Механизм биологического действия ионизирующих излучений

Механизм действия излучений на живой организм очень сложный и пока ещё до конца не выяснен. Однако результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что у разных видов излучений он, в основном одинаковый, начиная от исходных актов поглощения и переноса энергии излучения через первичные радиационно-химические процессы и кончая патолого-физиологическими и патолого-морфологическими изменениями в облучённом организме.

В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно можно выделить два основных этапа. Первый этап определяется как первичное (непосредственное) действие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап — опосредованное действие, которое обусловливается нейрогенными и гуморальными сдвигами, возникающими в организме под влиянием радиации.

Для объяснения механизма первичного действия ионизирующих излучении на биосубстрат предложено более десяти гипотез и теорий, многие из которых имеют уже только историческое значение.

Впервые теорию о начальных процессах лучевого поражения живого организма выдвинул в 1903 г. Г. Шварц; это так называемая лецитиновая теория. Сущность её заключается в том, что при лучевом воздействии происходит разложение лецитина с образованием холиноподобных токсических веществ, которыми и отравляется организм.

Несколько позже, в 1905 г., появилась теория Бергонье и Трибондо, согласно которой ведущее значение в лучевом поражении имеет нарушение обмена веществ. По мнению авторов, наиболее уязвимыми являются молодые делящиеся клетки с наиболее интенсивным обменом.

Е.С. Лондон (1911) объяснял первичные лучевые процессы в тканях нарушениями ферментативных процессов в организме.

В 1923 г. Дессауер выдвинул гипотезу теплового эффекта (точечного тепла). Суть её сводится к тому, что в местах взаимодействия излучения с биосубстратом (в микрообъёмах) происходит резкое повышение температуры, которое приводит к нарушениям функции и структуры клетки. Однако последующие исследования и математические расчёты показали ошибочность таких предположений. Оказалось, что количество энергии, поглощаемой живыми тканями, ничтожно по тепловому эквиваленту, и те глубокие биохимические процессы, которые возникают при облучении, связаны не только с превращениями энергии излучения в тепло, но и со сложными физико-химическими изменениями в биомолекулах.

По гипотезе Штрауса (1923) в основе лучевого поражения лежит действие ионизирующих излучений на липоиды ароматического ряда как наиболее радиочувствительные компоненты клетки.

Теoрии прямого и непрямого действия ионизирующих излучений. Под прямым действием излучений принято считать радиационно-химические превращения молекул, возникающие под непосредственным действием радиации в месте поглощения её энергии. При этом основное поражающее действие связано с самим актом ионизации.

Непрямым, или косвенным действием ионизирующих излучений называют радиационно-химические изменения структур (молекул, клеток и т.д.), обусловленные продуктами радиолиза воды или растворённых в ней веществ.

В качестве примера можно проследить действие излучения на молекулы воды. Гамма-квант, или заряженная частица, взаимодействуя с молекулой воды, ионизируют её, в результате образуется два иона:

В этом случае физико-химические свойства ионизированных молекул воды будут отличаться от молекул воды электрически нейтральных.

Продолжительность существования ионов воды и ионизированных молекул растворенных в ней веществ очень короткая. У ионов она составляет Ю-10 с, за это время они претерпевают ряд превращений, образуя свободные радикалы. Положительный ион воды распадается на протон и гидроксильный остаток, отрицательный — на атомарный водород и гидроксильный остаток:

На молекулы ряда веществ (ферменты, витамины и др.) прямое действие излучений в основном проявляется окислительными и реже восстановительными реакциями, т. е. отнимается или присоединяется электрон, например,

(реакция окисления)

Обладая очень высокой химической активностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные радикалы взаимодействуют друг с другом или с растворенными в поде веществами. Реакции могут идти следующими путями:

H^·+OH H₂O (рекомбинация);

Н^·+ Н^· H₂;

OH+OH H₂O +O;

OH+OH H₂O₂.

При наличии растворенного кислорода в воде образуются и другие перекиси:

H^·+O₂ HO₂ (гидропероксид);

HO₂+HO₂ H₂O₂+2O;

HO₂+H H₂O₂.

Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют этап первичных химических соединений воды и растворенных в ней веществ, а в случаях облучения животных и растений, и биологических молекул. Продолжительность этого этана—10^-5—10^-6 с.

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) действия. Величина прямого и непрямого действия в первичных радиобиологических эффектах различных систем неодинаковая. В абсолютно чистых сухих веществах будет преобладать прямое, а в слаборастворимых—косвенное действие радиации.

О различии прямого и косвенного действия радиации на биологические объекты и величину их влияния на развитие лучевого поражения можно судить по двум феноменам — эффекту разведения и кислородному эффекту.

Эффект разведения — это состояние, при котором абсолютное число поврежденных молекул веществ в слабом растворе не зависит от его концентрации и остается для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов. Эффект разведения достаточно четко проявляется в опытах in vitro с растворами и суспензиями микромолекул, вирусов, фагов и т. д. Он свидетельствует о величине косвенного действия радиации при лучевом повреждении этих микроскопических структур. Однако эффект разведения не проявляется при облучении суспензий перевиваемых клеток и тканей животных, так как в данном случае большая часть активных радикалов воды поглощается «поверхностными» метаболитами и не доходит до активных макромолекул клетки.

Кислородный эффект. В развитии первичных реакций при обучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением его концентрации в окружающей среде и объекте облучения усиливается эффект лучевого поражения, и наоборот, при понижении концентрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого поражения. Это явление было названо кислородным эффектом.

Кислородный эффект нередко применяется в клинической медицине при лечении больных с злокачественными новообразованиями. Для усиления лучевого поражения клеток опухоли создают условия повышенного содержания кислорода в ней и одновременно для уменьшения радиационного повреждения здоровых клеток обеспечивают гипоксическое состояние окружающих тканей.

Установлено, что в результате взаимодействия свободных радикалов воды с органическими соединениями и взаимодействие радикалов органических веществ с молекулярным кислородом, растворенным в тканях организма, образуются органические перекиси, которые обладают высокой химической активностью и различным временем существования. Они играют основную роль в первичных биохимических реакциях организма при действии излучения.

Дальнейшее изучение прямого и непрямого действия излучений позволило получить данные для количественной и качественной характеристики первичных процессов лучевого поражения.

На основе представления о прямом действии излучения возникла теория «мишени или попаданий», которая была развита Кроутером, Тимофеевым-Рессовским, Ли, Циммером и др. Из нее следует, что ионизирующая частица или g-квант одномоментно действует на чувствительную часть (мишень) структуры или молекулы клетки, вызывая ее гибель или генетические изменения. Имеется количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом, с увеличением дозы происходит увеличение в геометрической прогрессии количества поврежденных единиц в объеме облучения. Когда гибель клеток, разрушение молекул, инактивацию ферментов можно описать экспоненциальной кривой, говорят об одноударном поражении, т. е. инактивация объекта происходит под действием одного попадания. Клетки растительных и животных тканей повреждаются по S-образной кривой, вычерченной в нормальных координатах. Это говорит о том, что для их инактивации или разрушения требуется более одного попадания в мишень, и поэтому данный процесс называется многоударным.

Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений первичных радиобиологических процессов (О. Хуг и А. Келлерер). Отличие ее от теории попаданий состоит в том, что взаимодействие излучений с определенным участком клетки происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость эффекта обусловливается не только мишенью попадания, но и (в большей мере) состоянием биологического объекта как динамической системы.

Гипотезы, отражающие преимущественно непрямое действие ионизирующих излучений, т. е. качественную сторону возникновения и развития послелучевых процессов в организме. Выяснено, что первичная реактивация биомолекул идет как прямым, так и непрямым путем п в большинстве случаев тот и другой путь ведет к активации одних и тех же реакций.

Теория липидных радиотоксинов (первичных, радиотоксинов и цепных реакций). Роль токсических веществ в первичных радиохимических процессах при облучении клеток была экспериментально показана Б. Н. Тарусовым, Ю, Б. Кудряшовым и др. Ими установлено, что при воздействии ионизирующего излучения в тканях животных, особенно в печени, селезенке и других органах образуются липидные (первичные) радиотоксины. Процессы, возникающие в начальный период развития лучевого поражения, протекают в организме с очень малой скоростью вследствие действия ингиби-рующих веществ—антиокислителей. Под влиянием активных радикалов, образующихся при лучевом воздействии, происходит усиление окислительных цепных реакций биолипидов, в результате этого появляются продукты окисления ненасыщенных жирных кислот (альдегиды и кетоны).

Структурно-метаболическая теория. Автор этой теории А. М. Кузин считает, что динамика и место нарушения обменных процессов при действии радиации обусловлены нарушениями цитоплазматических структур в живой клетке. За основу гипотезы взято действие первичных радиотоксинов, которые представляют собой комплекс веществ метаболитов, обладающих токсическими свойствами, — это хиноны или ортохиноны. Некоторые из токсических метаболитов всегда и небольших количествах содержатся в клетках здоровых тканей. При действии радиации содержание их значительно увеличивается и дополнительно появляются новые токсические соединения. Первичные радиотоксины образуют большое количество вторичных радиотоксинов, которые играют существенную роль в патогенезе и исходе лучевых поражений.

Рассматривая теории и гипотезы первичных механизмов лучевых поражений необходимо отметить, что ни одна отдельно взятая из них не объясняет механизмы первичного биологического действия ионизирующих излучений. Общий их недостаток состоит в том, что выдвигаемые положения не удается подтвердить в экспериментальных условиях на теплокровных животных. Большей аргументацией отличаются структурно-метаболическая теория, а также теория липидных токсинов с цепными разветвленными реакциями и теория «попаданий». Они дают более правильное представление о первичных механизмах непосредственного действия радиации на животный организм, которое в дальнейшем усиливается нейроэндокринными и гуморальными реакциями.