книги / Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами. Воздействие ионизирующего и оптического излучения

Позитрон, замедлившись, взаимодействует с одним из электронов среды. В результате образуются два (реже три) фотона аннигиля-

ционного излучения с суммарной энергией 2тес2 :

е~ + е+ —> 2у.

Таким образом, энергия первичных фотонов преобразуется в кине­

тическую энергию ионизированных частиц е~ и е+ и в энергию аннигиляционного излучения.

Из приведенного выше можно сделать вывод, что в первичных актах взаимодействия излучения с веществом часть энергии пре­ образуется в кинетическую энергию образующихся частиц, часть - в энергию вторичного излучения, т. е. первичные процессы взаи­ модействия приводят к последующим вторичным процессам, например, ионизированные атомы могут излучать характеристиче­ ский спектр, возбужденные атомы могут стать источниками види­ мого света (рентгенолюминесценция) и т. п. Для дозиметрии осо­ бенно существенна та часть энергии фотонов, которая преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц.

Рентгенолюминесценция возникает при облучении люминофо­ ров рентгеновскими или у-лучами. Это явление используют при создании специальных экранов для визуального наблюдения РИ, для усиления действия РИ на фотопластинку.

В результате взаимодействия с веществом плотность потока фотонов первичного моноэнергетического излучения (интенсив­ ность) ослабляется и составляет на глубине х ослабляющей среды

Ф* где фо - плотность потока на поверхности среды со стороны вхо­

да излучения (х = 0); для расходящегося пучка фотонов от точеч­ ного источника

= Фо[/2 /(/+*)

где / - расстояние от источника до поверхности среды; |i £ - ли­

нейный коэффициент ослабления, см-1, зависящий от энергии фотонов и состава ослабляющей среды:

~ Н’ког т ф/э ® + X -

51

Здесь цког - линейный коэффициент когерентного рассея­

ния; Тф/Э- линейный коэффициент фотоэффекта; а - линейный

коэффициент комптоновского взаимодействия; %~ линейный ко­ эффициент эффекта образования пар.

тавших взаимодействие на расстоянии dx.

Используется также понятие массового коэффициента ослаб­ ления потока излучения , который связан с линейным коэффи­

циентом следующим образом:

VE = ц,лР;

Ф*=Фое ЦтХр.

где х - толщина поглощающего слоя; р - плотность поглотителя. Поглощенная энергия в облучаемой среде определяется той

энергией, которую передают веществу электроны е~ , порожден­ ные первичными фотонами, в результате:

• упругих столкновений ё~ с атомами и молекулами среды;

•неупругих столкновений (ионизация некоторых молекул и атомов);

•неупругих столкновений (возбуждение атомов и молекул среды);

•энергии тормозного излучения.

1.6.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ

ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ. БИОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Непрямое и прямое действие ИИ. Кислородный эффект.

При облучении биообъектов, содержащих в своем составе воду, принято считать, что 50 % поглощенной дозы в «средней» клетке приходится на воду, другие 50 % - на ее органеллы и растворен­ ные вещества [12]. В соответствии с локализацией поглощенной энергии (в воде или в основном веществе) говорят о непрямом и прямом действии ИИ. Соответственно и биомолекула, и субкле­ точная структура под действием ИИ могут быть повреждены в ре­ зультате двух механизмов: непрямого и прямого действия ИИ. Не­ прямое (косвенное) действие ИИ обусловлено повреждением био­

52

молекулы в результате ее взаимодействия с радиационными хими­ ческими продуктами, образовавшимися в окружающей среде.

Прямое действие обусловлено непосредственным взаимодей­ ствием заряженной частицы с биомолекулой или субклеточной структурой.

Рассмотрим непрямое действие ИИ. При взаимодействии ИИ с водой происходят следующие процессы:

Н20 —>Н20 + + е Н20 + е“ -> Н20 “

Возникающие ионы воды в свою очередь распадаются с обра­ зованием ряда радикалов, которые взаимодействуют между собой:

Н20 +-> Н ++ Н 0 Н2С Г -> Н + О Н " Н + О Н -> Н 20

о н + о н -> н 2о 2 н 2о 2 + о н - > Н20 + н о 2

С точки зрения биохимии считается, что основной эффект лу­

чевого поражения обусловлен радикалами Н, ОН, Н2О2 и особенно

НО2 (гидропероксид или пергидроксил). Радикал НО2 обладает высокой окислительной способностью. Строение этого свободного радикала таково: Н - 0 - 0 - . Его выход уменьшается пропорцио­

нально падению парциального давления О2, так как НО2 образу­ ется при облучении воды в присутствии кислорода. Поэтому при

снижении концентрации О2 в период облучения уменьшается эф­ фект лучевого поражения (кислородный эффект). На молекуляр­ ном уровне кислородный эффект проявляется в усилении радиа­ ционной инактивации ферментов, повреждении углеводов, ДНК и т. д. в присутствии кислорода. На клеточном уровне кислородный эффект проявляется в увеличении частоты генетических повреж­ дений, гибели клеток. Не следует путать описанный здесь кисло­ родный эффект при взаимодействии РИ с водой и передачу энер­ гии молекуле кислорода с образованием синглетного кислорода в оптическом диапазоне (см. далее 3.12).

Возникшие в результате взаимодействия с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соеди­ нений клеток, давая начало вторичным радикалам.

При прямом действии ИИ пути превращений энергии могут быть представлены на первом этапе возникновением ионизиро­

ванных и возбужденных молекул А*:

53

А —^ А + е , А —^ А .

Важнейшими процессами, ведущими к химическим преобразо­ ваниям (а следовательно, к поражению) биомолекул являются дис-

сибилизатором (например, с кислородом): А + О2 —►А О2 .

Из экспериментальных данных следует, что в клетках прямые и непрямые эффекты сопоставимы между собой. Эффекты прямого действия не изменяются химическими агентами. Модифицируется только часть эффектов, связанных с косвенным действием ИИ. В этом случае фактически речь идет либо о перехвате и нейтрализа­ ции радикалов либо, наоборот, о повышении выхода радикалов и

ходящие процессы невозможно модифицировать, так как число первичных актов ионизации и возбуждения не зависит от состоя­ ния объекта и определяется лишь свойствами излучения. При дозе

1000 рад в клетке образуется приблизительно 106 активных цент­ ров (т. е. ионизированных и возбужденных молекул). Например, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что часть пер­ вичных летальных повреждений молекул ДНК в клетках возникает в процессах прямого действия излучения за 1СГ10... К Г 12 с. В этом случае химическая защита или сенсибилизация представляются малореальными [22].

Рассмотрим передачу энергии заряженной частицы среде. По закону Резерфорда при взаимодействии заряженной частицы со средой число событий с передачей энергии £ обратно пропор­ ционально квадрату этой энергии:

^ ( £ > 1 / £ 2.

Таким образом, энергия чаще всего передается электронам среды малыми порциями. При прохождении быстрой заряженной части­

54

цы через слой вещества потеря энергии на ионизацию и возбужде­ ние атомов среды удовлетворительно описывается квантово­ механической формулой Бете - Блоха:

_«/£ = 4

dx mevz

где (Ze) - заряд бомбардирующей частицы; те - масса электрона; v - скорость этой частицы; (п7) - концентрация электронов тормо-

\/

тенциал ионизации атомов тормозящей среды, fi = v /c yc - ско­ рость света.

Функция В слабо зависит от v , поэтому формулу можно упро­ стить:

dS_

(nZ). ( 1.1)

dx

Выражение (1.1) можно использовать в широком диапазоне скоростей.

При малых скоростях движения заряженной частицы (иона) в среде происходит несколько процессов взаимодействия:

•неупругие: обычные (ударные) процессы ионизации и воз­ буждения, а также процессы перезарядки (захват и потеря элек­ тронов мишени);

•упругие ядерные столкновения.

Возникновение биорадикалов в связи с внутримолекулярной миграцией энергии и диффузией радикалов воды - физико­ химическая стадия действия излучения - длится приблизительно

Ю_10с. Модифицировать физико-химический этап лучевого пора­ жения могут агенты, способные изменять характер миграции энер­ гии или вступающие в реакцию со свободными радикалами.

После облучения ионизированные и возбужденные атомы и

молекулы вещества клетки в течение 10~6с взаимодействуют меж­ ду собой и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы, ионы, ионрадикалы и т. п.). В тот же период возможно образование разрывов связей в молекулах как за счет непосредственного взаимодействия с ионизирующими агентами, так и за счет внутри- и межмолеку­

55

лярной передачи энергии возбуждения. Последующее взаимодей­ ствие биорадикалов друг с другом и с окружающими молекулами приводит к возникновению стойких молекулярных изменений: по­ вреждению в структуре молекул, составляющих клетку. Это хими­ ческая стадия действия ИИ. Далее происходят реакции химически активных веществ с различными биоструктурами. При этом отме­ чаются деструкция и образование новых, не свойственных облу­ чаемому организму соединений, и, как следствие, нарушение об­ мена веществ в биосистемах с изменением соответствующих функций. Разнообразные функциональные изменения, происходя­ щие на биологической стадии, формируются в течение секунд, ча­ сов, дней или месяцев. Они могут закончиться гибелью клетки.

Действие ИИ на белки, нуклеиновые кислоты, простые са­ хара (углеводы), липиды, клетку. Прежде чем рассматривать дей­ ствие ИИ на биомолекулы, кратко напомним строение белков и ДНК.

Первичная структура белка - последовательность аминокис­ лот; вторичная - локальная упорядоченность; третичная (конфор­ мация) - пространственная структура в некотором объеме, опреде­ ляется выполняемой функцией; четвертичная - сосуществование различных глобул, например как в молекуле гемоглобина. Белки выполняют различные функции: соединительную, иммунную, транспортную и т. д.

Ферменты представляют собой белковые молекулы, синтези­ руемые живыми клетками. Они являются биологическими катали­ заторами, т. е. ускоряют биологические реакции. Ферментативные реакции делятся на анаболические (реакции синтеза крупных мо­ лекул из более мелких и простых) и катаболические (реакции рас­ пада крупных молекул на более мелкие и простые). Для анаболи­ ческих реакций необходимо затратить энергию, а катаболические реакции обычно идут с выделением энергии. Совокупность всех этих реакций в любой момент и есть метаболизм клетки, органа, организма.

Структура ДНК делится на первичную (последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи) и вторичную (пространст­ венное расположение цепи).

Облучение белковых растворов приводит к нарушению пер­ вичной структуры белков (выборочное разрушение отдельных аминокислот, изменения в аминокислотах: разрывы связей С-С и C-N, отщепление карбоксильной группы, атома Н), изменению вторичной структуры, нарушению конформации, возможно нару­ шение активного центра ферментов, возникновение агрегации мо­

56

лекул за счет образования дисульфидных связей, деструкции, свя­ занной с разрывом пептидных или углеводородных связей, а также денатурации белка, т. е. утраты трехмерной конформации данной молекулы. При этом аминокислотная последовательность белка остается неизменной, но белок теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию и способность к межмо­ лекулярному узнаванию (потеря иммунитета). Наиболее чувстви­ тельны при облучении белков SH-группы.

Все эти процессы наблюдаются при поглощении достаточно

высоких доз (~ 10 рад). При дозах 500 Р замедляется биосинтез белка за счет снижения уровня доноров метальных групп и трип­ тофана для аминокислот. При поглощении небольших доз с помо­ щью системы репарации происходит восстановление поврежде­ ний, вызванных ИИ. Тест-эффектом облучения ферментов является потеря ими активности.

При действии ИИ на нуклеиновые кислоты происходят однонитевые разрывы (ОР) и двухнитевые разрывы (ДР), разрывы во­ дородных связей и частичная денатурация ДНК, повреждение нук­ леотидов (пуриновых и пиримидиновых оснований, окисление спиртовых групп, разрывы С-С связей) и возникновение межмо­ лекулярных сшивок (ДНК-ДНК, ДНК-белок). Могут оказаться поврежденными иРНК*, тРНК** и рибосомы. Наиболее чувстви­ тельными при облучении ДНК являются хромофорные группы ти­ мина.

Одно- и двухнитевые разрывы считаются ответственными за летальные события в клетке. В клетках млекопитающих эффек­ тивно репарируются как те, так и другие разрывы.

Разрыв является однонитевым, если происходит: а) в одной из нитей;

б) в обеих нитях, при этом расстояние по нуклеотидной цепоч­ ке между этими разрывами достаточно большое. Такие разрывы называют также двойными однонитевыми разрывами.

Двухнитевым разрывом является разрыв в обеих нитях, при этом расстояние между этими событиями по цепи не больше 3-5 нуклеотидов.

Можно считать установленными и следующие факты:

•выход ОР пропорционален дозе облучения ИИ;

•выход ОР уменьшается с ростом линейной передачи энергии

*иРНК - информационная рибонуклеиновая кислота (РНК).

**тРНК - транспортная РНК.

57

(ЛПЭ). ЛПЭ - тормозная способность вещества, которая близка к

d£

потере энергии на единице пути, т. е. — (см. формулу (1.1)); d х

• число ОР существенно уменьшается со временем из-за репа­ рационных процессов. В клетках млекопитающих ОР практически полностью репарируются. При одинаковой поглощенной дозе от­

С биофизической точки зрения такое соотношение объясняется тем, что ДР может наступить только тогда, когда в очень малом пространстве с длиной пути частицы около 2 нм и сечением, рав­ ном длине 3-5 нуклеотидов, происходит, по крайней мере, два со­ бытия энергопоглощения, что значительно менее вероятно, чем единичный акт. С ростом числа заряженных частиц выход ДР уве­ личивается, достигая наибольшего значения при ЛПЭ, равной 100...200 кэВ/мкм. При дальнейшем увеличении ЛПЭ выход ДР снижается. Репарация ДР в 10 % клеток млекопитающих не проис­ ходит по тем или иным причинам. Они погибают в результате воз­ действия ИИ.

Структурные повреждения ДНК в результате действия ИИ будут служить препятствием для нормального протекания процессов реп­ ликации, транскрипции и трансляции генетической информации.

Облучение значительными дозами (до 10 и более миллионов рад) приводит к окислению и распаду простых сахаров, в резуль­ тате чего образуются органические кислоты и формальдегид.

В результате облучения липидов инициируются реакции сво­ боднорадикального перекисного окисления, которые имеют особое значение в развитии лучевой болезни. При облучении организма отмечается снижение содержания липидов и их перераспределение

вразличных тканях с повышением их уровня в печени и крови. Перекисное окисление липидов может привести к поражению мем­ бранно-связанных белков, а также к нарушению проницаемости мембран, смещению ионных градиентов, выходу ферментов из лизосом, нарушению окислительного фосфорилирования. В результа­ те действия ИИ обнаруживаются изменения во внутриклеточных структурах, в частности, в митохондриях и микросомах накаплива­ ются токсичные для клетки продукты окисления тканевых липидов.

Кчислу наиболее радиочувствительных процессов в клетке от­ носится окислительное фосфорилирование. Доза 100 Р проявляется

вповреждении системы генерирования аденозинтрифосфата (АТФ),

58

без которого не обходится ни один процесс жизнедеятельности. Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток орга­ низма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреждение происходит при малых дозах (50 Р).

Рассмотренная выше химическая стадия действия ИИ на клетку приводит к нарушениям, наступающим в результате высвобож­ дения ферментов из клеточных органелл и изменения их активнос­ ти. Эти нарушения соответствуют биохимическому этапу лучевого поражения клетки. Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы и проникают в нее благодаря увеличе­ нию проницаемости мембран. Нарушение ядерной мембраны может привести к разрушению генетического аппарата, например, вслед­ ствие проникновения в ядро гидролитических ферментов - РНКаз, окислительных фосфатаз и др. Под воздействием этих ферментов распадаются высокомолекулярные компоненты клетки, в том числе нуклеиновые кислоты и белки.

Наиболее важными изменениями в клетке после облучения яв­ ляются следующие:

а) повреждение механизма митоза (деления) и хромосомного аппарата. Причем самые ранние эффекты связаны с повреждением мембран;

б) блокирование процесса обновления и дифференцировки кле­ ток;

в) блокирование процессов пролиферации и последующей фи­ зиологической регенерации тканей.

Радиочувствительность клетки зависит от скорости протекаю­ щих в ней обменных процессов. Клетки, пребывающие в стацио­ нарной фазе, менее чувствительны, а клетки, для которых харак­ терны интенсивно протекающие биосинтетические процессы, высокий уровень окислительного фосфорилирования и значитель­ ная скорость роста, более чувствительны. В малообновляемых тканях скрытое лучевое повреждение может храниться долгое время, с этим связана способность тканей суммировать эффект лучевого поражения при длительном фракционированном облуче­ нии с малой мощностью поглощенной дозы.

Биологические реакции человека на действие ИИ. Доза об­ лучения, при которой организм погибает мгновенно, называется летальной дозой. Заметим, что чувствительность к ИИ у различ­ ных представителей флоры и фауны неодинакова. Так, для чело­ века смертельной является доза около 600 Р, для мышей - 650 Р, для змей - 8...20 кР, для амебы - 100 кР, а инфузории выдержива­ ют более 300 кР. Семена лилии погибают при 2 кР, а капусты -

59

при 64 кР. Некоторые микробы выдерживают сотни килорентген, хотя большинство из них гибнет при гораздо меньшей дозе, что позволяет использовать РИ в качестве средства холодной стерили­ зации изделий из материалов, не выдерживающих кипячение. Из изложенного выше следует, что биообъекты, появившиеся на Зем­ ле раньше других, выдерживают значительно более высокие дозы радиации, чем высокоорганизованные.

Средняя летальная доза для млекопитающих составляет 300...900 Р. Поглощаемая при этом тканями и органами энергия настолько мала, что могла бы повысить их температуру всего на сотые доли градуса.

Поглощение организмом млекопитающего до 10 Гр ИИ вызы­ вает острую лучевую болезнь. Перечислим острые поражения для человека:

•изменение формулы крови, изменение некоторых вегетатив­ ных функций - менее 100 бэр;

•острая лучевая болезнь - более 100 бэр. Дозы однократного облучения 500...600 бэр смертельны;

•лучевые ожоги - от 500 бэр и более 1 200 бэр. Они бывают че­ тырех степеней тяжести: от выпадения волос, шелушения и пигмен­ тации кожи до язвенно-некротических поражений с образованием трофических язв;

•при длительном, повторяющемся или внутреннем облучении возможно развитие хронической лучевой болезни.

Как уже было сказано ранее (см. 1.4), при действии на млеко­

питающих различают (рис. 1.6):

1) соматические (телесные) эффекты, которые проявляются в

индивидууме, непосредственно подвергшемся облучению, а не на его потомстве;

2) генетические (врожденные) эффекты, проявляющиеся в сле­ дующем поколении как уродства. Возникают в результате мутаций и других нарушений в половых клеточных структурах, ведающих наследственностью.

Соматическими являются такие отдаленные последствия облу­ чения, как лейкемия, злокачественные новообразования, катаракта (помутнение) хрусталика глаза, сокращение продолжительности жизни. Соматические эффекты делятся на нестохастические и сто­ хастические (вероятностные). К нестохастическим относят пора­ жения, вероятность возникновения и степень тяжести которых растет по мере увеличения дозы облучения и у которых существу­ ет дозовый порог (наименьшая доза, при которой возможен эф­ фект): лучевой ожег, катаракта глаз, повреждение половых клеток

60