активный генетически регулируемый процесс, необходимый для поддержания постоянства морфологического состава ткани, органа, организма.

Ответные реакции клетки на повреждения однотипны, они происходят непрерывно с достаточно постоянной скоростью, обусловливая постоянство обмена веществ, постоянство сохранения всех внутренних и внешних параметров жизнедеятельности.

В результате взаимодействия ИИ с биологической тканью происходит ионизация и возбуждение атомов, молекул биологической ткани - первый этап в дальнейшей цепи изменений и реакций. Поскольку органы и ткани человека на 75% состоят из воды, при взаимодействии ионизирующего излучения с водой, происходит процесс радиолиза. Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. Функциональная деятельность клеток живой ткани нарушается, клетки деградируют и погибают, процесс естественного деления клеток нарушается, что приводит к различным структурным изменениям. В некоторых генах, определяющих наследственные свойства организма и его клеток, происходят нарушения, которые, (особенно в клетках половых желез) влияют на наследственность.

Если подытожить вышеизложенное, то механизм биологического действия в современном представлении поэтапно можно представить следующей схемой:

1. поглощение энергии излучения клетками и тканями организма;

2. образование свободных радикалов и окислителей;

3. нарушение биохимических процессов;

4. нарушение физиологических процессов.

Однако описанная последовательность событий - от атомарного до организменного уровня - прерывается на самой ранней стадии после образования радикалов путем их уничтожения естественными механизмами. Кроме уничтожения радикалов в организме существуют и постоянно действуют механизмы репарации повреждений на всех уровнях организации, включая репарации ДНК; образование новых клеток вместо погибших как от облучения, так и от апоптоза, компенсация других морфологических и функциональных повреждений. Радиобиологами делается обоснованный вывод о том, что «реализация вредного эффекта на более низком уровне биологической организации не обязательно должна транслироваться на более высокий уровень». Основой повреждения, приводящего к гибели клетки, как теперь установлено, является повреждение ДНК в виде образования двухнитьевых разрывов, одного или нескольких. Отсюда следует, что радиационная гибель клетки не отличается от общебиологического феномена клеточной гибели.

В табл. 4.1 показаны основные стадии радиобиологических процессов:

Название стадии	Время протекания, с	Основные процессы
Физическая и физико-химическая	10-18 – 10-8	Ионизация, образование соединений с ненасыщенной химической связью (образование радикалов)
Химическая	10-14 - 10-4	Образование первичных поражений ДНК вследствие реакций со свободными радикалами
Биохимическая (субклеточная)	10-4 - 105	Восстановление (репарация) повреждений. Образование нерепарируемых повреждений (мутаций) в результате их взаимодействия
Биологическая (клеточная)	105 - 108	Гибель клеток или изменение их свойств в результате мутаций