Механизм биологического действия ионизирующих излучений

Основной радиобиологический парадокс по определению Н.В.Тимофеева-Ресовского, состоит в очень значительной диспропорции между количеством поглощенной энергии ионизирующей радиации и величиной вызванного ею биологического эффекта. Смертельная для человека и большинства млекопитающих поглощенная доза - 10 Гр (1000 рад) энергетически эквивалентна приблизительно 170 кал, т. е. такому количеству тепловой энергии, которое передается человеку от выпитого стакана горячего чая, вызывая повышение температуры тела всего на 0,001 °С.

Особенность ионизирующих излучений состоит в том, что они обладают высокой биологической активностью. Они способны вызывать ионизацию любых химических соединений биосубстратов и этим индуцировать длительно протекающие реакции в живых тканях. Поэтому результатом биологического действия радиации является, как правило, нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях животного.

3.1 Теория «мишени»

Одним из объяснений основного радиобиологического парадокса послужила развиваемая с начала 1920-х гг. теория мишеней (теория классического формализма): сильно выраженное повреждение клетки связывалось с поглощением большой энергии ядерных частиц в некоторых жизненно важных высокочувствительных точках клетки — «мишенях», размеры которых значительно меньше размеров самой клетки. Попадание в такую мишень (ген или ансамбль генов) одной или нескольких высокоэнергетических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клетки. Чем больше доза, тем оно вероятнее (доза-эффект); чем меньше, тем оно менее вероятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно.

Исходя из принципов классической теории мишени следует вывод, что количество попаданий должно быть прямо пропорционально дозе излучения: в определенном диапазоне малых доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе (или числу попаданий), однако с повышением дозы излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличивается и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность (на единицу дозы) уменьшается, и количество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптотически приближаясь к 100%. Иначе говоря, количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы.

Главное достоинство теории «мишени» состоит в том, что она дала простое объяснение радиобиологического парадокса - экстремальный эффект, возникающий в клетке в результате поглощения ничтожной по величине энергии, происходит вследствие дискретного акта ее размена (попадания) в крошечном, но жизненно важном микрообъеме (мишени), например, в уникальной молекуле ДНК.

Таким образом, в основе теории мишени лежат два положения. Первое из них – принцип попадания – характеризует особенность действующего излучения. Эта особенность заключается в дискретности поглощения энергии излучения, т.е. поглощения порции энергии при случайном попадании в мишень. Второе положение – принцип мишени – учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т. е. различие в ее ответе на одно и тоже попадание.

Под прямым действием ионизирующего излучения понимают такие изменения, которые возникают в результате утери или приобретения электрона самими молекулами-мишенями.

Стохастическая теория

Дальнейшим развитием теории прямого действияизлучений явилась стохастическая теория, которая, так же как и теория мишени, учитывает вероятностный характер попадания излучения в чувствительный объем клетки, но в отличие от нее она еще учитывает и состояние клетки как биологического объекта, лабильной динамической системы.

Клетка как лабильная динамическая система постоянно находится в стадии перехода из одного состояния в другое путем клеточного деления — митоза. На каждой стадии деления существует вероятность повреждения ее вследствие различных факторов, в том числе и радиационного.

Излучение влияет на все фазы и стадии клеточного цикла, однако радиочувствительность клетки в различные стадии митоза неодинаковая. В зависимости от стадии деления излучение оказывает на клетку разное действие: наибольшую чувствительность к ионизирующему излучению имеет клетка в начале деления (стадия профазы) - облучение тормозит его завершение. Облучение в период интерфазы (стадия жизненного цикла клетки между двумя последовательными митотическими делениями) приводит к потери способности приступать к новому делению. В этих случаях легко нарушается структура хроматинового вещества, в результате чего клетка может погибнуть.

На основании различия радиочувствительности клеток французские ученые Бергонье и Трибондо сформулировали правило: чувствительность клеток к облучению прямо пропорциональна интенсивности клеточного деления и обратно пропорциональна степени их дифференцировки (исключение составляют высокодифференцированные, но неделящиеся нервные клетки и лимфоциты крови).

Следовательно, наиболее повреждаемы клетки тех тканей, которые обладают высокой митотической активностью. К ним относятся клетки органов кроветворения (красный костный мозг, селезенка, лимфоузлы), половых желез, эпителия кишечника и желудка, а также клетки быстрорастущих опухолей. Поэтому не случайно при развитии острой лучевой болезни в первую очередь наблюдаются нарушения кроветворения, поражения желудочно-кишечного тракта, половых клеток и т. д.

Главную ответственность за гибель клетки при облучении несет ядро. Именно на принципах радиопоражаемости быстро растущих клеток базируется практическое применение ионизирующей радиации в онкологии для подавления злокачественного роста опухолевых клеток