Биологическое действие ионизирующего излучения

Биологическое действие ионизирующего излучения представляет собой сложное явление, характеризующееся многообразием взаимосвязанных и взаимозависимых реакций, возникающих в облученном организме. Внешнее проявление его, и в частности повреждающее действие ионизирующих излучений, является лишь конечным звеном в цепи реакций, развивающихся в облученном организме. Биологическое действие ионизирующих излучений по силе и характеру значительно превышает биологические эффекты других видов излучений.

Неоспоримой заслугой отечественной школы радиобиологии является постановка и глубокое изучение проблемы участия нервной системы в лучевом поражении организма.

Спустя некоторое время после открытия рентгеновых лучей, И.Р. Тарханов впервые поставил ряд опытов на животных, позволивших изучить двигательные рефлексы на химические раздражения после облучения животного рентгеновыми лучами.

Тарханов подчеркивал, что на основании его работ следует сделать вывод, что химическими лучами можно не только фотографировать и диагностировать (как это было известно до сих пор), но и влиять на ход жизненных функций, умеряя их главного регулятора, т.е. центры цереброспинальной оси.

Гольдберг в 1904г. своими исследованиями так же подчеркнул, что животные, подвергавшиеся воздействию радия, погибают от «поражения» нервной ткани.

Лондон – крупный советский патофизиолог, биохимик и радиобиолог. Изучая биологическое действие излучений на организм, выявил ряд закономерностей, имевших решающее значение для развития радиобиологии. Им впервые было установлено, что излучения радия в определенных дозах может убивать животных. Лондон был первым исследователем, который показал, что под влиянием лучей радия наиболее ранние и выраженные изменения происходят в кроветворных, половых и лимфатических органах.

Уже спустя некоторое время после открытия рентгеновских лучей были обнаружены лучевые повреждения кожи. Уже в 1897 году на Международном медицинском конгрессе была предложена классификация и описана патология и клиника лучевых повреждений кожи. Недостаточные сведения о дозировке излучения, отсутствие точной аппаратуры для определения дозы вело к тому, что рентгенологи и радиологи, работавшие в те годы, подвергались систематическому действию больших радиаций и в короткий срок получали те или иные кожные повреждения. Ряд специалистов, работавших с источниками проникающего излучения, должны были прекратить работу в этой области, а некоторые из них погибли в дальнейшем от профессионального рака кожи. В числе этих специалистов были ученые Розенблат, Исаченко, Гольдберг, который для изучения морфологических изменений облучал собственную кожу. Этим ученым в Берлине воздвигнут обелиск.

Переходя к вопросу о механизме биологического действия излучений следует, прежде всего, ответить на вопрос: имеет ли место непосредственная ионизация и возбуждение высокомолекулярных полимеров, составляющих основу живого вещества (белки, ферменты, нуклеопротеиды, глюкопротеиды, липопротеиды), или эти процессы сначала происходят в воде, в которой растворены и взвешены указанные вещества, а на них действуют уже продукты разложения воды. В первом случае говорят о прямом действии излучений, во втором о непрямом действии лучей через продукты радиолиза воды.

Даже при небольшом количестве облученных клеток прямое действие может иметь очень важные биологические последствия, если относится к молекулам таких образований, как энзимы или такие внутриклеточные структуры как гены или хромосомы.

Вероятность поражения молекулы пропорциональна ее объему. Чем больше молекулы, тем больше данных для поглощения ими энергии. Так молекулы нуклеиновой кислоты, роль которой является основной в жизнедеятельности клеток, являются очень крупными молекулами.

Наиболее ранней гипотезой радиобиологии была теория попаданий и чувствительных объемов или так называемая теория мишеней. Согласно этой теории, внутри каждой клетки имеется чувствительный объем (мишень), во много раз меньший, чем объем клетки, а протоплазма клетки к излучению не чувствительна. Поражающее действие оказывают только те ионизирующие частицы, которые попадают в этот чувствительный объем. Различная чувствительность клеток связывалась с разным объемом мишеней. Авторы теории мишени пытались связать это предположение с реально существующими в клетках морфологическими структурами. Основными чувствительными элементами клетки считается ядро, ядрышко хромосомы, гены, а также биохимические вещества, которые входят в состав ферментов, нуклеопротеидов, липопротеидов.

Значение этой теории признается многими авторами и в настоящее время. Хотя был накоплен ряд фактов, противоречащих теории. Однако если раньше радиобиология придерживалась, главным образом, теории чувствительных объемов, то в настоящее время большую долю биологического эффекта относят за счет непрямого действия излучения, связанного с физическими или химическими явлениями, возникающими при прохождении ионизирующей частицы.

 

Известно, что все ткани организма, находящиеся в состоянии активной жизнедеятельности, содержат воду, являющуюся средой для живых организмов. Она составляет 70-80% их веса. Для молодых или эмбриональных тканей это соотношение доходит до 90-95%. Начиная с Кюри (1901г.) было известно, что излучения способны разлагать воду, а сравнительно недавние исследования показали, что вещества, выделяющиеся при этом, могут быть очень активными.

 

Начальным процессом является ионизация воды, требующая всего 13 электронвольт. И так образуется два свободных радикала H и OH, обладающие большой активностью. При наличии в воде растворенного кислорода водородный радикал, реагируя с ним, образует новый неустойчивый радикал HO₂, возможно образование такого сильного окислителя как H₂O₂. Свободные радикалы взаимодействуют не только между собой, но и вступают в связи с биологически важными веществами клетки, и в первую очередь с сульфгидрильными группами SH, входящими в состав большинства ферментов. Связывание сульфгидрильных групп, изменение, инактивация ферментов и других важных систем сопровождается нарушением обменных и биохимических процессов.

 

Особое значение в этих условиях приобретает расстройство тканевого дыхания, способности синтеза определенных типов белка и нарушение вследствие этого редублирования сложных макромолекул. В результате нарушения редублирования белковых молекул возникают мутации, т.е. появляются клетки с генетически измененными свойствами. В развитии биологического эффекта особую роль играют нервная, эндокринная, гуморальная системы, в которых так же происходят ионизация атомов и молекул и первичные радиационно-химические процессы. В этой связи сразу же нарушается нейроэндокринная регуляция физиологических процессов различных органов и систем организма.

 

 

 

Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений представляет собой сложный процесс, разыгрывающийся в живых организмах. Первичная ионизация атомов и молекул является пусковым механизмом, за которым обязательно следуют вторичные изменения, развивающиеся в виде цепной реакции по биологическим закономерностям. Вторичные процессы, представляющие по своему существу поражения организма в целом, являются главными в клинической картине биологического действия радиации.

Структурные изменения проявляются вакуолизацией клеток, пикнозом и распадом ядер, а также грубыми повреждениями клеточных органелл, заканчивающихся их гибелью. Одновременно с этим имеют место и процессы восстановления погибших элементов, аутосенсибилизации, и компенсация нарушенных функций.

Вакуолизация клеток

Угнетение и подавление функции клеток:

Ø ограничение их подвижности

Ø способность к росту и размножению

Ø изменение проницаемости клеточных мембран

Ø перестройка и дезорганизация обмена веществ в ядре и протоплазме.

 

В клетках наблюдается повреждение:

Ø хромосом ядра, ядрышек микросом, лизосом, митохондрий, цитоплазмы.

Ø появление в клеточных популяциях мутаций

Ø появление необычных форм дочерних клеток

Ø грубые морфологические изменения

Ø набухание клетки, образование в ней вакуолей, пикноз ядра, его распад.

 

 

 

Таким образом, биологическое действие это сложный процесс, где сочетаются регрессивные явления с восстановительными и компенсаторными процессами. Это служит основой для использования ионизирующих излучений в лечебных целях в одних случаях для подавления патологического роста и уничтожения опухолевой ткани, в других – для реактивного повышения восстановительных, регенераторных способностей отдельных тканей и органов.

Необходимо отметить, что выраженность радиационных реакций зависит от вида излучений и содержания в тканях кислорода. Если легкие кванты рентгеновских или гамма лучей без труда проскальзывают между атомами вещества, лишь изредка задевая их электронные оболочки, то тяжелые альфа-частицы как мощные «танки» сокрушают все встречающиеся на их пути препятствия, ломают электронные оболочки и быстро растрачивают свою энергию.

На пути в 1 микрон альфа-частицы образуют 5000 пар ионов, электроны β –частицы в зависимости от скорости и энергии --от 5 до 20 пар, а Ro и γ-кванты от 0,5 до 2 пар. Следовательно, на единицу пробега альфа-частицы оказывают действие в 1000 раз большее, чем γ-кванты и в сотни раз более интенсивное, чем β-частицы.

Для оценки разрушительного действия разных видов излучений большое значение имеет не только удельная плотность ионизации, но и глубина проникновения лучей внутрь организма. По этому признаку излучения лучи располагаются в обратном порядке. Гамма излучение проходит насквозь, а альфа излучение поглощается поверхностным слоем кожи. Следовательно, если сравнивать эти излучения по их опасности для здоровья и жизни здорового организма, то ясно, что наибольшую опасность представляют гамма и Ro- лучи.

Установлено, что определенное значение для выраженности биологического эффекта имеет содержание в тканях кислорода в момент облучения. А именно, отсутствие или снижение парциального давления в тканях снижает эффективность рентгеновского и гамма излучения. Это явление известно в радиобиологии под названием кислородного эффекта.

Биологическому действию присущи и другие особенности, играющие положительную роль при их использовании в лечебных целях. Первой из них является субъективная неощутимость воздействия, что обусловливает безболезненность диагностических и лечебных процедур. Вместе с тем эта особенность требует большой осторожности персонала, чтобы не подвергнуться незаметно для себя вредному облучению.

Второй особенностью является зависимость степени повреждения тканей от величины поглощенной дозы. Эту зависимость хорошо проследить на реакциях кожи на облучение.

 

Лучевая реакция кожи.

 

 

Третья особенность биологического действия излучений – наличие скрытого периода. Изменения в тканях хотя и сразу возникают после облучения, но проявляются клинически спустя определенное время. При этом длительность скрытого периода обратно пропорциональна поглощенной дозе.

Заслуживает внимание еще одна особенность биологического действия: заключается она в том, что разные органеллы клеток, разные клетки и ткани и даже разные организмы обладают различной чувствительностью. Вследствие этого, для получения одинакового эффекта в разных тканях, необходима различная доза.

Под радиочувствительностью понимают способность организма отвечать на воздействие ионизирующего излучения различными функциональными, деструктивными или дегенеративными нарушениями.

В радиобиологии различают видовую радиочувствительность. Так, смертельная доза для собаки составляет 600 рад, крысы – 800 рад, мыши – 550 рад, кролика – 1250 рад.

Существует внутривидовая или индивидуальная чувствительность. Так, некоторые собаки выживают при общем облучении 600 рад, а другие погибают при 275 рад.

Различные клетки организма также имеют неодинаковую радиочувствительность.. В одних органах не выявляются какие либо деструктивные изменения, в других наблюдаются глубокие морфологические и генетические эффекты. Многолетние экспериментальные и клинические исследования позволили составить схематическую классификацию радиочувствительности здоровых клеток и тканей по убывающей степени на основании грубых морфологических проявлений лучевых поражений.

На заре изучения механизма биологического действия был сформулирован закон, который и теперь является ориентиром в оценке радиочувствительности тканей.

Это положение, названное тогда законом Бергонье и Трибондо, гласит, что чувствительность тканей прямо пропорциональна митотической активности и обратно пропорциональна дифференцированности тканей. (Шкала радиочувствительности).

Подтверждением этого правила является высокая чувствительность лимфатической ткани, селезенки и т.д. Однако, на практике встречается много противоречий и исключений из этого правила. Исходя их этого правила, селезенка и яичники очень чувствительны к радиации. Считалось раньше, что лучевой эффект прекрасное средство для безболезненной стерилизации. Однако в дальнейшем оказалось, что половые клетки поражаются сублетально. Доза в 250 r делает человека стерильным, однако через год бесплодие прекращается, клетки ставшие носителями мутации, участвуют в оплодотворении и, следовательно, могут принести потомству непоправимый вред.

Двояко решается вопрос и о радиочувствительности патологических тканей…..

Исходя из правила Бергонье и Трибондо, можно объяснить и радиочувствительность патологических тканей.

Вследствие этого для получения какого-либо определенного эффекта для различных клеток требуется различная доза излучения. Это свойство принято называть относительной или дифференцированной радиочувствительностью.

Различают еще действительную и условную радиочувствительность. Действительная радиочувствительность является постоянной для данного вида клеток. Условная радиочувствительность зависит от функционального состояния клетки, изменения среды и других факторов.

Существующая разница в чувствительности между здоровой и патологической тканью называется радиотерапевтическим интервалом.

 

Канцерицидные дозы.

 

В свете всего изложенного способность ионизирующих излучений оказывать биологическое действие, выражающееся в подавлении функции роста и размножения, а также в глубоком повреждении и гибели элементов тканей и органов является основой лечебного применения их, т.е. лучевой терапии злокачественных новообразований. С точки зрения радиобиологии, лечение должно отвечать двум условиям: стерилизовать раковую ткань и не вызвать в окружающих здоровых тканях тяжелых повреждений, способных угрожать жизни пациента.

Помимо этого к основным принципам лучевой терапии следует отнести:

1)своевременность применения лучевой терапии в возможно ранних стадиях заболевания,

2)выбор наиболее рациональной методики,

3)подведение к опухоли необходимой дозы,

4)одновременное лучевое воздействие на первичную опухоль и регионарные пути метастазирования,

5)комплексность лечения больного, т.е. наряду с лучевой терапией использование средств, направленных на улучшение общей и местной реактивности организма.

Рассмотрим некоторые факторы, влияющие на эффективность лучевой терапии. Чувствительность опухоли зависит от гисто-структуры, степени дифференцировки клеточных элементов, от соотношения стромы и паренхимы. Опухоли богатые стромой обладают большой резистентностью. Это обусловлено плохим обеспечением кислородом. Небольшие опухоли с хорошо развитым кровоснабжением более радиочувствительны. Большие опухоли, как известно, менее чувствительны, кроме их периферических отделов. Большое влияние на радиочувствительность оказывает предшествовавшее облучение в дозе не вызвавшей гибели опухолевых клеток. В результате такого лечения опухоль обретает резистентность к последующему применению лучистой энергии. Это лишний раз доказывает, что I курс лучевой терапии должен быть полноценным.

Успех лучевой терапии злокачественных новообразований в значительной степени зависит от применяемой методики облучения, которая определяется глубиной залегания, размерами опухоли, вовлечением в процесс регионарных узлов, а также величиной дозы. Выбор оптимальной дозы определяет степень ответной реакции организма на облучение.

Биологический эффект определяется не только качеством излучения, величиной разовой и суммарной поглощенной дозы, но и распределением ее во времени. При этом учитывается протяженность и дробность облучения. Под протяженностью понимают время, в течение которого подводится доза излучения без перерыва.

Терапевтический эффект значительно повышается при увеличении времени экспозиции и фракционировании дозы. То есть суммарную дозу разделяют на отдельные фракции – порции и опухоль облучается многократно, каждый раз одной фракцией дозы. Этим же самым достигается повышение радиотерапевтического интервала, т.е. разницы в радиочувствительности здоровых измененных участков тканей.

 

Другим способом увеличения радиотерапевтического интервала является протрагирование дозы. В этом случае каждое облучение удлиняют путем снижения мощности дозы. Благоприятное влияние протрагирования и фракционирования связано с тем, что окружающие опухоль здоровые ткани после каждого облучения восстанавливаются быстрее, чем раковые клетки. Принимая во внимание положение и величину опухоли, выбирают размеры и направление пучка излучений таким образом, чтобы энергия излучений поглощалась в пределах опухоли и в минимальной степени в окружающих тканях.

В каждом индивидуальном случае, для каждого больного, подвергающегося лучевому лечению, составляется план лучевой терапии. При составлении плана лучевой терапии принимаются во внимание как физические, так и биологические и, прежде всего, основные информационные комплексы: полный диагноз, данные о радиотерапевтическом интервале и картина распределения поглощенной энергии излучения в объекте при разных условиях облучения.

Чтобы выполнить основные задачи лучевой терапии, необходимо подобрать такие физико-технические условия облучения, чтобы произошло максимальное поглощение намеченного количества энергии в облучаемом объекте, максимально щадящее здоровые ткани. А для этого нужно точно определить местоположение, величину и форму опухоли в том положении, в каком больной будет облучаться. Локализацию опухолей внутренних органов определяют путем рентгенологического и радиометрического исследования и строят поперечные срезы тела на уровне середины опухоли. (Топометрические карты). Затем на поперечный срез накладываются шаблоны изодозных кривых и, таким образом, рассчитывается глубинная поглощенная доза. Выбираются наиболее оптимальные условия облучения.

Мы рассмотрели общие, основные принципы лучевой терапии, которые должны учитываться в каждом частном случае лучевого лечения.

 

Рассмотрим классификацию лучевой терапии.

В зависимости от целей и задач различают следующие разновидности лучевой терапии:

1. Радикальную: цель – создание в очаге необходимой для разрушения дозы.

2. Предоперационную: цель – подавление способности роста и метастазирования.

3. Послеоперационную: цель – подавление способности роста и метастазирования.

4. Профилактическую – направленную на предупреждение возможного метастазирования при существующем первичном очаге.

5. Паллиативную – облегчающую страдания больного, болеутоляющую.

 

В зависимости от характера излучений, используемого для терапии, различают также 5 видов:

1. рентгенотерапия;

2. β-терапия;

3. гамматерапия;

4. лучевая терапия тормозным излучением высокой энергии;

5. лучевая терапия электронами высокой энергии.

 

В зависимости от взаимоотношения между источником излучения и облучаемым объектом методики лучевой терапии делятся на:

1. дистанционную наружную,

2. внутриполостную,

3. внутритканевую,

4. контактную,

5. внутреннюю.

 

 

Контрольные вопросы.

 

1. Что понимают под биологическим действием проникающей радиации?

2. Каков первичный механизм биологического действия проникающей радиации?

3. В чем сущность биохимических и патоморфологических процессов, происходящих под влиянием проникающей радиации.

4. Радиочувствительность тканей, биологические закономерности радиочувствительности.

5. Действие ионизирующего излучения на опухоль.

6. Основные задачи лучевой терапии.

7. Выбор оптимальных условий облучения.

8. Понятие оптимальной дозы.

9. Значение фракционного облучения.

10. Управление радиочувствительностью.

11. Подготовка больных к лучевой терапии.

12. Понятие о поглощенной дозе. Единицы измерения. Мощность экспозиционной дозы. Единицы измерения.

 

 

Тестовые задания: