3. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды. Кислородный эффект

(Физико-химическая стадия)

На этой стадии происходит образование свободных радикалов. Сво­бодные радикалы - это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней орбите. Они являются весьма реакци­онноспособными, т.к. имеют тенденцию спаривать этот электрон с анало­гичным электроном в другом СР либо удалять его из атома путем элект­ронного излучения. Следовательно, СР могут быть как окислителями (ак­цепторами), так и восстановителями (донорами).

В основе первичных радиационно-химических изменений на данной стадии могут лежать 2 механизма:

1) прямое действие - когда молекула претерпевает изменения непос­редственно при взаимодействие с ИИ;

2) косвенное действие - когда молекула непосредственно не погло­щает энергию от ИИ, а получает ее от других молекул.

Поскольку живая материя на 70-90% состоит из воды, то большая часть энергии излучения поглощается именно молекулами воды.

Таким образом, в основе косвенного действия ионизирующего излуче­ния лежит воздействие продуктов радиолиза воды на биомолекулы или т.н. радиационно-индуцированные свободнорадикальные реакции. Механизм ради­олиза воды заключается в следующем.

При воздействии ИИ в воде идут процессы ионизации и возбуждения. В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон и образу­ется положительно заряженная молекула воды: Н₂О + h → Н₂О⁺ + ⁰е^-.

Если энергии для ионизации недостаточно, то возможно образование возбужденной молекулы воды:

Н₂О + h → Н₂О^*

Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, кото­рая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды:

Н₂О + е^- - Н₂О^-

Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (Н₂О⁺, Н₂О^-, Н₂О*) являются нестабильными и распадаются с образованием ионов и свободных радикалов:

Н₂О⁺  Н⁺ + ОН

Н₂О^-  Н + ОН^-

Н₂О^*  Н + ОН

Кроме того, выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон е^-_aq и может быть захвачен молекулой Н₂О⁺ с образованием возбужденной молекулы воды:

Н₂О⁺ + е^-_aq - Н₂О^*

Возбужденная молекула воды распадается на атомарный водород Н и гидроксильный радикал ОН. Далее радикалы могут реагировать друг с другом. Это, в первую очередь, касается радикалов Н и ОН, образующих­ся при распаде Н₂О*, после реакции:

Н + Н → Н₂

ОН + ОН → H₂ O₂

Н + ОН → Н₂О

Образовавшиеся радикалы могут вступать в реакцию с другими моле­кулами воды:

Н₂О + Н → ОН + Н₂

Продукты радиолиза воды способны вырывать атом водорода из орга­нических молекул, превращая их в радикалы:

RН + Н → R + Н₂

RН + ОН →R +H2 O

Продукты радиолиза воды могут также реагировать с молекулами растворенного кислорода, в результате чего образуются перекисные ради­калы, обладающие высокой реакционной способностью:

Н + О₂ - НО₂ (гидроперекисный радикал);

О₂ + е^-_aq ^-₂ (супероксидный радикал).

В целом для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, образования радиотоксинов. К окислителям относят следующие продукты радиолиза воды:

ОН, Н₂О₂, НО₂, О₂^-.

К восстановителям относят Н, е^-_aq.

Образование радиотоксинов происходит в результате реакции с хино­ном и убихиноном.

Необходимо отметить, что в присутствии кислорода образуются до­полнительные реакционноспособные радикалы, которые обладают выраженным поражающим действием. Кроме того, молекула кислорода обладает электро­ноакцепторными свойствами, активно взаимодействует с образующимися при действии излучения радикалами биологических молекул, как бы фиксирует возникшие в них потенциальные повреждения и делает их трудно допустимы­ми для репарации.

Следовательно, в присутствии кислорода отмечается усиление луче­вого повреждения по сравнению с наблюдаемым в анаэробных условиях. Это явление известно в радиобиологии как кислородный эффект.

Количественной мерой КЗ служит коэффициент кислородного усиления. При облучении отдельных клеток он равен 3, т.е. в присутствии кислоро­да лучевое повреждение усиливается втрое.

Для проявления такого действия кислород должен присутствовать в клетке в момент облучения. Однако в дальнейшем кислород играет положи­тельную роль: он необходим для нормальной работы систем репарации ДНК.

Таким образом, в формировании лучевого повреждения кислород ведет себя двояко: усиливая первичные процессы лучевого повреждения, он од­новременно стимулирует процессы внутриклеточного восстановления.

Кислородный эффект зависит от ЛПЭ: с увеличением ЛПЭ он уменьша­ется и при действии, например, альфа-излучения исчезает.

На кислородном эффекте основан метод управления тканевой радио­чувствительностью, что используется в лучевой терапии опухолей.

1) оксигенорадиотерапия (оксибарорадиотерапия).

Во время сеанса лучевой терапии больной дышит чистым кислородом при нормальном или увеличенным в 2-3 р. атмосферном давлении. Напряже­ние кислорода в здоровых тканях увеличивается незначительно (есть пре­дел насыщения). В опухоли давление кислорода поднимается до такого же уровня, но по сравнению с исходным его содержание возрастает во много раз, значит, повышается ее радиочувствительность.

2) гипооксирадиотерапия.

Во время сеанса лучевой терапии больной дышит гипоксической газо­вой смесью (содержание кислорода 7-10% вместо 21%). Напряжение кисло­рода в здоровой ткани уменьшается, а в опухоли останется прежним. Зна­чит, можно повысить дозу на опухоль.

4. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА МАКРОМОЛЕКУЛЫ

(химическая стадия)