Теории, объясняющие механизм действия радиоактивных излучений

  Теория мишени. Для объяснения механизма действия радиоактивных излучений на организм был создан ряд теорий. Одной из первых теорий, пытавшихся объяс-нить, почему ничтожное в энергетическом отношении действие излучения дает большой биологический эф- фект, была теория мишени (Гровтер). Согласно этой теории, в живой клетке имеется определенный чувстви­тельный объем (мишень), попадание в который части­цы или поглощение которым кванта излучения приво­дит к гибели клетки. Попадание в мишень подчинено закону вероятностей. Математические расчеты позволя­ют получать зависимость эффекта от дозы облучения, которая в некоторых случаях хорошо совпадает с экспе­риментальной кривой. Сторонники теории мишени пыта­лись связать чувствительный объем с какой-либо частью клетки: с ядром, ядрышком, геном. Первое время полу­чали хорошее совпадение величины мишени с величиной гена и давали хорошее объяснение количественным зави­симостям хромосомных аберраций и других видов мута­ций от величины дозы. Но затем, по мере расширения исследований по генетике и радиобиологии, вычислен­ный объем мишени перестал совпадать с объемом, от­водимым под генетический аппарат клетки. Кроме того, с позиций теории мишени трудно объяснять большинство особенностей процесса лучевого поражения: наличие фа­зы мнимого благополучия, влияние температуры, влия­ние кислорода, защитное действие химических веществ и т. д. Таким образом, теория мишени является чисто формальной теорией, не вскрывающей природы, физи­ческих и физико-химических процессов, ведущих к пора­жению, и не объясняющей особенностей и закономерно­стей лучевого поражения.

Теория непрямого действия (Вейс, Дейл). Согласно згой теории, в водной фазе живого организма возникают

Медицинская биофизика

241

реакции радиолиза воды, приводящие к образованию ионов, радикалов, перекисей. Эти продукты вступают во взаимодействие с органическими молекулами, что и при­водит к развитию лучевого поражения. В подтвержде­ние теории приводят так называемый эффект разведе­ния. Этот эффект заключается в том, что при одной до­зе облучения количество инактивированного вещества не зависит от концентрации этого вещества в растворе. Например, было показано, что при разведении фермен­та в 60 раз количество инактивированных молекул не меняется. Это объясняется тем, что при одной дозе облу­чения в водной фазе образуется одинаковое количество продуктов радиолиза, которые инактивируют одно и то же количество молекул фермента независимо от их кон­центрации.

Теория непрямого действия может объяснить ряд закономерностей действия ионизирующей радиа­ции: зависимость от температуры, наличие инкубацион­ного периода (фазы мнимого благополучия), влияние кислорода и т. д. Однако в настоящее время теория не­прямого действия не в состоянии объяснить ряд извест­ных фактов. Например, оказалось, что нет прямой зави­симости между содержанием воды в объектах и их ра­диочувствительностью. Возникли также затруднения при попытке определить, какие радикалы и перекиси ответ­ственны за развитие поражения. Основной недостаток этой теории — объяснение биологического действия из­лучения только процессами в водной фазе и игнорирова­ние процессов, возникающих под действием излучения в органическом субстрате.

Теории прямого действия. Существует ряд попыток объяснить причину поражающего действия излучения прямым действием его на органические молекулы живо­го объекта. Одна из таких теорий — теория Баррона. Исходя из опытов по облучению сульфгидрильных фер­ментов вне организма, Баррон высказал предположе­ние, что и при действии излучения на целостный орга­низм в первую очередь происходит повреждение фер­ментов, содержащих сульфгидрильные группы, которые подвергаются окислению. С этого, по его мнению, на­чинается нарушение обмена веществ, приводящее в ко­нечном счете к развитию лучевой болезни. Однако, хотя теория Баррона удовлетворительно объясняет довольно много фактов, за последнее время накопилось много

242

данных, противоречащих ей. Так, тотчас после облуче­ния не удалось обнаружить снижения количества сульф-гидрильных групп в крови и органах.

Баком и Александером была предложена теория вы­свобождения ферментов. Согласно этой теории действие излучения приводит к увеличению проницаемости кле­точных и цитоплазматических мембран. Вследствие это­го освобождаются ферменты, ранее фиксированные на мембранах или заключенные в ограничиваемые ими по­лости. Освобождение ферментов вызывает дезинтегра­цию биохимических процессов, а также аутолиз клеток. Недостаток данной теории заключается в том, что она не объясняет первичных процессов действия излучения, приводящих к изменению проницаемости, которое, не­сомненно, играет существенную роль в развитии луче­вого поражения.

Теория цепных процессов. Из всех теорий лучевого поражения наиболее разработана теория цепных процес­сов (Б. Н. Тарусов). Согласно представлениям этой теории, биологическое действие излучения определяется возникновением и развитием в живом субстрате особых химических реакций аутокаталитического типа. При дей­ствии излучения на ткани, как отмечалось, происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул. При этом возникают ионы, радикалы и перекиси, которые в даль­нейшем вызывают развитие лучевого поражения. Воз­никновение этих соединений может происходить как в водной фазе, так и в органическом субстрате. Для даль­нейшего развития процесса принципиального значения не имеет, в каком месте возникают первичные продукты.

Свободные радикалы в различных субстратах опре­деляются методом электронного парамагнитного резо­нанса, методом сополимерной прививки и методом хе-милюминесценции — сверхслабого свечения. Пользуясь указанными методами, многие авторы установили зна­чительное увеличение количества свободных радикалов при действии излучения на различные биологические объекты, а также на растворы органических веществ. Кроме того, существует большое количество работ, в ко­торых отмечается увеличение количества перекисей в об­лученных тканях.

Ионы, радикалы и перекиси обладают высокой хи­мической активностью и вызывают ряд химических ре­акций, в том числе и цепных окислительных реакций.

16*

243

Цепные реакции, постепенно развиваясь, приводят к на рушению нормальных биохимических процессов, нор­мальных функций и обусловливают развитие лучевой болезни.

Цепные окислительные реакции легче всего могут возникать в субстратах, богатых двойными связями. Есть основания полагать, что цепные процессы возни­кают в липидах. Имеются данные об увеличении коли­чества липоперекисей, непредельных жирных кислот и продуктов их окисления в облученных тканях.

Липиды, как известно, являются составным компо­нентом элементарной структурной единицы — мембраны. Поэтому при возникновении в липидной части окисли­тельных процессов структура мембран нарушается и увеличивается их проницаемость. Особенно убедитель­ные данные об увеличении проницаемости и разрушении структуры клеток были получены с помощью метода электропроводности. Было показано уменьшение вели­чины дисперсии сопротивления и емкости при действии излучения на мышечную ткань, ткань печени, подкож­ную клетчатку и т. д. Данные электропроводности под­тверждаются электронно-микроскопическими исследо­ваниями.

Разрушение структуры клеточных мембран приводит к освобождению ферментов и развитию аутолитических процессов. Таким образом, теория Бака и Александера о высвобождении ферментов входит как следствие в тео­рию цепных процессов.

Известные в настоящее время основные закономер­ности развития лучевого поражения могут быть хорошо объяснены с позиций теории цепных процессов (частич­но это описано в главе 4).

Радиочувствительность различных живых тканей бу­дет зависеть от физико-химических условий, обеспечи­вающих возможность возникновения и развития цепных процессов: от реакционной способности биохимической системы клеток и от наличия в ней ингибиторов — анти­окислителей, которые реагируют с радикалами, переки­сями и вызывают обрыв цепей. Искусственно введенные вещества, обладающие радиозащитными свойствами, также являются ингибиторами радикалов и тормозят цепные процессы.

Период мнимого благополучия при развитии лучево­го поражения объясняется наличием инкубационного

244

периода цепных реакций. Вначале цепные реакций, имеющие большую энергию активации, развиваются медленно. После того как они начинают развиваться с ускорением, наступает фаза острой лучевой болезни.

Температурные зависимости эффекта лучевого пора­жения также хорошо объясняются теорией цепных про­цессов. Небольшой температурный коэффициент во вре­мя облучения объясняется наличием в данное время реакций физической природы — поглощением энергии из­лучения. Большая величина температурного коэффици­ента после облучения обусловлена химической природой цепных реакций, имеющих большую энергию активации и, следовательно, сильно выраженную температурную зависимость.

Следует, однако, отметить, что и теория цепных про­цессов также имеет недостаток, так как не в состоянии объяснить изменения, возникающие в организме через большой промежуток времени (месяцы, годы) после об­лучения.